Сверхзвуковое обтекание тел

Обтекание тела воздушным потоком, скорость которого превышает скорость звука в воздухе, имеет ряд специфических свойств. Рассмотрим вначале обтекание сильно вытянутого вдоль потока тела, напоминающего иглу (рис. 4.35). В непосредственной близости перед острием в т. О возникает возмущение плотности воздуха . Это возмущение в неподвижном воздухе распространялось бы в виде сферических волн, радиус которых R увеличивался бы во времени: R=ct. В сверхзвуковом потоке эти возмущения будут сноситься потоком и оставаться внутри конуса возмущений - конуса Маха с углом .

Рис. 4.35.

Воспользуемся принципом обратимости движения, согласно которому, обтекание жидкостью тела эквивалентно движению тела в покоящейся жидкости. С учетом этого можно сказать, что при движении тела со сверхзвуковой скоростью возбуждаются возмущения плотности и давления, локализованные на поверхности движущегося с телом конуса Маха. Когда это возмущение достигает неподвижных частиц воздуха, то последние получают воздействие, подобное удару, и приходят в движение. Поэтому возмущение носит название ударной волны.
При обтекании сверхзвуковым потоком конического тела (рис. 4.36а) линии тока как бы "преломляются" на поверхности уплотнений воздуха. Для классификации течения вводят число Маха M=v/c. Оно равно отношению скорости течения к скорости звука в данном месте течения. В невозмущенном сверхзвуковом потоке М>1. На поверхности конуса Маха из-за повышения плотности скорость звука возрастает, и М = 1. У поверхности конуса воздух разрежен и его обтекание носит дозвуковой характер (М<1). При обтекании тела с затупленной частью скачок уплотнений становится криволинейным и отходит от тела (рис. 4.36б).

Рис. 4.36.

На образование ударных волн расходуется кинетическая энергия движущегося тела, поэтому даже в отсутствие вязкости при сверхзвуковых скоростях возникает значительная сила лобового сопротивления. Эта сила существенно зависит от формы головной части движущегося тела. Например, игла (рис.4.37), помещенная перед цилиндрическим телом, как бы рассекает поток, способствуя отрыву потока от поверхности цилиндра. Этот отрыв потока приводит к уменьшению лобового сопротивления движущегося цилиндра. Этой же цели служит использование стреловидных (скошенных) и треугольных крыльев на сверхзвуковых самолетах.

Рис. 4.37.

Отдельно следует упомянуть об обтекании с гиперзвуковой скоростью, когда число Маха М 1. Полет тел в газе с такими скоростями (спускаемых космических аппаратов, например) связан с ростом до очень больших значений температуры газа вблизи поверхности тела. Это обусловлено адиабатическим нагревом сжимаемого воздуха перед головной частью тела и выделением теплоты вследствие вязкого трения. При изучении гиперзвуковых течений необходимо не только учитывать сжимаемость воздуха, но и нелинейный характер его движения, так как возмущения плотности и давления не могут рассматриваться малыми по сравнению с равновесными значениями плотности и давления p₀ воздуха. Помимо этого, при высоких температурах необходимо учитывать и изменение физико-химических свойств воздуха. Мы лишь ограничимся одним важным выводом из такого анализа. При очень больших числах Маха давление воздуха непосредственно перед головной частью может быть пренебрежимо малым по сравнению с давлением воздуха перед ударной волной, где М 1.
На рис. 4.38 представлен экспериментально полученный график коэффициентов лобового сопротивления для тел в виде сферы и цилиндра с конической головной частью. Хорошо видно, что в силу вышеуказанного падения давления перед головной частью коэффициенты лобового сопротивления убывают с ростом М, а начиная с М = 4 меняются мало и сравнимы со значениями коэффициентов при дозвуковых течениях.

Рис. 4.38.

При сверхзвуковых скоростях меняется картина обтекания крыла самолета. Сверху над крылом течение отрывается от его поверхности, а под крылом происходит скачок плотности. При таком обтекании, как показывает анализ, величина подъемной силы может быть грубо оценена с использованием ударной теории Ньютона, в которой .
Одним из уникальных достижений современной аэродинамики является создание в России в 1997 г. новейшего истребителя СУ-37, у которого впервые в мире использованы крылья с отрицательной стреловидностью. Контур этого самолета изображен на рис. 4.37. Такой самолет имеет меньшее аэродинамическое сопротивление, чем самолет с обычным стреловидным крылом. Помимо этого у него увеличенная подъемная сила на малых и высоких скоростях и уникальные взлетно-посадочные характеристики.