Чтобы вырваться из нижней орбиты Земли, гиперзвуковые транспортные средства должны достигать скоростей, превышающих 5 Маха. На этих гиперзвуковых скоростях частицы воздуха и газы, которые движутся вокруг транспортного средства и взаимодействуют с поверхностями, генерируют тепло и создают ударные волны, которые нарушают равновесие потока. Новое исследование в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн создало модель для моделирования и лучшего понимания переходов потока.

Запуск ракеты. Фото: Pixabay

«На гиперзвуковых скоростях поток движется с большими числами Маха, но на транспортном средстве также есть крылья или закрылки. В каждом из этих соединений вы можете иметь очень сильную рециркуляцию, которая приводит к неустойчивости. Трудно предсказать, насколько серьезной может стать неустойчивость, прежде чем поток перестанет быть гладким и станет турбулентным », – сказала Дебора Левин, профессор кафедры аэрокосмического машиностроения в Инженерном колледже U of I.

Она и ее докторант Озгур Тумуклу вместе с профессором Василисом Теофилисом из Университета Ливерпуля провели исследования, которые привносят революционное понимание в область гиперзвукового потока.

Левин сказала, что она изучает поток на очень фундаментальном уровне, чтобы понять поток, силы, которые может создать поток, и продолжительность времени, в течение которого поток остается стабильным, от микросекунд до миллисекунд – быстрее, чем мгновение ока.

«Из самых фундаментальных аспектов потока, когда скорость настолько высока, газы вокруг поверхностей становятся очень горячими», объяснил Левин. «Теплота трения начинает вызывать химические реакции. Газ больше не остается 79% азота и 21% кислорода, как в нашей атмосфере.

«Когда происходят все эти эффекты, они называются неравновесными эффектами. Это явление, которое происходит, когда воздух становится тоньше, когда вы двигаетесь быстрее », – сказал Левин. «Сочетание всего этого – неравновесия и стабильности – вот что является действительно новым в этом исследовании и не было сделано ранее. Результатом этого исследования является модель и способность теперь использовать эту технику в будущем для проектирования форм и индукции химических реакций, которые будут или не будут вызывать стабильность или гасить ее ».

Левин сказал, что некоторые из оригинальных работ в этой области начались с экспериментов в Университете США с профессором Джоанной Остин, прежде чем уйти на должность в Калифорнийский технический отдел. Основной частью ее работы в Иллинойсе было проектирование нового объекта, который мог бы измерить некоторые особенности потока.

«У нее есть сверхскоростная расширительная труба – класс методов измерения, которые можно использовать для наведения потока на модель с двойным клином размером с мою руку», – сказал Левин. «Доктор Остин создает гиперзвуковой поток по всей модели. Он использовал огромное количество энергии для достижения, но он может быть использован для случаев низкой плотности (более тонкий воздух). Но двойной клин может быть сложной формой, чтобы понять, что происходит. Мы провели многочисленные симуляции, но не смогли добиться того, чтобы поток достиг стабильного или стабильного результата ».

Левин сказал, что сотрудничество с Theofilis помогло продвинуть работу вперед, особенно в отношении нового подхода и формирования модели.

«Он сказал мне:« Я знаю, что это условие [такой двойной клин] трудно понять с точки зрения стабильности, но если вы начнете выводить из своих расчетов потока температуру здесь, здесь и здесь, вы будете вижу, что температура никогда не стабилизируется. Вы увидите вихри и вихри, которые приходят и уходят. Когда эксперт говорит вам об этом, вы обращаете внимание », – сказал Левин.

Одна вещь, которую они сделали, прежде чем покинуть двойной клин, заключалась в том, чтобы «искусственно уменьшить условия в гиперскоростной расширительной трубе примерно в восемь раз», сказал Левин. «Мы все еще видели много таких функций, как удары и рециркуляция, но поток успокоился, и мы смогли смоделировать устойчивое состояние».

Исследователи отложили двойной клин на мгновение и перешли к модели с двойным конусом в качестве модели. Левин сказал: «У него есть осевая симметрия – как у вершины, у него есть симметрия вокруг всех углов – что делает его намного проще для вычисления».

Исследование дало новое понимание точек перехода в потоке от плавного к турбулентному, что в конечном итоге может дать информацию о более безопасной конструкции транспортного средства.

По материалам phys.org