_Mach_7_computational_fluid_dynamic_(CFD).jpg/1280px-X-43A_(Hyper_-_X)_Mach_7_computational_fluid_dynamic_(CFD).jpg)
В аэродинамике гиперзвуковая скорость — это скорость, которая в пять раз превышает скорость звука ; часто говорят, что она начинается со скорости 5 Маха и выше. [1]
Точное число Маха, при котором можно сказать, что корабль летит с гиперзвуковой скоростью, варьируется, поскольку отдельные физические изменения в воздушном потоке (например, молекулярная диссоциация и ионизация ) происходят на разных скоростях; эти эффекты в совокупности становятся важными примерно на скорости 5–10 Маха. Гиперзвуковой режим также можно альтернативно определить как скорость, при которой удельная теплоемкость изменяется в зависимости от температуры потока, поскольку кинетическая энергия движущегося объекта преобразуется в тепло. [2]
Хотя определение гиперзвукового течения может быть весьма расплывчатым и в целом дискуссионным (особенно из-за отсутствия разрыва между сверхзвуковым и гиперзвуковым течением), гиперзвуковое течение может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже нельзя сбрасывать со счетов аналитически, как в случае со сверхзвуковым течением. . [ нужна цитата ] Особенности гиперзвуковых течений заключаются в следующем: [ нужна цитата ]
С увеличением числа Маха тела увеличивается и плотность за головной ударной волной , создаваемой телом, что соответствует уменьшению объема за скачком вследствие сохранения массы . Следовательно, расстояние между головной ударной волной и корпусом уменьшается при больших числах Маха. [ нужна цитата ]
По мере увеличения числа Маха изменение энтропии в ударной волне также увеличивается, что приводит к сильному градиенту энтропии и сильно завихренному потоку, который смешивается с пограничным слоем .
Часть большой кинетической энергии , связанной с потоком при высоких числах Маха, преобразуется во внутреннюю энергию жидкости из-за эффектов вязкости. Увеличение внутренней энергии реализуется как повышение температуры. Поскольку градиент давления, нормальный к потоку внутри пограничного слоя, равен примерно нулю при гиперзвуковых числах Маха от малых до умеренных, повышение температуры через пограничный слой совпадает с уменьшением плотности. Это приводит к расширению нижней части пограничного слоя, в результате чего пограничный слой над телом утолщается и часто может сливаться с ударной волной вблизи передней кромки тела. [ нужна цитата ]
Высокие температуры из-за проявления вязкой диссипации вызывают неравновесные свойства химического потока, такие как колебательное возбуждение и диссоциация и ионизация молекул, что приводит к конвективным и радиационным тепловым потокам . [ нужна цитата ]
Хотя «дозвуковые» и «сверхзвуковые» обычно относятся к скоростям ниже и выше местной скорости звука соответственно, аэродинамики часто используют эти термины для обозначения определенных диапазонов значений Маха. Это происходит потому, что около M = 1 существует « трансзвуковой режим», где аппроксимации уравнений Навье – Стокса, используемые для дозвукового проектирования, больше не применяются, отчасти потому, что поток локально превышает M = 1, даже когда число Маха набегающего потока [ необходимы пояснения ] ниже это значение. [ нужны разъяснения ]
«Сверхзвуковой режим» обычно относится к набору чисел Маха, для которых может использоваться линеаризованная теория; например, когда поток ( воздуха ) не вступает в химическую реакцию и где теплообменом между воздухом и транспортным средством можно разумно пренебречь в расчетах. Как правило, НАСА определяет «высокий» гиперзвук как любое число Маха от 10 до 25, а скорость входа в атмосферу — как любое число, превышающее 25 Маха. Среди космических кораблей, работающих в этих режимах, есть возвращающиеся космические капсулы «Союз» и «Дракон» ; ранее эксплуатируемый космический челнок ; различные находящиеся в разработке космические корабли многоразового использования, такие как SpaceX Starship и Rocket Lab Electron ; а также (теоретические) космические самолеты . [ нужна цитата ]
В следующей таблице вместо обычных значений слов «дозвуковой» и «сверхзвуковой» упоминаются «режимы» или «диапазоны значений Маха». [ нужна цитата ]
Категоризация воздушного потока основана на ряде параметров сходства , которые позволяют упростить почти бесконечное количество тестовых случаев на группы сходства. Для трансзвукового и сжимаемого потока одни только числа Маха и Рейнольдса позволяют хорошо классифицировать многие случаи потока. [ нужна цитата ]
Однако гиперзвуковые течения требуют других параметров подобия. Во-первых, аналитические уравнения для угла наклона скачка уплотнения становятся практически независимыми от числа Маха при больших (~>10) числах Маха. Во-вторых, образование сильных толчков вокруг аэродинамических тел означает, что число Рейнольдса набегающего потока менее полезно для оценки поведения пограничного слоя над телом (хотя оно все еще важно). Наконец, повышенная температура гиперзвукового потока означает, что реальные газовые эффекты становятся важными. Поэтому исследования в области гиперзвука часто называют аэротермодинамикой, а не аэродинамикой . [3]
Введение эффектов реального газа означает, что для описания полного состояния газа требуется больше переменных. В то время как неподвижный газ можно описать тремя переменными ( давление , температура , показатель адиабаты ), а движущийся газ - четырьмя ( скорость потока ), горячий газ, находящийся в химическом равновесии, также требует уравнений состояния для химических компонентов газа, и газ в неравновесии решает эти уравнения состояния, используя время в качестве дополнительной переменной. Это означает, что для неравновесного потока для описания состояния газа в любой момент времени может потребоваться от 10 до 100 переменных. Кроме того, разреженные гиперзвуковые потоки (обычно определяемые как потоки с числом Кнудсена выше 0,1) не подчиняются уравнениям Навье – Стокса . [ нужна цитата ]
Гиперзвуковые потоки обычно классифицируются по их полной энергии, выражаемой как полная энтальпия (МДж/кг), полное давление (кПа-МПа), давление торможения (кПа-МПа), температура торможения (К) или скорость потока (км/с). . [ нужна цитата ]
Уоллес Д. Хейс разработал параметр подобия, аналогичный правилу площадей Уиткомба , который позволял сравнивать подобные конфигурации. [ нужна цитата ]
Гиперзвуковое течение можно приближенно разделить на несколько режимов. Выбор этих режимов затруднен из-за размытости границ проявления того или иного эффекта. [ нужна цитата ]
В этом режиме газ можно рассматривать как идеальный газ . Поток в этом режиме по-прежнему зависит от числа Маха. Моделирование начинает зависеть от использования стенки с постоянной температурой, а не адиабатической стенки, обычно используемой на более низких скоростях. Нижняя граница этой области составляет около 5 Маха, при которой ПВРД становятся неэффективными, а верхняя граница — около 10-12 Маха. [ нужна цитата ]
Это подмножество режима идеального газа, при котором газ можно считать химически совершенным, но вращательную и колебательную температуры газа необходимо рассматривать отдельно, что приводит к двум температурным моделям. См., в частности, моделирование сверхзвуковых сопел, где вибрационное замораживание становится важным. [ нужна цитата ]
В этом режиме двухатомные или многоатомные газы (газы, присутствующие в большинстве атмосфер) начинают диссоциировать при контакте с головной ударной волной , создаваемой телом. Поверхностный катализ играет роль в расчете нагрева поверхности, а это означает, что тип материала поверхности также влияет на поток. Нижняя граница этого режима — это момент, когда в критической точке потока (которая для азота составляет около 2000 К) впервые начинает диссоциировать любой компонент газовой смеси. На верхней границе этого режима на поток начинают сказываться эффекты ионизации . [ нужна цитата ]
В этом режиме заселенность ионизированных электронов застойного потока становится существенной, и электроны необходимо моделировать отдельно. Часто температуру электронов рассматривают отдельно от температуры остальных компонентов газа. Эта область возникает при скоростях набегающего потока около 3-4 км/с. Газы в этой области моделируются как неизлучающая плазма . [ нужна цитата ]
На скорости выше 12 км/с теплопередача к транспортному средству меняется с кондуктивной на радиационную. Моделирование газов в этом режиме разделено на два класса :
Моделирование оптически толстых газов чрезвычайно сложно, так как из-за расчета излучения в каждой точке вычислительная нагрузка теоретически увеличивается экспоненциально по мере увеличения количества рассматриваемых точек.
Индия (запущено в производство) 
(В разработке) Россия (в настоящее время в эксплуатации)(в производстве)(в сервисе)(в сервисе)