Г.Г. Чёрный - Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью (1161624), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При планирующем или рикошетирующем полете летательного аппарата вся его траектория или значительная ее часть проходит в сравнительно плотных слоях земной атмосферы. вследствие чего аппарат будет продолжительное время находиться в контакте с раскаленным воздухом. Из сказанного следует, что основной аэродинамической задачей для дальних планирующих и рикошетнрующих летательных аппаратов является отыскание таких их форм, которые обладают высоким аэродинамическим качеством при полете с очень % З) свойства воздгхл пги высокой твмпввлтгге 11 большой скоростью на больших высотах н в то же время обеспечивают возможность эффективного рассеяния тепла, выделяющегося в прилегающих к аппарату слоях воздуха.
Для получения достаточно высокого аэродинамического качества летательный аппарат не должен обладать значительным сопротивлением, т. е. фюзеляж его должен быть тонким, вытянутым в направлении полета; несущие и стабилизирующие органы также должны быть тонкими. Однако для того, чтобы иметь возможность отвести большие количества тепла от переднего конца корпуса летательного аппарата и от передних кромок крыльев, острые концы и кромки должны быть затуплены. При правильном выборе формы затупления переднего конца корпуса сопротивление его может не возрасти по сравнению с сопротивлением заостренного впереди корпуса.
Напротив, затупление кромок крыльев резко увеличивает их сопротивление и, следовательно, ухудшает аэродинамическое качество аппарата. Этот рост сопротивления может быть уменьшен применением скошенных передних кромок крыльев (при наличии угла скоса тепловые потоки также уменьшаются). На рисунке В.З показан теоретически целесообразный внд сверхскоростного планирующего летательного аппарата. В 3 Некоторые сведения о свойствах воздуха при высокой температуре При решении аэродинамических задач.
связанных с движением тел в атмосфере с большой сверхзвуковой скоростью, нужно учитывать то обстоятельство, что воздух вблизи движущегося тела нагревается до очень высокой температуры. Так, при входе в плотные слои атмосферы дальней баллистической ракеты или при полете дальнего крылатого аппарата, температура газа за наиболее интенсивной частью головной ударной волны, образующейся перед телом, может достигать 6 — 8 тысяч 'К. При столь высокой температуре свойства воздуха существенно отличаются от свойств совершенного Газа с постоянными теплоемкостями.
Уже прн температуре порядка 1600'К начинает играть заметную роль возбуждение колебательных степеней свободы молекул кислорода и азота; при температуре порядка 3000' К молекулы кислорода лиссоциируют, распадаясь на отдельные атомы; кроме этого, в воздухе происходят химические реакции, в результате которых возникает некоторое количество окиси азота, также диссоциирующей при дальнейшем повышении температуры с образованием атомарного кислорода и азота. При 6 — 6000'К молекулы кислорода почти полностью диссоциированы.
диссоциирована также часть молекул азота. При такой температуре начинается ионизация компонент воздуха — атомарного кислорода и азота, молекул азота и окиси азота; в результате ионизации' достигают заметной концентрации свободные электроны. 2 Зен.
559. Г. Г. Черный 18 введении При возбуждении внутренних колебательных степеней свободы молекул. при диссоциации молекул компонент воздуха и при ионизация подводимое к воздуху тепло идет не только на увеличение энергии поступательного и вращательного движения молекул, но и на увеличение энергии колебательного движения атомов в молекуле, на преодоление сил взаимодействия между атомами в молекуле при диссоциации, на отрыв электронов от атома — при ионнзацин.
Вследствие этого теплоемкость О 77 галл у7 я,ч лг единицы массы воздуха значи- тельно увеличивается при высо- ко~ость спопнияа кой температуре. На рис. В.4 го приведена для примера зависи- мость теплоемкости воздуха от ! температуры при плотности, равгб ной Ч,е плотности атмосферы в нормальных условиях (т. е. при ! давлении, равном одной атмосфере, и температуре, равной 288'К [601. На этом же рисунке В дана шкала чисел Маха; температура соответствует условиям за прямым скачком уплотнения при а данном числе Маха. При высокой температуре теплоемкость резко возрастает; так, при 7000'К она о д г юы г в 12 раз больше теплоемкости в нормальных условиях.
Рис. 8 4. Зависимость теплоемкости Описанные выше процессы, происходящие в газе при высокой температуре, меняют состав газа и общее число частиц в единице массы а, следовательно, н молекулярный вес газа. На рисунке В.б в наглядной форме представлено изменение состава воздуха в зависимости от температуры при плотности, равной плотности атмосферы в нормальных условиях 1611. Общее число частиц в единице массы иллюстрировано на этой фигуре величиной плошади круговых диаграмм. Изменение свойств воздуха при высокой температуре может изменять равновесное течение вне пограничного слоя по сравнению с течением в тех же условиях совершенного газа с постоянной теплоемкостью, каким можно считать воздух при умеренной температуре.
Учет этого изменения свойств воздуха не вносит, однако, принципиальных трудностей в теорию и методы расчета равновесных течений идеального газа. Теоретические методы. развитые для совершенного газа с постоянным молекулярным весом и постоянными теплоемкостями, как правило, легко обобщаются на случаи течений !9 свойства воздгха пги высокой темпивлтгвв воздуха при высокой температуре. Возможность таких обобщений оправдывает большое внимание, которое уделялось и продолжает уделяться разработке методов расчета течений совершенного газа с постоянными теплоемкостями при большой сверхзвуковой скорости. Конечно, так как вырзжения для энтропии и теплосодержания газа, входящие в уравнения движения и в соотношения на скачках уплотнения, не представляются для воздуха при высокой температуре в простом виде через давление и плотность, то вычисления в этом случае становятся более громоздкими, чем в случае совершенного фш л и' дз Е' 0000 'л Я00 л 0г 0,ЙЖЗ Фв Озт Г ~огз 0 0000гг Л 000 0,000П Ф0 Ц 0000 Рис.
В.б. Состав воздуха в зависимости от температуры. газа с постоянным молекулярным весом и постоянными теплоемкостями. Кроме того, если при небольших сверхзвуковых скоростях единственным параметром, от которого зависит установившееся обтекание идеальным газом тела заданной формы, является число Маха, то при большой сверхзвуковой скорости нужно вводить еще один параметр, характеризующий температуру торможения набегающего потока, например, отношение этой температуры к характерной температуре диссоциаций кислорода. Это обстоятельство увеличивает объем требующихся расчетов обтекания тел потоком воздуха с большой сверхзвуковой скоростью и осложняет представление их результатов.
В отличие от теории течений идеального газа при теоретическом изучении явлений, связанных с процессами молекулярного переноса, т. е. в первую очередь при определении поверхностного трения и тепловых потоков, а также температуры поверхности обтекаемых тел, изменение состава воздуха с температурой, т. е. изменение концентрации отдельных его компонент, может играть существенную 20 вввдвнив роль. Наличие градиентов концентрации и температуры в движущемся газе обусловливает возникновение диффузионных потоков вещества и тепла. Эти диффузионные потоки могут приводить к отклонению концентраций отдельных компонент воздуха от их равновесных значений, а также могут оказывать существенное влияние на теплопередачу.
Пусть, к примеру, охлажденная поверхность обтекается потоком воздуха высокой температуры, содержащим диссоциированный кислород. Вблизи стенки благодаря уменьшению температуры воздуха концентрация диссоциированных частиц кислорода в нем уменьшается. Такая разность концентраций вызывает диффузионный поток диссоциированного кислорода к стенке; выделение тепла. связанное с рекомбинацией атомов кислорода в области пониженных температур вблизи стенки, увеличивает тепловой поток по направлению к ней сравнительно со случаем, когда диффузия не учитывается. Необходимость учета диффузионных явлений при определении поверхностного трения и тепловых потоков отличает аэродинамику течений с большой сверхзвуковой скоростью от аэродинамики умеренных сверхзвуковых скоростей.
Важную роль в аэродинамике больших сверхзвуховых скоростей может играть и то обстоятельство, что установление термодинамического равновесия в движущейся частице газа происходит не мгновенно, а требует определенного времени; следовательно, давление, температура, концентрация отдельных компонент воздуха (даже в том случае, если диффузионные явления не учитываются) и его теплоемкость зависят не только от мгновенных значений внутренней энергии и плотности частицы, но и от ее предшествующей истории (более приближенно — от скорости изменения внутренней энергии и плотности в частице).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
