Regim hipersonic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Boeing X-43 la viteza Mach 7

O problemă a dinamicii fluidelor sau a aerodinamicii este în general considerată în regim hipersonic pentru viteze caracteristice ale câmpului de mișcare mai mari de aproximativ cinci ori viteza sunetului în fluidul considerat. Se mai spune că aceste viteze au un număr Mach mai mare de 5. Fenomenele fluxului hipersonic sunt caracterizate în special prin fenomene de interacțiune vâscoasă, deoarece vâscozitatea are o influență puternică asupra fluxului extern și a undelor de șoc . Undele de șoc pot modifica chimic aerul sau gazul înconjurător, creând o plasmă parțial ionizată, cu atingerea temperaturilor ridicate ( încălzire aerodinamică ).

Având în vedere definițiile anterioare, conceptul de „regim hipersonic” este dificil de înțeles, având în vedere faptul că nu există modificări fizice care să îl facă diferit de fluxul supersonic. În general, o combinație specială de fenomene este înregistrată în jurul lui Mach 5. Regimul hipersonic este, de asemenea, definit ca viteza cu care motoarele ramjet nu mai produc împingere, dar este din nou o definiție ambiguă, deoarece acestea pot fi modificate pentru a funcționa și în regimuri hipersonice (așa-numitele scramjets ).

NASA a ajuns la regimul hipersonic cu avioane experimentale fără pilot cu propulsie de rachete care au atins Mach 7 și Mach 10 prin stabilirea recordului mondial de viteză cu prototipul X-43 . Următorul obiectiv al NASA va fi să ajungă la Mach 15.

Descriere

Caracteristici

În timp ce definiția fluxului hipersonic poate părea destul de ambiguă și discutabilă (în principal datorită continuității relative în tranziția dintre regimurile supersonice și hipersonice), este caracterizată de o serie de fenomene fizice care nu se regăsesc în alte regimuri; aceste fenomene se referă în special la:

  • Frontul undei de șoc : pe măsură ce Mach crește, densitatea undei de șoc crește și volumul acesteia scade datorită legii conservării masei; în consecință, frontul undei de șoc scade, de asemenea.
  • Entropie , care crește în zona frontală a șocului ca urmare a unui gradient entropic ridicat și a unor fluxuri puternice care se învârtesc interacționând în stratul limită .
  • Interacțiunea vâscoasă : o parte din energia cinetică ridicată asociată cu regimurile hipersonice este transformată în energie internă a fluidului datorită efectelor vâscoase; această creștere a energiei interne are ca rezultat o creștere a temperaturii. Deși gradientul de presiune perpendicular pe debitul din stratul limită este zero, creșterea temperaturii coincide cu o scădere a densității acestui strat, care se poate extinde și fuziona cu unda de șoc.
  • Temperaturile ridicate atinse de interacțiunea vâscoasă, care provoacă dezechilibre chimice în mediul înconjurător, cum ar fi disocierea și ionizarea moleculelor, prin mișcări convective și prin radiații.

Efecte hipersonice

Regimul hipersonic se caracterizează printr-un anumit număr de efecte care nu se regăsesc în situațiile normale ale regimurilor subsonice; aceste efecte depind în primul rând de viteza și conformația vehiculului în cauză.

Realizarea vitezelor hipersonice, deși se efectuează la altitudini mari unde densitatea aerului este mai mică decât la nivelul mării, determină o creștere a temperaturii și, în consecință, produce supraîncălzire, cauzată de frecare, a întregului avion, care trebuie au fost construite cu materiale care pot rezista la temperaturi foarte ridicate.

Grupuri adimensionale ale regimului hipersonic

Descrierea fluxurilor aerodinamice se bazează pe un anumit tip de parametri, numiți grupuri adimensionale , care permit simplificarea și reducerea numărului de cazuri posibile de analizat. În cazul fluxurilor transonice, numărul Mach și numărul Reynolds permit o clasificare ușoară.

Evident, regimul hipersonic necesită și acești parametri: în primul rând, ecuația care guvernează unghiul undei de șoc tinde să devină independentă de numărul Mach începând cu Mach 10; în al doilea rând, formarea undelor de șoc intense în jurul corpului în zbor indică faptul că numărul Reynolds devine mai puțin relevant în descrierea stratului limită al corpului (deși este încă important); în cele din urmă, temperaturile ridicate ale regimului hipersonic semnalează importanța efectelor gazelor reale . Din ultimul motiv, studiul regimului hipersonic este adesea denumit „ aerotermodinamică ”.

Introducerea gazelor reale necesită un număr mai mare de variabile necesare pentru a descrie starea gazului: în timp ce un gaz staționar este caracterizat de trei parametri ( presiune , temperatură și volum ) și un gaz în mișcare cu patru (precedentul trei plus viteza ) , un gaz la temperaturi ridicate și în echilibru chimic necesită ecuații de stare pentru fiecare dintre componentele sale, în timp ce un gaz neechilibrat este descris prin aceste ecuații dacă se adaugă o altă variabilă, și anume timpul. Toate acestea înseamnă că pentru a descrie un flux care nu este în echilibru în orice moment, sunt necesare între 10 și 100 de variabile; în plus, trebuie amintit că un flux hipersonic rarefiat (caracterizat de obicei printr-un număr Knudsen mai mare de unu) nu urmează ecuațiile Navier-Stokes .

Regimurile hipersonice sunt de obicei clasificate în funcție de energia lor totală, exprimată în entalpia totală (în MJ / kg), presiunea totală (în kPa sau MPa), presiunea de stagnare (întotdeauna în kPa sau MPa), temperatura de stagnare (în K) sau viteza (în km / s).

Regimuri hipersonice

Regimul hipersonic poate fi separat aproximativ în cinci sub-regimuri diferite, deși limitele fiecăruia dintre ele pot fi foarte neclare.

Gaz perfect

În această situație, gazul este considerat perfect și regimul este încă puternic influențat de numărul Mach; simulările încep să depindă mai mult de utilizarea unei temperaturi limită constante, mai degrabă decât de o limită adiabatică; limita inferioară a acestui regim este în jurul Mach 5 (când Ramjets devin ineficiente), în timp ce limita superioară este în jurul Mach 10-12.

Gaz perfect la două temperaturi

Este un caz particular al regimului anterior, în care gazul este perfect din punct de vedere chimic, dar temperaturile de rotație și vibrații ale gazului sunt considerate separate, ducând la elaborarea a două modele de temperatură diferite.

Gaz disociat

În acest regim, gazele multimoleculare încep să se disocieze atunci când vin în contact cu unda de șoc generată de corp și tipul de gaz considerat devine important pentru efectele fluxului. Suprafața de cataliză și, în consecință, și tipul de material utilizat, joacă un rol fundamental în calculul suprafeței care se încălzește. Începutul acestei faze corespunde momentului în care prima componentă a gazului începe să se disocieze în punctul de stagnare a fluxului, termenul este atunci când efectele ionizării încep să fie relevante.

Gaz ionizat

Populația de electroni ionizați devine semnificativă, iar caracteristicile sale trebuie studiate separat de cele ale componentelor rămase ale gazului. Acest regim apare pentru viteze de aproximativ 10-12 km / șase gaze prezente sunt considerate ca plasme non-radiante.

Regim dominat de radiații

Dincolo de 12 km / s, transferul de căldură către corpul în mișcare încetează să aibă loc prin conducere și devine prin radiație; modelele de gaz pentru acest regim sunt împărțite în două clase:

  • gaze transparente sau gaze care nu reabsorb radiația emisă de ei înșiși;
  • gaze opace , pentru care radiațiile trebuie considerate o sursă suplimentară de energie; acest tip de gaz este extrem de dificil de studiat, având în vedere numărul exponențial de calcule necesare pentru a descrie radiația din fiecare punct al gazului.

Bibliografie

  • John Anderson, Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Ediția a doua , AIAA Education Series, 2006, ISBN 1-56347-780-7 .

Elemente conexe

Alte regimuri aerodinamice

Alte proiecte

linkuri externe

Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica