Г.Г. Чёрный - Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью (1161624), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поэтому изучение явлений, сопровождающих полет метеорных тел в атмосфере, интересовало главным образом астрономов и 12 вввдвнив геофизиков и притом в значительной степени как одно из средств исследования верхних слоев атмосферы. К середине сороковых годов положение начинает изменяться, Обширные теоретические исследования, эксперименты в аэродинамических трубах и на летающих моделях привели к тому, что одна за другой стали находить решение основные проблемы, связанные с осуществлением полетов управляемых летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью. К концу сороковых годов были произведены полеты самолетов и управляемых крылатых снарядов со скоростью, превосходящей скорость звука.
Еще раньше, на исходе второй мировой войны, были созданы баллистические ракеты с дальностью полета в несколько сотен километров и скоростью, в пятьшесть раз большей скорости звука. В последние годы круг научных и технических проблем, требующих изучения явлений, происходящих при движении тел в земной атмосфере со скоростями в 3 — 1О км/сел и более, значительно расширился. Увеличение мощности ракетных двигателей и успехи автоматики и телемеханики сделали возможным искусственное ускорение тел до столь высоких скоростей.
При использовании ракетных двигателей созданы дальние баллистические ракеты и спутники Земли, обладающие скоростями в 6 — 8 км/сек; близится время, когда появятся и имеющие такие скорости летательные аппараты, использующие аэродинамическую подьемную силу, По этой причине наряду с дальнейшим развитием в многообразных направлениях теоретической и экспериментальной аэродинамики полетов с умеренными сверхзвуковыми скоростями, т. е. со скоростями, превышающими скорость звука не более чем в четыре-пять раз, возникла н начала интенсивно развиваться аэродинамика течений с большими сверхзвуковыми скоростями.
Начало систематических исследований в области аэродинамики больших сверхзвуковых скоростей можно связать с работой [54[, а также с последующими работами [55 — 57[. Остановимся вкратце на некоторых специфических особенностях этой новой ветви аэродинамики. Как уже указывалось, при обтекании тонкого тела потоком с большой сверхзвуковой скоростью возмущения скорости частиц, малые по сравнению со скоростью набегающего потока, могут не быть малыми по сравнению со скоростью звука. В этих условиях многие выводы линейной теории, столь эффективной при изучении обтекания тонких тел с умеренной сверхзвуковой скоростью, становятся неприменимыми, так что при теоретических исследованиях необходимо сохранять нелинейные члены в уравнениях, описывающих движение газа.
Это обстоятельство существенно осложняет методы расчета обтекания тел потоком с большой сверхзвуковой скоростью по сравнению со случаем умеренных сверхзвуковых скоростей. ф П ЗАМЕЧАНИЯ ИСТОРИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА Однако не одно только это обстоятельство осложняет теоретическое исследование обтекания тел с большой сверхзвуковой скоростью. Полет тел с такой скоростью связан с ростом до очень больших значений температуры газа вблизи поверхности тела. Этот рост температуры вызывается мощныл~ сжатием газа перед головной частью движущегося тела и выделением тепла вследствие внутреннего трения в газе, увлекаемом телом при полете.
Теоретические оценки и наблюдения над свечением метеорных тел показывают, что при полете тел сквозь атмосферу со скоростью, соответствующей, например, скорости входа в плотные слои атмосферы дальней баллистической ракеты, развиваются температуры, которые могут достигать температуры поверхности Солнца.
В связи с этим в теории обтекания тел идеальным газом с боль-' шой сверхзвуковой скоростью необходимо учитывать изменение свойств воздуха при высоких температурах: возбуждение внутренних степеней свободы молекул, диссоциацию газов, составляющих воздух, химические реакции, например образование окиси азота, возбуждение электронов и ионизацию. При равновесном адиабатическом течении газа эти факторы влияют на зависимость теплосодержания газа и его энтропии от температуры и давления, В задачах, в которых суще-,' ственны явления переноса, например при расчете поверхностного' трения или температуры обтекаемой поверхности, необходимо учи-' тывать изменение в широких пределах вязкости и теплопроводности воздуха, а в некоторых случаях — диффузию и термодиффузию компонент воздуха и т.
п. явления. Может оказаться также, что в некоторых условиях процессы, происходящие в движущемся газе, нельзя считать термодинамически равновесными, вследствие чего при теоретических исследованиях понадобится учитывать их неравновесность. Необходимость учета явлений, происходящих в газе при высоких температурах, является существенной отличительной чертой аэродинамики больших скоростей, сближающих ее с физикой.
При экспериментальном исследовании течений с большими сверх= звуковыми скоростями возникают трудности. связанные прежде всего с необходимостью подогревания до высоких температур воздуха, поступающего в аэродинамическую трубу, для того чтобы предотвратить его конденсацию при расширении, которое требуется для создания больших скоростей. Более того, так как при исследованиях в ряде случаев необходимо учитывать изменения свойств воздуха при высоких температурах, сопровождающих полет тел с большой сверхзвуковой скоростью, то недостаточно для воспроизведения натурных условий в аэродинамических трубах стремиться к предотвращению конденсации воздуха и сохранению только числа Маха и числа Рейнольдса.
но нужно сохранять и соответствующие натурным условиям значения температуры. Это приводит к тому, что техника экспериментальных исследований при больших сверхзвуковых 14 введение скоростях существенно отличается от то», которая используется при умеренных сверхзвуковых скоростях; в частности, для таких исследований потребовалось создать совершенно новые типы испытательных установок: ударные трубы, адиабатические трубы и др. $ 2.
Основные аэродинамические задачи, связанные с движением летательных аппаратов при большой сверхзвуковой скорости Охарактеризуем кратко некоторые основные аэродинамические задачи, связанные с движением летательных аппаратов в атмосфере при очень большой скорости. На рисунке В.1 изображены [58[ возможные типы траекторий дальнего летательного аппарата, движущегося с очень большой И47 мл слжй арерш Рис.
В.1. Типы траекторий дальних летательных аппаратов; у †баллистическ ракетки Ы- плаиируюшего аппарата, ЛН вЂ” рикоше- тирушшего аппарата. скоростью (вертикальный масштаб на рис. В.1 для наглядности сильно увеличен). При полете баллистической ракеты (кривая /) подъем ее в плотных слоях атмосферы происходит вертикально или под большим углом к горизонту со сравнительно малой скоростью. В менее плотных слоях атмосферы ракета постепенно увеличивает скорость и выходит на заданное направление полета, После прекращения работы двигателей ракета продолжает двигаться вне атмосферы по инерции в поле сил земного тяготения, описывая баллистическую траекторию. На участке падения ракета входит в плотные слои атмосферы подобно метеорному телу с большой скоростью и под большим углом.
На рисунке В.2 приведены сплошной линией достижимые значения ' дальности полета (в радиусах Земли) баллистической ракеты й 2] ОСНОВНЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАЛАЧИ в зависимости от скорости ее в начале участка движения по инерции (скорость дана в долях скорости, необходимой для превращения ракеты в спутник Земли). Лишь небольшая часть активного участка траектории дальней баллистической ракеты проходит в плотных слоях атмосферы. К тому же скорость ракеты при подъеме ее в этих слоях сравнительно невелика. Поэтому форма ракеты, определяющая ее аэродинамическое сопротивление, лишь незначительно влияет на дальность полета. Напротив, факторы, определяющие возможность достижения земной поверхности ракетой без опасности ее разрушения от действия высоких температур при спуске в плотных слоях атмосферы.
т. е. фб рис, В,2. Дальность полета летательных аппаратов, движу- щихся с очень большой скоростью, общее количество тепла, поглощенного ракетой при спуске, и интенсивности местных тепловых потоков, илугцих от раскаленного воздуха к ракете, в сильной степени зависят от формы головной части ракеты. Поэтому для дальней баллистической ракеты основная аэродинамическая задача состоит в выборе такой ее формы, которая в наибольшей мере облегчала бы охлаждение поверхности ракеты при торможении ее в плотных слоях атмосферы, а также обеспечивала бы устойчивость движения ракеты в атмосфере.
Другим возможным типом траектории дальнего летательного аппарата, движущегося с большой сверхзвуковой скоростью, является траектория планирующего полета (кривая П на рис. В.1). Как и в случае баллистической ракеты, при таком полете подъем летательного аппарата в плотных слоях атмосферы происходит под большим углом к горизонту с постепенным увеличением скорости.
Отличие от взлета баллистической ракеты состоит в том, что в конце актйвного участка траектории планирующий аппарат направлен горизонтально или под малым углом к горизонту. В дальнейшем летательный аппарат совершает планирующее движение в земной 16 ввидвнив атмосфере, постепенно снижаясь таким образом, что вес его почти уравновешивается аэродинамической подъемной си.той и центробежной силой. Возможна, наконец, комбинация обоих типов траекторий †т называемый рикошетирующий полет (кривая 111 на рис. В.1), в котором участки лвижения по баллистической траектории сменяются участками движения в атмосфере с использованием аэродинамической подъемной силы 1591.
Благодаря использованию аэродинамической подъемной силы дальность полета планирующего нли рикошетнрующего летательного Рис. В.З. Воображаемый вид сверхскоростного планирую- щего аетательного аппарата. аппарата может быть при той же начальной скорости больше, чем у баллистической ракеты. Очевидно, что это преимущество будет тем заметнее, чем большим аэродинамическим качеством (т. е. отношением подъемной силы к сопротивлению) обладает летательный аппарат. На рис. В.2 приведены достижимые дальности полета планирующего (штрих-пунктир) и рикошетирующего (пунктир) летательного аппаратов при двух значениях аэролинамического качества К (при К > 4 дальности этих двух типов аппаратов мало отличаются друг от друга).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
