Что означает «Скачок уплотнения»
Тонкая область, в которой параметры сверхзвукового потока — давление, плотность и температура — меняются почти скачком.
- Толщина
- порядка длины свободного пробега молекул
- Типы
- прямой, косой, отошедший
- Потери
- полного давления и энергии
- Следствие
- волновое сопротивление, звуковой удар
Что такое скачок
Сверхзвуковой поток не успевает «узнать» о препятствии заранее, потому что возмущения распространяются со скоростью звука, а поток их обгоняет. Поэтому перед телом образуется тонкая поверхность, внутри которой воздух резко тормозится и сжимается. За скачком давление, плотность и температура выше, а скорость меньше. Толщина скачка исчисляется долями микрометра, и с точки зрения самолёта это мгновенный переход.
Скачок необратим: часть энергии потока переходит в тепло, полное давление падает. Чем сильнее скачок, тем больше потери. Поэтому проектируют формы, в которых сильный прямой скачок заменён серией слабых косых.
Прямые, косые и отошедшие скачки
Прямой скачок перпендикулярен потоку, за ним течение дозвуковое, потери максимальны. Косой скачок возникает у острых клиньев и конусов, он наклонён к потоку, а за ним течение остаётся сверхзвуковым. Перед тупыми телами, например у носа капсулы или у передней кромки со скруглением, образуется отошедший скачок: он выглядит как изогнутая волна перед телом, а на оси потока работает как прямой.
| Тип | Где возникает | Течение за скачком |
|---|---|---|
| Прямой | перед тупым телом, в воздухозаборнике | дозвуковое |
| Косой | у острого носа, клина | сверхзвуковое |
| Отошедший | перед затупленным носом | смешанное |
Скачки в воздухозаборнике
Сверхзвуковой двигатель не может принимать сверхзвуковой воздух: компрессору нужен дозвуковой поток. Задача воздухозаборника — затормозить поток до дозвуковой скорости с минимальными потерями. Для этого создают систему косых скачков на клиновидных пластинах, а завершают торможение слабым прямым скачком в горле. На сверхзвуковых самолётах пластины и створки воздухозаборника регулируются, чтобы удерживать скачки в оптимальном положении при разных числах Маха.
- Серия косых скачков постепенно снижает скорость потока.
- Слабый прямой скачок в горле переводит поток в дозвуковой.
- Диффузор доводит давление до значения, необходимого компрессору.
- Система регулирования подстраивает геометрию под число Маха.
Скачки на крыле и в тоннеле
На околозвуковом крыле скачок возникает на верхней поверхности, когда местная скорость превышает скорость звука. Его положение смещается при изменении угла атаки и скорости, что вызывает вибрации и «звуковой» буфет — тряску на высоких числах Маха. Визуализацию скачков выполняют шлирен-методом: оптическая система показывает изменения плотности воздуха как светлые и тёмные линии.
Именно скачки обуславливают звуковой удар. Каждая ударная волна достигает земли как резкий перепад давления, а двойной хлопок возникает от носового и хвостового скачков.