Трансзвуковой - Transonic
.jpg)
.jpg)
Трансзвуковой (или транссонический ) поток - это воздух, обтекающий объект со скоростью, которая создает области как дозвукового, так и сверхзвукового воздушного потока вокруг этого объекта. Точный диапазон скоростей зависит от критического числа Маха объекта , но трансзвуковой поток наблюдается на скоростях полета, близких к скорости звука (343 м / с на уровне моря), обычно между 0,8 и 1,2 Маха .
Проблема околозвуковой скорости (или околозвукового режима) впервые возникла во время Второй мировой войны. Пилоты обнаружили, что когда они приблизились к звуковому барьеру, воздушный поток стал неустойчивым. Эксперты обнаружили, что ударные волны могут вызвать крупномасштабное разделение вниз по потоку, увеличивая сопротивление и добавляя асимметрию и неустойчивость обтеканию транспортного средства. Были проведены исследования по ослаблению ударных волн в трансзвуковом полете за счет использования противоударных корпусов и сверхкритических профилей .
Большинство современных реактивных самолетов спроектированы для работы на околозвуковых скоростях. При околозвуковой воздушной скорости сопротивление быстро увеличивается примерно с 0,8 Маха, и именно топливные затраты на лобовое сопротивление обычно ограничивают воздушную скорость. Попытки уменьшить волновое сопротивление можно увидеть на всех высокоскоростных самолетах. Наиболее примечательным является использование стреловидных крыльев , но другой распространенной формой является фюзеляж с осиной талией как побочный эффект правила площади Уиткомба .
Трансзвуковые скорости также могут возникать на концах лопастей несущих винтов вертолетов и самолетов. Это создает серьезные неравные нагрузки на лопасти ротора, что может привести к несчастным случаям. Это один из факторов, ограничивающих размер роторов и скорость движения вертолетов (поскольку эта скорость добавляется к движущейся вперед [ведущей] стороне ротора, что, возможно, вызывает локализованные трансзвуковые колебания).
История
Открытие трансзвукового воздушного потока
Проблемы с полетом самолетов, связанные со скоростью, впервые возникли в эпоху сверхзвуковых частот в 1941 году. Ральф Вирден, летчик-испытатель, разбился в авиакатастрофе со смертельным исходом. Он потерял управление самолетом, когда над крылом возникла ударная волна, вызванная сверхзвуковым потоком воздуха, и оно остановилось. Вирден летел значительно ниже скорости звука на уровне 0,675 Маха, что породило идею о различных воздушных потоках, формирующихся вокруг самолета. В 40-х годах Келли Джонсон стал одним из первых инженеров, исследовавших влияние сжимаемости на самолет. Однако в существующих аэродинамических трубах не было возможности создавать ветер со скоростью, близкой к 1 Маху, чтобы проверить влияние околозвуковых скоростей. Вскоре после этого термин «трансзвуковой» был определен как означающий «через скорость звука» и был изобретен директором NACA Хью Драйденом и Теодором фон Карманом из Калифорнийского технологического института.
Изменения в самолете
Первоначально NACA разработала «закрылки для пикирования», чтобы помочь стабилизировать самолет при достижении околозвукового полета. Этот небольшой клапан на нижней стороне самолета замедлял самолет, чтобы предотвратить ударные волны, но такая конструкция только задерживала поиск решения для самолета, летящего на сверхзвуковой скорости. Новые аэродинамические трубы были спроектированы таким образом, чтобы исследователи могли протестировать новые конструкции крыльев, не рискуя жизнями летчиков-испытателей. Трансзвуковой туннель со щелевыми стенками был разработан НАСА и позволил исследователям протестировать крылья и различные аэродинамические поверхности в трансзвуковом воздушном потоке, чтобы найти лучшую форму законцовки крыла для скорости звука.
После Первой мировой войны были замечены серьезные изменения в конструкции самолетов, которые улучшили трансзвуковой полет. Основным способом стабилизации самолета было снижение скорости воздушного потока вокруг крыльев за счет изменения хорды крыльев самолета, а одним из способов предотвращения трансзвуковых волн были стреловидные крылья. Поскольку воздушный поток будет попадать на крылья под углом, это уменьшит толщину крыла и отношение хорды. Профили крыла были спроектированы более плоскими в верхней части, чтобы предотвратить ударные волны и уменьшить расстояние воздушного потока над крылом. Позже Ричард Уиткомб сконструировал первый сверхкритический профиль, используя аналогичные принципы.
Математический анализ
До появления мощных компьютеров даже самые простые формы уравнений сжимаемого потока было трудно решить из-за их нелинейности . Обычное предположение, используемое для обхода этой нелинейности, состоит в том, что возмущения в потоке относительно малы, что позволяет математикам и инженерам линеаризовать уравнения сжимаемого потока в относительно легко решаемую систему дифференциальных уравнений для полностью дозвуковых или сверхзвуковых потоков. Это предположение в корне неверно для околозвуковых потоков, поскольку возмущение, вызываемое объектом, намного больше, чем в дозвуковых или сверхзвуковых потоках; скорость потока, близкая к 1 Маха или равная ему, не позволяет трубкам потока (трехмерным путям потока) сжиматься достаточно вокруг объекта, чтобы минимизировать возмущение, и, таким образом, возмущение распространяется. Аэродинамики боролись во время более ранних исследований трансзвукового потока, потому что тогдашняя теория предполагала, что эти возмущения - и, следовательно, сопротивление - приближаются к бесконечности, когда местное число Маха приближается к 1, что явно нереалистичный результат, который нельзя было исправить с помощью известных методов.
Одним из первых способов обойти нелинейность моделей трансзвукового течения было преобразование годографа . Эта концепция была первоначально исследована в 1923 году итальянским математиком по имени Франческо Трикоми , который использовал преобразование для упрощения уравнений сжимаемого потока и доказательства их разрешимости. Само преобразование годографа также исследовалось в учебниках Людвига Прандтля и О.Г. Титджена в 1929 году и Адольфом Буземаном в 1937 году, хотя ни один из них не применял этот метод специально к трансзвуковому потоку.
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. Он сосредоточился на нелинейных уравнениях сжимаемого потока для тонкого профиля, таких же, как и те, которые вывел Трикоми, хотя его цель - использовать эти уравнения для решения обтекания крылового профиля - представляла уникальные проблемы. Гудерлей и Хидео Йошихара, наряду с некоторыми данными Буземана, позже использовали сингулярное решение уравнений Трикоми для аналитического решения поведения трансзвукового потока над двойным клиновым профилем , первыми, кто сделал это только с предположениями теории тонкого профиля.
Несмотря на успех, работа Гудерли по-прежнему была сосредоточена на теории и привела к единственному решению для двухклинового крылового профиля на скорости 1 Маха. Уолтер Винченти , американский инженер из лаборатории Эймса , стремился дополнить работу Гудерли Маха 1 численными решениями, которые позволили бы покрывают диапазон околозвуковых скоростей от 1 Маха до полностью сверхзвукового потока. Винченти и его помощники опирались на работу Говарда Эммонса, а также на исходные уравнения Трикоми, чтобы завершить набор из четырех численных решений для лобового сопротивления двойного клинового профиля при трансзвуковом потоке выше 1 Маха. Разрыв между дозвуковым потоком и потоком 1 Маха возник позже. покрыт Джулианом Коулом и Леоном Триллингом , завершив трансзвуковое поведение аэродинамического профиля к началу 1950-х годов.
Конденсационные облака
На околозвуковых скоростях сверхзвуковые расширительные вентиляторы образуют интенсивные зоны низкого давления и низкой температуры в различных точках вокруг самолета. Если температура опустится ниже точки росы, образуется видимое облако. Эти облака остаются с самолетом во время полета. Для формирования этих облаков самолету в целом необязательно достигать сверхзвуковой скорости. Обычно хвостовая часть самолета достигает сверхзвукового полета, в то время как носовая часть самолета все еще находится в дозвуковом полете. Хвост окружает пузырь сверхзвуковых расширительных вентиляторов, оканчивающийся следовой ударной волной. По мере того, как самолет продолжает ускоряться, сверхзвуковые расширительные вентиляторы будут усиливаться, и следовая ударная волна будет увеличиваться в размерах до бесконечности, после чего формируется головная ударная волна. Это Мах 1 и особенность Прандтля – Глауэрта .
Трансзвуковые потоки в астрономии и астрофизике
В астрофизике везде, где есть свидетельства сотрясений (стоячих, распространяющихся или колеблющихся), поток вблизи должен быть околозвуковым, поскольку только сверхзвуковые потоки образуют скачки. Все срастания черных дыр околозвуковые. Многие такие потоки также имеют толчки очень близко к черным дырам.
Источники или струи от молодых звездных объектов или дисков вокруг черных дыр также могут быть трансзвуковыми, поскольку они начинаются дозвуково, а на большом расстоянии они неизменно сверхзвуковые. Взрывы сверхновых сопровождаются сверхзвуковыми потоками и ударными волнами. Носовые толчки, образующиеся при солнечном ветре, являются прямым результатом трансзвуковых ветров от звезды. Долгое время считалось, что вокруг гелиосферы нашей Солнечной системы присутствует головная ударная волна, но согласно данным IBEX, опубликованным в 2012 году, оказалось, что это не так .
Смотрите также
- Противоударный корпус
- Дозвуковые потоки
- Сверхзвуковые потоки
- Гиперзвуковые потоки
- Вентиляторы сверхзвуковых расширений