околозвуковой
Трансзвуковой (или трансзвуковой ) поток — это воздух, обтекающий объект со скоростью, которая создает вокруг этого объекта области как дозвукового, так и сверхзвукового воздушного потока. [1] объекта Точный диапазон скоростей зависит от критического числа Маха , но трансзвуковой поток наблюдается при скоростях полета, близких к скорости звука (343 м/с на уровне моря), обычно между Маха . 0,8 и 1,2 [1]
Вопрос о околозвуковой скорости (или околозвуковой области) впервые возник во время Второй мировой войны. [2] Приближаясь к звуковому барьеру, пилоты обнаружили, что воздушный поток заставил самолет потерять устойчивость. [2] Эксперты обнаружили, что ударные волны могут вызвать крупномасштабный отрыв в потоке, увеличивая сопротивление, добавляя асимметрию и неустойчивость потоку вокруг автомобиля. [3] Были проведены исследования по ослаблению ударных волн в трансзвуковом полете за счет использования противоударных корпусов и сверхкритических профилей . [3]
Большинство современных самолетов с реактивными двигателями спроектированы для работы на околозвуковых скоростях. [4] При околозвуковых скоростях полета сопротивление резко увеличивается примерно с 0,8 Маха, и именно затраты топлива на сопротивление обычно ограничивают воздушную скорость. Попытки снизить волновое сопротивление можно увидеть на всех скоростных самолетах. Наиболее примечательным является использование стреловидных крыльев , но другой распространенной формой является фюзеляж с осиной талией как побочный эффект правила площади Уиткомба .
Околозвуковые скорости могут также возникать на кончиках лопастей вертолетов и самолетов. Это создает серьезные, неравномерные нагрузки на лопасть несущего винта и может привести к несчастным случаям, если это произойдет. Это один из ограничивающих факторов размера несущих винтов и скорости движения вертолетов (поскольку эта скорость добавляется к движущейся вперед [ведущей] стороне несущего винта, что может вызвать локализованный трансзвуковой эффект).
История
[ редактировать ]Открытие трансзвукового воздушного потока
[ редактировать ]Проблемы с полетом самолетов, связанные со скоростью, впервые возникли в эпоху сверхзвука в 1941 году. [5] Ральф Вирден, летчик-испытатель, разбился в авиакатастрофе. [6] Он потерял контроль над самолетом, когда ударная волна, вызванная сверхзвуковым потоком воздуха, распространилась по крылу и привела к остановке самолета. [6] Вирден летел значительно ниже скорости звука, на скорости 0,675 Маха, что породило идею о различных воздушных потоках, образующихся вокруг самолета. [5] В 40-х годах Келли Джонсон стал одним из первых инженеров, исследовавших влияние сжимаемости на самолеты. [5] Однако современные аэродинамические трубы не имели возможности создавать скорость ветра, близкую к 1 Маха, для проверки воздействия околозвуковых скоростей. [6] Вскоре после этого термин «трансзвуковой» был определен как «поперек скорости звука» и был изобретен директором NACA Хью Драйденом и Теодором фон Карманом из Калифорнийского технологического института. [5]
Изменения в самолетах
[ редактировать ]Первоначально NACA разработала «закрылки пикирования», которые помогают стабилизировать самолет при достижении околозвукового полета. [5] Этот небольшой закрылок на нижней стороне самолета замедлял самолет, чтобы предотвратить ударные волны, но такая конструкция только задержала поиск решения для полета самолета на сверхзвуковой скорости. [5] Были спроектированы новые аэродинамические трубы, чтобы исследователи могли тестировать новые конструкции крыльев, не рискуя жизнью летчиков-испытателей. [7] Трансзвуковой туннель с щелевыми стенками был разработан НАСА и позволил исследователям протестировать крылья и различные аэродинамические профили в трансзвуковом потоке воздуха, чтобы найти лучшую форму законцовок крыла для звуковых скоростей. [7]
После Второй мировой войны были замечены серьезные изменения в конструкции самолетов, направленные на улучшение трансзвукового полета. [6] Основным способом стабилизации самолета было уменьшение скорости обтекания крыльев воздушным потоком за счет изменения хорды крыльев самолета, а одним из решений предотвращения трансзвуковых волн была стреловидность крыльев. [5] Поскольку воздушный поток попадал бы на крылья под углом, это привело бы к уменьшению толщины крыла и соотношения хорд. [5] Формы крыльев аэродинамических профилей были спроектированы более плоскими в верхней части, чтобы предотвратить ударные волны и уменьшить расстояние воздушного потока над крылом. [8] Позже Ричард Уиткомб спроектировал первый сверхкритический профиль, используя аналогичные принципы. [7]
Математический анализ
[ редактировать ]
До появления мощных компьютеров даже самые простые формы уравнений течения сжимаемой жидкости было трудно решить из-за их нелинейности . [6] Обычное предположение, используемое для обхода этой нелинейности, заключается в том, что возмущения в потоке относительно малы, что позволяет математикам и инженерам линеаризовать уравнения потока сжимаемой жидкости в относительно легко решаемый набор дифференциальных уравнений для полностью дозвуковых или сверхзвуковых потоков. [6] Это предположение принципиально неверно для трансзвуковых течений, поскольку возмущение, вызываемое объектом, гораздо больше, чем в дозвуковых или сверхзвуковых течениях; Скорость потока, близкая к 1 Маха или равная ей, не позволяет трубам потока (трехмерным путям потока) сжиматься настолько вокруг объекта, чтобы минимизировать возмущение, и, таким образом, возмущение распространяется. [9] Аэродинамики боролись во время более ранних исследований трансзвукового потока, потому что существовавшая на тот момент теория подразумевала, что эти возмущения – и, следовательно, сопротивление – приближаются к бесконечности, когда локальное число Маха приближается к 1, что является явно нереалистичным результатом, который невозможно исправить с помощью известных методов. [6]
Одним из первых методов обхода нелинейности моделей трансзвуковых течений было преобразование годографа . [2] Эта концепция была первоначально исследована в 1923 году итальянским математиком Франческо Трикоми , который использовал преобразование, чтобы упростить уравнения течения сжимаемой жидкости и доказать их разрешимость. [2] Само преобразование годографа также исследовалось в учебниках Людвига Прандтля и О.Г. Титьена в 1929 году и Адольфа Буземана в 1937 году, хотя ни один из них не применял этот метод конкретно к трансзвуковому потоку. [2]
Готфрид Гудерлей, немецкий математик и инженер из Брауншвейга , обнаружил работу Трикоми в процессе применения метода годографа к трансзвуковому потоку ближе к концу Второй мировой войны. [2] Он сосредоточился на нелинейных уравнениях течения сжимаемой жидкости с тонким профилем, тех же, что вывел Трикоми, хотя его цель использовать эти уравнения для решения обтекания аэродинамического профиля представляла собой уникальные проблемы. [2] [6] Гудерли и Хидео Ёшихара, наряду с некоторыми вкладами Буземана, позже использовали сингулярное решение уравнений Трикоми для аналитического решения поведения трансзвукового потока над профилем с двойным клином , впервые сделав это, используя только предположения теории тонкого профиля. [2] [6]
Несмотря на успех, работа Гудерли по-прежнему была сосредоточена на теории и привела только к единственному решению для профиля с двойным клином на скорости 1 Маха. [2] Уолтер Винченти , американский инженер из лаборатории Эймса , стремился дополнить работу Гудерли по исследованию 1 Маха численными решениями, которые охватывали бы диапазон околозвуковых скоростей от 1 Маха до полностью сверхзвукового потока. [2] Винченти и его помощники использовали работу Говарда Эммонса , а также оригинальные уравнения Трикоми, чтобы завершить набор из четырех численных решений для сопротивления аэродинамического профиля с двойным клином в трансзвуковом потоке со скоростью выше 1 Маха. [2] Разрыв между дозвуковым потоком и потоком со скоростью 1 Маха позже был покрыт Джулианом Коулом и Леоном Триллингом , завершив околозвуковое поведение аэродинамического профиля к началу 1950-х годов. [2]
Конденсационные облака
[ редактировать ]На околозвуковых скоростях сверхзвуковые расширительные вентиляторы образуют интенсивные области низкого давления и низкой температуры в различных точках вокруг самолета. Если температура упадет ниже точки росы, образуется видимое облако. Эти облака остаются с самолетом во время его полета. не обязательно, чтобы самолет в целом достигал сверхзвуковой Для образования этих облаков скорости. Обычно хвост самолета достигает сверхзвукового полета, в то время как носовая часть самолета все еще находится в дозвуковом полете. Хвост окружает пузырь сверхзвуковых расширяющихся вентиляторов, оканчивающийся ударной волной в следе. По мере того, как самолет продолжает ускоряться, вентиляторы сверхзвукового расширения будут усиливаться, а размер следа ударной волны будет увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнута бесконечность, после чего образуется носовая ударная волна. Это 1 Маха и особенность Прандтля–Глауэрта .
Трансзвуковые течения в астрономии и астрофизике
[ редактировать ]В астрофизике везде, где есть признаки ударных волн (стоячих, распространяющихся или колеблющихся), поток вблизи должен быть трансзвуковым, поскольку только сверхзвуковые потоки образуют ударные волны. черных дыр Все аккреции трансзвуковые. [10] Многие такие потоки также имеют толчки очень близко к черным дырам.
Истечения или струи от молодых звездных объектов или дисков вокруг черных дыр также могут быть трансзвуковыми, поскольку начинаются дозвуково, а на дальних расстояниях неизменно сверхзвуковые. Взрывы сверхновых сопровождаются сверхзвуковыми потоками и ударными волнами. Головные ударные волны, образующиеся в солнечных ветрах, являются прямым результатом трансзвуковых ветров звезды. Долгое время считалось, что вокруг гелиосферы нашей Солнечной системы присутствует головная ударная волна, но согласно данным IBEX, опубликованным в 2012 году, это оказалось не так. [11]
См. также
[ редактировать ]
- Противоударный корпус
- Дозвуковые течения
- Сверхзвуковые потоки
- Гиперзвуковые потоки
- Вентиляторы сверхзвукового расширения
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Андерсон, Джон Д. мл. (2017). Основы аэродинамики (Шестое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. стр. 756–758. ISBN 978-1-259-12991-9 . OCLC 927104254 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Винченти, Уолтер Г.; Блур, Дэвид (август 2003 г.). «Границы, непредвиденные обстоятельства и строгость» . Социальные исследования науки . 33 (4): 469–507. дои : 10.1177/0306312703334001 . ISSN 0306-3127 . S2CID 13011496 .
- ^ Jump up to: а б Такахаши, Тимоти (15 декабря 2017 г.). Летно-технические характеристики и размеры самолетов. основы летно-технических характеристик самолетов . Импульс Пресс. п. 107. ИСБН 978-1-60650-684-4 . OCLC 1162468861 .
- ^ Такахаши, Тимоти (2016). Летно-технические характеристики и размеры самолетов, Том I. Нью-Йорк: Momentum Press Engineering. стр. 10–11. ISBN 978-1-60650-683-7 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час «1 Маха: штурм барьера» . Журнал «Авиация и космос» . Проверено 14 марта 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Винченти, Уолтер Г. (1997). Инженерная теория в процессе становления: аэродинамический расчет «преодолевает звуковой барьер». . OCLC 1027014606 .
- ^ Jump up to: а б с «От инженерной науки к большой науке: победители исследовательских проектов NACA и NASA Collier Trophy. Памела Э. Мак» . Исида . 91 (2): 417–418. 2000–2006. дои : 10.1086/384834 . ISSN 0021-1753 .
- ^ Хикс, Раймонд М.; Вандерплатс, Гаррет Н.; Мурман, Эрл М.; Кинг, Роза Р. (1 февраля 1976 г.). «Уменьшение сопротивления секции аэродинамического профиля на околозвуковых скоростях путем численной оптимизации» . Серия технических документов SAE . 1 . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International. дои : 10.4271/760477 . hdl : 2060/19760009938 . S2CID 118185921 .
- ^ Jump up to: а б Рамм, Генрих Дж. (1990). Гидродинамика для изучения трансзвукового течения . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 1-60129-748-3 . OCLC 228117297 .
- ^ Чакрабарти, Сандип (1990). Теория трансзвуковых астрофизических потоков . Сингапур: World Scientific. ISBN 981-02-0204-0 .
- ^ «НАСА – IBEX обнаруживает недостающую границу на краю Солнечной системы» , Science daily , 10 мая 2012 г.