Hypersonisk regime

Et problem med væskedynamikk eller aerodynamikk anses generelt å være i et hypersonisk regime for karakteristiske hastigheter i bevegelsesfeltet større enn omtrent fem ganger lydhastigheten i den betraktede væsken . Det sies også at disse hastighetene har et Mach-tall større enn 5. Fenomenene med hypersonisk strømning er spesielt preget av fenomener med viskøs interaksjon, da viskositeten har en sterk innflytelse på den ytre strømningen og på sjokkbølgene . Sjokkbølger kan kjemisk endre luft eller gassrundt, skaper et delvis ionisert plasma , med oppnåelse av høye temperaturer ( aerodynamisk oppvarming ).

Tatt i betraktning de tidligere definisjonene, er konseptet "hypersonisk regime" vanskelig å forstå, med tanke på det faktum at det ikke er noen fysiske endringer som gjør det forskjellig fra den supersoniske flyten. Generelt registreres en spesiell kombinasjon av fenomener rundt 5. Mach. Det hypersoniske regimet er også definert som hastigheten som ramjet -motorene ikke lenger produserer skyvekraft med, men det er igjen en tvetydig definisjon, siden de kan modifiseres til å fungere også i hypersoniske regimer (de såkalte scramjets ).

NASA nådde det hypersoniske regimet med ubemannede eksperimentelle fly med rakettfremdrift som nådde Mach 7 og Mach 10 ved å sette verdens fartsrekord med X-43- prototypen . NASAs neste mål vil være å nå 15. Mach.

Beskrivelse

Funksjoner

Mens definisjonen av hypersonisk flyt kan virke ganske tvetydig og tvilsom (hovedsakelig på grunn av den relative kontinuiteten i overgangen mellom supersoniske og hypersoniske regimer), er den preget av en rekke fysiske fenomener som ikke finnes i andre regimer; disse fenomenene gjelder spesielt:

• Sjokkbølgefronten : når Mach øker, øker tettheten til sjokkbølgen og volumet avtar på grunn av loven om bevaring av masse; følgelig avtar også sjokkbølgefronten.
• Entropi , som øker i sjokkfrontområdet som følge av høy entropisk gradient og sterke virvlende strømmer som samvirker i grenselaget .
• Den viskøse interaksjonen : en del av den høye kinetiske energien assosiert med hypersoniske regimer omdannes til indre energi i væsken på grunn av viskøse effekter; denne økningen i indre energi resulterer i en økning i temperaturen. Selv om trykkgradienten vinkelrett på strømmen innenfor grenselaget er null, faller temperaturøkningen sammen med en reduksjon i tettheten til dette laget, som kan utvide seg og smelte sammen med sjokkbølgen.
• De høye temperaturene som nås av den viskøse interaksjonen, som forårsaker kjemiske ubalanser i det omkringliggende miljøet, slik som dissosiasjon og ionisering av molekyler, gjennom konveksjonsbevegelser og ved stråling.

Hypersoniske effekter

Det hypersoniske regimet er preget av et visst antall effekter som ikke finnes i normale situasjoner med subsoniske regimer; disse effektene avhenger først og fremst av hastigheten og konformasjonen til det aktuelle kjøretøyet.

Oppnåelsen av hypersoniske hastigheter, selv om det gjøres i store høyder der luftens tetthet er lavere enn ved havnivå, forårsaker en temperaturøkning og gir følgelig overoppheting, forårsaket av friksjon, av hele flyet, som må bygget med materialer som tåler svært høye temperaturer.

Dimensjonsløse grupper av det hypersoniske regimet

Beskrivelsen av de aerodynamiske strømmene er basert på en bestemt type parametere, kalt dimensjonsløse grupper , som gjør det mulig å forenkle og redusere antall mulige tilfeller som skal analyseres. Når det gjelder transoniske strømmer, tillater Mach -nummeret og Reynolds-nummeret en enkel klassifisering.

Det er klart at det hypersoniske regimet også krever disse parameterne: For det første har ligningen som styrer vinkelen på sjokkbølgen en tendens til å bli uavhengig av Mach-tallet fra Mach 10 og utover; for det andre indikerer dannelsen av intense sjokkbølger rundt kroppen under flukt at Reynolds-tallet blir mindre relevant i beskrivelsen av kroppens grenselag (selv om det fortsatt er viktig); til slutt signaliserer de høye temperaturene i det hypersoniske regimet viktigheten av effektene av ekte gasser . Av sistnevnte grunn blir studiet av det hypersoniske regimet ofte referert til som " aerotermodynamikk ".

Innføringen av ekte gasser krever et større antall variabler som er nødvendige for å beskrive gassens tilstand: mens en stasjonær gass er preget av tre parametere ( trykk , temperatur og volum ) og en gass i bevegelse med fire (de tre foregående pluss hastighet ) , krever en gass ved høye temperaturer og i kjemisk likevekt tilstandsligninger for hver av dens komponenter, mens en gass som ikke er i likevekt beskrives av disse ligningene dersom en ytterligere variabel legges til, nemlig tid. Alt dette betyr at for å beskrive en flyt som ikke er i likevekt til enhver tid, trengs det mellom 10 og 100 variabler; videre må det huskes at en sjeldnet hypersonisk strømning (vanligvis karakterisert ved et Knudsen-tall større enn én) ikke følger Navier-Stokes-ligningene .

Hypersoniske regimer klassifiseres vanligvis i henhold til deres totale energi, uttrykt som total entalpi (i MJ / kg), totalt trykk (i kPa eller MPa), stagnasjonstrykk (alltid i kPa eller MPa), stagnasjonstemperatur (i K) eller hastighet (i km/s).

Hypersoniske regimer

Det hypersoniske regimet kan grovt sett deles inn i fem forskjellige underregimer, selv om grensene for hver av dem kan være svært uklare.

Perfekt gass

I denne situasjonen anses gassen som perfekt og regimet er fortsatt sterkt påvirket av Mach-tallet; simuleringene begynner å avhenge mer av bruken av en konstant grensetemperatur, snarere enn av en adiabatisk grense; den nedre grensen for dette regimet er rundt Mach 5 (når Ramjets blir ineffektive), mens den øvre grensen er rundt Mach 10-12.

Perfekt gass ved to temperaturer

Det er et spesielt tilfelle av det forrige regimet, der gassen er kjemisk perfekt, men rotasjons- og vibrasjonstemperaturene til gassen anses som separate, noe som fører til utarbeidelse av to forskjellige temperaturmodeller.

Dissosiert gass

I dette regimet begynner de multimolekylære gassene å dissosiere når de kommer i kontakt med sjokkbølgen som genereres av kroppen og typen gass som vurderes blir viktig for effekten av strømmen. Katalyseoverflaten , og følgelig også type materiale som brukes, spiller en grunnleggende rolle i beregningen av overflaten som varmes opp . Begynnelsen av denne fasen tilsvarer øyeblikket hvor den første komponenten av gassen begynner å dissosiere ved punktet for stagnasjon av strømmen, begrepet er når effektene av ioniseringen begynner å være relevante.

Ionisert gass

Populasjonen av ioniserte elektroner blir betydelig, og dens egenskaper må studeres separat fra de gjenværende komponentene i gassen. Dette regimet forekommer for hastigheter på rundt 10-12 km / seks gasser som er tilstede anses som ikke-strålende plasmaer .

Regime dominert av stråling

Utover 12 km / s slutter overføringen av varme til den bevegelige kroppen å finne sted ved ledning og blir ved stråling; gassmodellene for dette regimet er delt inn i to klasser:

• transparente gasser eller gasser som ikke reabsorberer strålingen som sendes ut av seg selv;
• ugjennomsiktige gasser , for hvilke stråling må betraktes som en ekstra energikilde; denne typen gass er ekstremt vanskelig å studere, gitt det eksponentielle antallet beregninger som er nødvendige for å beskrive strålingen ved hvert punkt av gassen.

Bibliografi

• John Anderson, Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition , AIAA Education Series, 2006, ISBN  1-56347-780-7 .

Relaterte elementer

• Atmosfærisk gjeninntreden
• Scramjet
• Skylon
• Synergetisk luftpustende rakettmotor
• Zirkon (missil)

Andre aerodynamiske regimer

• subsonisk regime Ma <0,9
• transonisk regime Ma> 0,9 Ma <1,3
• supersonisk regime Ma> 1,3 Ma <5
• supercruise
• hypersonisk regime Ma> 5

Andre prosjekter

• Wikimedia Commons inneholder bilder eller andre filer med hypersoniske hastigheter

Eksterne lenker

• ( EN ) University of Queensland Center for Hypersonics , på mech.uq.edu.au.