Ударные алмазы (также известные как алмазы Маха или алмазы тяги ) представляют собой образование стоячих волновых узоров, которые появляются в сверхзвуковой выхлопной струе аэрокосмической двигательной системы, такой как сверхзвуковой реактивный двигатель , ракета , прямоточный воздушно-реактивный двигатель или гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель , когда он работает в атмосфере. «Алмазы» на самом деле представляют собой сложное поле потока, которое становится видимым из-за резких изменений локальной плотности и давления, когда выхлоп проходит через ряд стоячих ударных волн и вентиляторов расширения . Физик Эрнст Мах был первым, кто описал сильный удар, нормальный к направлению потока жидкости, наличие которого вызывает ромбовидный узор. [1] : 48
Ударные алмазы образуются, когда сверхзвуковой выхлоп из сопла двигателя слегка перерасширен, что означает, что статическое давление газов, выходящих из сопла, меньше давления окружающего воздуха . Более высокое окружающее давление сжимает поток, и поскольку результирующее увеличение давления в потоке выхлопных газов является адиабатическим , уменьшение скорости приводит к существенному повышению его статической температуры. [2] Выхлоп обычно перерасширен 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 веерами расширения Прандтля-Майера , и каждый «ромб» образуется путем сопряжения косого скачка уплотнения с веером расширения. Когда сжатый поток становится параллельным центральной линии, образуется ударная волна, перпендикулярная потоку, называемая нормальной ударной волной или диском Маха . Это определяет первый ударный ромб, а пространство между ним и соплом называется «зоной тишины». [3] Расстояние от сопла до первого ударного ромба можно приблизительно определить по формуле
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 повышается, воспламеняя избыточное топливо и вызывая свечение, которое делает видимыми алмазы ударной волны. [2] Освещенные области выглядят либо как диски, либо как алмазы , что и дало им их название.
В конце концов поток расширяется достаточно, чтобы его давление снова стало ниже окружающего, и в этот момент веер расширения отражается от контактного разрыва (внешнего края потока). Отраженные волны, называемые веером сжатия, заставляют поток сжиматься. [2] Если веер сжатия достаточно силен, образуется еще одна косая ударная волна, создающая второй диск Маха и ударный ромб. Рисунок дисков и ромбов повторялся бы бесконечно, если бы газы были идеальными и без трения; [2] однако турбулентный сдвиг на контактном разрыве заставляет волновой рисунок рассеиваться с расстоянием. [4]
Аналогично ромбовидные узоры могут образовываться, когда сопло недостаточно расширено (давление на выходе выше, чем окружающее) при более низком атмосферном давлении на больших высотах. В этом случае сначала формируется веер расширения, а затем косой скачок уплотнения. [2]
Ударные алмазы чаще всего связаны с реактивными и ракетными двигателями, но они могут образовываться и в других системах.
При выстреле артиллерийских орудий газ выходит из дула пушки на сверхзвуковой скорости и производит серию ударных алмазов. Алмазы вызывают яркую дульную вспышку , которая может раскрыть расположение огневых точек противнику. Было обнаружено, что когда соотношение между давлением потока и атмосферным давлением близко, чего можно достичь с помощью пламегасителя , ударные алмазы были значительно минимизированы. Добавление дульного тормоза к концу дула уравновешивает давление и предотвращает ударные алмазы. [1] : 41
Некоторые радиоструи , мощные струи плазмы, которые исходят от квазаров и радиогалактик , как было обнаружено, имеют регулярно расположенные узлы усиленного радиоизлучения. [1] : 68 Струи движутся со сверхзвуковой скоростью через тонкую «атмосферу» газа в космосе, [1] : 51 поэтому предполагается, что эти узлы являются ударными алмазами. [5] [6]
