2.17.4. Особливості гіперзвукового польоту
Поле, що відповідає числу М > 5, називається гіперзвуковим, а швидкість цього польоту — гіперзвуковою швидкістю.
Обтікання тіл гіперзвуковим потоком багато в чому відрізняється від обтікання їхнім потоком з помірною надзвуковою швидкістю (мал. 2.67).
Рис. 2.67. Гіперзвукове обтікання:
а) скривлення стрибка; б) відрив прикордонного шару.
Це пов'язане з явищем взаємодії головного стрибка ущільнення із прикордонним шаром. Через сильний нахил головного стрибка ущільнення область збурювань між стрибком 1 і прикордонним шаром 2 виходить дуже вузької. Тому прикордонний шар сильно нагрівається й, розширюючись, збільшує відхилення потоку поблизу передньої крайки й викривляє головний стрибок ущільнення. Лінії струму відсуваються від поверхні тіла. Створюється враження, що тіло товщає (мал. 2.67, а).
Різке підвищення температури прикордонного шару збільшує проблему теплового бар'єра. 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'єра, на гіперзвукових літальних апаратах для зменшення теплового потоку рекомендується використовувати відрив прикордонного шару (мал. 2.67, б). Для цього перед тупоносим корпусом 3 літальні апарати встановлюється голка 4. Голка відриває прикордонний шар 2, і тепловий потік, що йде на корпус, зменшується.
Якщо на напівсферичній носовій частині гіперзвукового літального апарата встановити голку, то його опір зменшиться в 10 разів, а теплопередача в 3 рази. А якщо в простір між поверхнею й прикордонним шаром, що відірвався, вдмухувати газ, то теплопередача може зменшуватися майже до нуля.
Таким чином, голка одночасно допомагає вирішити проблему теплового бар'єра й 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 із 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 із цієї особливості гіперзвукового обтікання, гіперзвуковий літальний апарат варто віднести до категорії ракетопланів із сильно розвиненим фюзеляжем і найбільшим крилом із 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 менш 10. Це відповідає висоті польоту приблизно 100 - 150 км і більше.
Тіло, що робить рух на такій висоті, обтікається вільномолекулярним потоком. Молекули, рухаючись безладно, постійно зіштовхуються один з одним 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 частки повітря повністю втрачають швидкість. Теорія дифузійного відбиття дає більше точний результат, тому що враховує, що більша частина часток повітря після удару відбивається від поверхні тіла.