2.17.4. Особливості гіперзвукового польоту
Політ, що відповідає числу М > 5, називається гіперзвуковим, а швидкість цього польоту — гіперзвуковою швидкістю.
Обтікання тіл гіперзвуковим потоком багато в чому відрізняється від обтікання їх потоком з помірною надзвуковою швидкістю (рис. 2.67).
Рис. 2.67. Гіперзвукове обтікання:
а) викривлення стрибка; б) відрив межового шару.
Це пов'язане з явищем взаємодії головного стрибка ущільнення з межовим шаром. Через сильний нахил головного стрибка ущільнення область збурень між стрибком 1 і межовим шаром 2 виходить дуже вузькою. Тому межовий шар сильно нагрівається і, розширюючись, збільшує відхилення потоку поблизу передньої кромки і викривлює головний стрибок ущільнення. Лінії струменя відсуваються від поверхні тіла. Створюється враження, що тіло товщає (рис. 2.67, а).
Різке підвищення температури межового шару збільшує проблему теплового бар'єру. При М > 10 температура може досягати 5000 - 6000 °С (температура поверхні Сонця). Повітря при такій температурі внаслідок дисоціації й іонізації молекул перетворюється в плазму.
Крім раніше описаних методів подолання теплового бар'єру, на гіперзвукових літальних апаратах для зменшення теплового потоку рекомендується використовувати відрив межового шару (рис. 2.67, б). Для цього перед тупоносим корпусом 3 літального апарату встановлюється голка 4. Голка відриває межовий шар 2, і тепловий потік, що йде на корпус, зменшується.
Якщо на напівсферичній носовій частині гіперзвукового літального апарату встановити голку, то його опір зменшиться в 10 разів, а теплопередача в 3 рази. А якщо в простір між поверхнею і межовим шаром, що відірвався, вдувати газ, то теплопередача може зменшуватися майже до нуля.
Таким чином, голка одночасно допомагає вирішити проблему теплового бар'єру і зменшує хвильовий опір гіперзвукового ЛА.
У дозвуковому потоці нижня поверхня крила створювала тільки 25%, у надзвуковому потоці — тільки 50% всієї піднімальної сили, а в гіперзвуковому потоці піднімальна сила майже повністю створюється нижньою поверхнею крила. Профілі з плоскою нижньою поверхнею при гіперзвуковому обтіканні створюють більшу піднімальну силу, чим профілі з опуклою нижньою поверхнею.
У гіперзвуковому потоці через сильне звуження конусів збурення зникає взаємний вплив частин ЛА один на одного. Виходячи з цієї особливості гіперзвукового обтікання, гіперзвуковий літальний апарат варто віднести до категорії ракетопланів з сильно розвиненим фюзеляжем і найбільшим крилом з плоскою нижньою поверхнею.
Супераеродинаміка — наука про рух тіл у розріджених газах. Критерієм розрідженості є число Кнудсена Кn
Кn = l / L,
де l - середня довжина вільного пробігу молекул;
L - характерний розмір обтічного тіла.
Для відмови від гіпотези про сплошності середовища потрібно, щоб число Кнудсена Кn було не менше 10. Це відповідає висоті польоту приблизно 100 - 150 км і більше.
Тіло, що здійснює рух на такій висоті, обтікається вільномолекулярним потоком. Молекули, рухаючись безладно, постійно стикаються одна з одною і з поверхнею обтічного тіла. Виникаюча при цьому аеродинамічна сила являє собою сумарний ефект ударів молекул об поверхню тіла.
Визначення аеродинамічних сил, що виникають при русі тіл у розріджених газах, ведеться на підставі ударної (корпускулярної) теорії Ньютона або теорії дифузійного відбиття.
Ударна теорія Ньютона припускає, що при ударі об тіло частинки повітря повністю втрачають швидкість. Теорія дифузійного відбиття дає точніший результат, оскільки враховує, що більша частина частинок повітря після удару відбивається від поверхні тіла.