Шоковый алмаз
Ударные алмазы (также известные как алмазы Маха или алмазы тяги ) представляют собой образования стоячих волн , которые появляются в сверхзвуковом выхлопном шлейфе аэрокосмической двигательной установки, такой как сверхзвуковой реактивный двигатель , ракета , прямоточный воздушно-реактивный двигатель или прямоточный воздушно-реактивный двигатель , когда он работает. в атмосфере. «Ромбы» на самом деле представляют собой сложное поле потока, которое становится видимым по резким изменениям местной плотности и давления, когда выхлопные газы проходят через серию стоячих ударных волн и вентиляторов расширения . Физик Эрнст Мах первым описал сильный скачок, перпендикулярный направлению потока жидкости, наличие которого и вызывает ромбовидный узор. [1] : 48
Механизм
[ редактировать ]
Ударные ромбы образуются, когда сверхзвуковой выхлоп из реактивного сопла слегка расширен, а это означает, что статическое давление газов, выходящих из сопла, меньше давления окружающего воздуха . Более высокое давление окружающей среды сжимает поток, и поскольку результирующее увеличение давления в потоке выхлопных газов является адиабатическим , снижение скорости приводит к существенному увеличению его статической температуры. [2] Выхлоп обычно чрезмерно расширяется на малых высотах, где давление воздуха выше.
Когда поток выходит из сопла, давление окружающего воздуха сжимает поток. [2] Внешнее сжатие вызывается косыми ударными волнами, наклоненными под углом к потоку. Сжатый поток поочередно расширяется расширительными вентиляторами Прандтля-Мейера , причем каждый «ромб» образуется за счет спаривания косого скачка уплотнения с расширительным вентилятором. Когда сжатый поток становится параллельным центральной линии, образуется перпендикулярная потоку ударная волна, называемая нормальной ударной волной или диском Маха . При этом находится первый ударный алмаз, а пространство между ним и соплом называется «зоной тишины». [3] Расстояние от сопла до первого ударного алмаза можно аппроксимировать выражением
где x — расстояние, D 0 — диаметр сопла, P 0 — давление потока, а P 1 — атмосферное давление. [3]
Когда выхлоп проходит через нормальную ударную волну, его температура увеличивается, воспламеняя излишки топлива и вызывая свечение, которое делает видимыми ударные ромбы. [2] Освещенные области выглядят как диски или ромбы , что и дало им свое название.
В конце концов поток расширяется настолько, что его давление снова становится ниже окружающего, и в этот момент вентилятор расширения отражается от разрыва контакта (внешнего края потока). Отраженные волны, называемые веером сжатия, заставляют поток сжиматься. [2] Если вентилятор сжатия достаточно силен, сформируется еще одна косая ударная волна, создающая второй диск Маха и ударный алмаз. Узор из дисков и ромбов повторялся бы бесконечно, если бы газы были идеальными и не имели трения; [2] однако турбулентный сдвиг на контактном разрыве приводит к рассеиванию волновой картины с расстоянием. [4]
Ромбовидные узоры могут аналогичным образом образовываться, когда сопло недостаточно расширено (давление на выходе выше окружающего) при более низком атмосферном давлении на больших высотах. В этом случае сначала образуется веер расширения, а затем косой скачок уплотнения. [2]
Альтернативные источники
[ редактировать ]
Ударные алмазы чаще всего связаны с реактивным и ракетным движением, но они могут образовываться и в других системах.
Артиллерия
[ редактировать ]При стрельбе из артиллерийских орудий газ выходит из дула пушки со сверхзвуковой скоростью и образует серию ударных алмазов. Ромбики вызывают яркую дульную вспышку , которая может раскрыть противнику расположение огневых точек. Было обнаружено, что когда соотношение между давлением потока и атмосферным давлением близко, чего можно достичь с помощью пламегасителя , ударные алмазы значительно минимизируются. Установка дульного тормоза на конце дульного среза уравновешивает давление и предотвращает ударные алмазы. [1] : 41
Радио самолеты
[ редактировать ]Некоторые радиоджеты , мощные струи плазмы, исходящие из квазаров и радиогалактик , имеют регулярно расположенные узлы усиленного радиоизлучения. [1] : 68 Струи летят со сверхзвуковой скоростью через тонкую «атмосферу» газа в космосе. [1] : 51 поэтому предполагается, что эти узлы представляют собой ударные ромбы. [5] [6]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Майкл Л. Норман; Карл-Хайнц А. Винклер (июль 1985 г.). «Сверхзвуковые самолеты» . Лос-Аламосская наука . 12 : 38–71.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Скотт, Джефф (17 апреля 2005 г.). «Ударные алмазы и диски Маха» . Aerospaceweb.org . Проверено 6 ноября 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Ниссен, Вильфрид М.А. (1999). Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия . Том. 79. ЦРК Пресс . п. 84. ИСБН 978-0-8247-1936-4 .
- ^ «Ромбовидный узор выхлопных газов» . Международный университет Флориды . 12 марта 2004 г. Архивировано из оригинала 7 декабря 2011 г. Проверено 6 ноября 2011 г.
- ^ «Ударные алмазы в космосе: внегалактический дожигатель из PKS 0637-752 | Наука 2.0» . www.science20.com . 27 августа 2014 года . Проверено 13 марта 2024 г.
- ^ Барнс, Люк; Филипович, Мирослав; Норрис, Рэй; Велович, Велибор; Разговор,. «Астрономы обнаружили одну из крупнейших струй черной дыры в небе» . физ.орг . Проверено 13 марта 2024 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- «Взрыв метана» - ударные алмазы, образующиеся в метановом двигателе НАСА, построенном XCOR Aerospace , веб-сайт НАСА, 4 мая 2007 г.
- «Ударные алмазы и диски Маха» — по этой ссылке есть полезные диаграммы. Aerospaceweb.org — это некоммерческий сайт, которым управляют инженеры и ученые в области аэрокосмической отрасли.