Есть такая наука - аэродинамика.

svl_new | 4 января 2019 г. |

Интересно | 4936 просмотров | 14 баллов ?

Она изучает движение твёрдых тел в газообразных средах. Например - в воздухе. У неё есть сестра - гидродинамика, которая изучает движение тел в несжимаемой жидкости. И есть мама - газовая динамика, котрая занимается сжимаемыми средами. Как понять, в чём разница, между ними и аэродинамикой?

Да не сложно! Вот я махнул рукой... Моя рука движется в воздухе - она вытесняет воздух с пути своего движения. И тут самый главный момент, что воздух успевает уходить от моей руки. Почему успевает? Да потому, что моя рука движется со скоростью, которая гораздо меньше скорости движения молекул воздуха. Эти молекулы наталкиваются на молекулы моей руки, отскаивают от них и улетают в разные стороны.

А с какой же скоростью движутся молекулы воздуха? Ну, кто хоть маленько что-то помнит из школьного курса физики (раздел "Акустика"), тот знает, что если в одном месте "трясти" воздух, то во все стороны пойдут волны колебаний воздуха - звук! С какой скоростью распространяются эти волны? Так ведь их переносят молекулы воздуха, а значит - звуковые волны распространяются со скростью движения молекул. Из курса термодинамики мы знаем, что средняя скорость молекул любого газа определяется его темппературой.

Так вот, для смеси газов, которую мы называем "воздух", при тепературе около 20С, средняя скорость движения молекул будет составлять 320 м/сек.

Именно эта скорость и называется скоростью звука в воздухе, при температуре 20С. Получается, что если моя рука движется медленне скорости звука, то молекулы воздуха успевают разлетаться и, хотя и оказывают сопротивление движению моей руки, но ничего необычного не происходит. Воздух практически не сжимается. Это аэродинамика.

Совсем иная картина наблюдается, если предмет (моя рука) движется быстрее скорости звука, быстрее, чем успевают разлетаться молекулы. Так как они не успевают разлететься, то перед предметом образуется подушка из сжатого воздуха. Это уже газовая динамика. Опять таки, из школьного курса физики мы знаем, что при сжатии газа в нём возастает температура и давление. Давление газа прикладывается к предмету - сила сопротивления воздуха резко возрастает. Возросшая температура тоже "давит" на предмет и нагревает его.

Сверхзвуковые скорости обычно измеряют в единицах "М" (Число Маха), это отношение к скорости звука в данных условиях. При движении со сверхзвуковой скоростью обычная аэродинамика перестаёт работать. Парочка примеров:

Пример первый. Я думаю, многие слышали про такое зловещее явление, которое называется "флаттер". Это такая вибрация, возникающая (как правило) при приближении к скорости звука. Вибрация нарастала настолько быстро, что у лётчика не оставалось времени на снижения скорости. От начала вибраций до разрушения самолета проходили считанные секунды.

Долго не могли понять сущность этого явления. Оказалось - довольно просто. Когда скорость самолёта (в целом, как тела) приближатся к М. то на разных участках обшивки эта скорость немного разная. И, в какой-то момент, складывается ситуация, когда "здесь" - ещё меньше М, а "вот здесь" уже больше М. При этом, там, где больше М, возникала область ДАВЛЕНИЯ. Это давление изгибало и скручивало конструкцию. В следствии таког изгиба, область высокого давления перемещалась в другое место, начиналось скручивание в другом месте и т.д... До тех пор, пока самолёт не разваливался. Марк Галлай, летчик-испытатель, Герой Советского Союза, получивший звание за испытания новейших самолетов, описывает эффект флаттера так:

"казалось, будто по самолету с разных сторон ударили сотни кувалд. Вдруг, мгновенно, самолет начал сильно вибрировать. Казалось, он разваливался на части, управлять им было невозможно… "

(https://shkolazhizni.ru/computers/articles/94056/ )

Пример второй. Не многие слышали в реальности, но многие "слышали про" ударную волну, тянущуюся за самолётом, летящим быстрее звука. В народе говорят, когда слышат этот гром, что "Пробил звуковой барьер" :-) На самом деле, он его "пробил" может полчаса, а может и час назад. А вот ударная волна тянется за самолётом всё время, пока он движется быстрее скорости звука.

4 Снимок ударных волн от модели самолёта в аэродинамической трубе. Получен шлирен методом.

===================

Что сказал президент

===================

президент подчеркнул, что от существующих типов боевого оснащения эта система отличается способностью совершать полеты в плотных слоях атмосферы на межконтинентальную дальность на гиперзвуковой скорости, превышающей число Маха более, чем в 20 раз. По словам президента, это делает «Авангард» неуязвимым для средств ПРО.

(https://tvzvezda.ru/news/opk/content/201810181701-ek8c.htm)

Обратите внимание - это ТВ "Звезда". Т.е. они должны разбираться в вопросах военной техники и "горячё поддерживать и полностью одобрять курс партии ".

Итак, здесь есть три очень существенных утверждения:

1. Плотные слои атмосферы. (Т.е. всё это НЕ в космосе)

2. Большая (межконтинентальная) дальность, а значит - существенное время полёта в таких условиях (не несколько секунд!)
3. Скорость до 20М

Вот я и попытаюсь прикинуть, какую температуру должен выдержать предмет, движущийся в плотных слоях атмосферы со скоростями в десятки М и каковы должны быть параметры ракеты, двигающейся с такой скоростью

===========================================
Температура

===========================================

Давайте начнём с того, что попроще - температуры. Она вычисляется по формуле:

3. Формула температуры набегающего потока воздуха

Т.е. температура нагрева будет равнятся (грубо говоря) квадрату скорости, делённому на удвоенную теплоёмкость воздуха.

Скорость 20М = 20 * 320 = 6400 м/сек. Квадрат скорости будет 40 960 000. Удельная теплоёмкость воздуха около 1000 м2 / с2.

Таким образом, температура воздуха, давящего на нос летательного аппарата составит около 20 тысяч (!!!) градусов. Напомню, что температура поверхности Солнца "всего" 6500 градусов. Самое тугоплавкое вещество, известное науке - карбид тантала-гафния, имеет температуру плавления 3990 градусов. Грубо говоря, в 5 раз (!!!) меньше требуемой.

Тут меня могут спросить - а как же космические корабли возвращаются в атмосферу? Ведь у них скорость ещё больше! Здесь играют роль сразу три момента:

- Они начинают торможение в очень разряжённой (практически - космос) атмосфере, где воздух хотя и раскаляется, но за счёт небольшой его плотности, не может отдать много тепла. Как в тансформаторе Тесла - напряжение хоть и большое, да ток - маленький. Поэтому - не страшно.

- Они движутся в плотной атмосфере очень недолго. Всего - несколько десятков километров, т.к. опускаются почти вертикально, а вовсе не между континентами.

- Соответственно, время действия чудовищных температур невелико. Теплозащита выгорает, но не до конца.

Но, тем не менее, проблема теплозащиты - очень сложная проблема. Например, нос "Спэйс шатла" нагревался, приблизительно до температуры 1600 градусов. Этого вполне достаточно, что бы расплавить сталь. Самый простой вариант - т.н. абляционная защита. Простейшая аналогия - возьмите кусок поролона, положите его на раскалённую плиту а сверху - листок бумаги. Понятно, чем всё это кончится и как скоро. А теперь возьмём тот же самый кусок поролона и пропитаем его водой. Ого... Картина резко изменилась! Пока вся вода не испарится, за листок бумаги можно быть спокойным. Термозащита на основе испарения и называется абляционной защитой.

Абляционная теплозащита использовалась в конструкции всех спускаемых аппаратов с первых лет развития космонавтики — в сериях кораблей « Восток », « Восход », « Меркурий », « Джемини », « Аполлон », « ТКС », в космических аппаратах « Стардаст » и « Марсианская научная лаборатория », продолжает использоваться в кораблях « Союз », « Шэньчжоу » и SpaceX « Dragon », и планируется к использованию в многоразовой второй ступени SpaceX « BFR Starship ».

Абляционное покрытие также используется для защиты камеры сгорания и сопла жидкостных ракетных двигателей от перегрева.

(https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B1%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B7%D0%B0%D1%89%D0%B8%D1%82%D0%B0)

Есть другой вариант, который использовался на шатлах и "Буране". Там очень сложная технология, я не буду подробное её описывать, если кто хочет почитать, можно вот здесь:

http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=641

Мораль: Двигаться со скоростью 20М в плотных слоях атмосферы можно очень непродолжительное время, но никак не совершать трансконтинентальные полёты. Не существует материалов, которые могут выдержать такую температуру. Не существует методов охлаждения, способных отвести такое количество тепла.

=====================

Сопротивление воздуха

=====================

Основы аэродинамики были заложены ещё в конце XIX века. В частности, российский учёный Н.Е. Жуковский доказал свою знаменитую теорему, которая в аэродинамике играет ту же роль, что теорема Пифагора - в геометрии. В частности, из этой теореммы можно вывести знаменитые формулы для подъёмной силы крыла и силы сопротивления воздуха движущегмуся в нём объекту. Вот эта формула:

5 Сила сопротивления воздуха

Здесь всё достаточно просто. "ро v в квадрате пополам" - это так называемый "скоростной напор". Проще говоря - кинентическая энергия набегающего воздуха. Она растёт пропорционально квадрату скорости. S - площадь поперечного сечения летательного аппарта. Т.н "мидель". Наибольший интерес представляет коэффициент Сх. Он связан с формой летательного аппарата. Не только лётчики, но даже автомобилисты знают, что бывают формы "обтекаемые", а бывают - угловатые. Для обтекаемых форм этот коэффициент меньше, для угловатых - больше. Так, для веретенообразных тел (пуля, ракета), этот коэффициент на дозвуковой скорости составляет около 0.1.

Фокус в том, что именно на дозвуковой! при превышении летательным аппаратом скорости звука, этот коэффициент перестаёт быть константой. Вспоминаем о том, что скоростной напор растёт пропорционально квадрату скорости, да тут ещё и этот коэффициент меняется... Если строго, то на свехзвуковой скорости этот коэффициент ведёт себя так:

7 Коээфициент Сх, в зависимости от скорости М

Для гиперзвука там несколько сложнее, но оценить можно и по этой формуле. Я не буду описывать каждый член этой формулы. Главное: М - скорость, а всё остальное - константы. Если подставить М=20, то получим значение около 0.25. Тогда сила сопротивления воздуха обтекаемому предмету с миделем = 1 м2 и движущемуся со скорости 20М составит:

0.25 * (20 * 320)**2 / 2= 3.25 МН = 325 Тонн силы.

Прямо скажем - не хило!!! Напомню, что ракетный двигатель РД-180 (Российской разработки) который Россия поставляет на экспорт, имеет тягу 390 тс в плотных слоях и только в вакууме достигает 423 тс.

8 Российский ракетный двигатель РД-180

И здесь вылезают сразу две трудности:

1. Его площадь сечения гораздо больше 1 м2 ! Сам по себе, без оболочки, он имеет мидель 8 м2 !!!

2. Он может работать макс 270 секунд (т.е. меньше 5 минут) и за это время на другой континент ну никак не улетишь!

Есть ещё одна проблема. Этот двигатель жрёт 2.5 тонны топлива в секунду (http://expert.ru/expert/2012/26/dve-s-polovinoj-tonnyi-topliva-v-sekundu/). Если лететь со скоростью 20М хотя бы 2000 км (а это, явно, не трансконтинентальная дальность!), то понадобится около 300 секунд. За это время такой двигатель сожрёт 750 тонн горючки! Если даже посчитать плотность керосина за 1, то при поперечном сечении в 1 м2, топливный бак должен быть длинной 750 метров!!!

Мораль: Для движения со скоростью 20М в плотных слоях атмосферы не существует подходящих двигателей. А если они и будут созданы, то потребуется столько топлива, что ракета просто не сможет взлететь, а корпус будет такой длины, что сломаетсяв момент старта.

==========================================

Так что же значит вся эта шумиха с "Авангардом" ?!

==========================================

Если отбросить весь этот бред про долгий гиперзвуковой полёт в плотных слоях атмосферы (как это говорил президент) то останется:

Минобороны России провело испытания ракеты с гиперзвуковым планирующим крылатым боевым блоком комплекса "Авангард"

(https://ria.ru/20190102/1548984452.html)

Т.е. самая обычная ракета с самой обычной боеголовкой с разделяемыми частями.

- Трансконтинентальная? Да!
- Гиперзвуковая? Да! (Правда - не в плотных слоях)
- Маневрирует? Да! (Правда - не в плотных слоях)

А что нового то?! Подозреваю, что единственное новшество - аэродинамическое подруливание в верхней части атмосферы. Ну так такие технологии известны давным-давно... Тот же самый шатл на этом и основан.

И потом, а что - наши нынешние стратегические ракеты - они УЯЗВИМЫ для систем ПВО американцев? И если мы пошлём ракеты, они их посбивают? А почему же они до сих пор не уничтожили Россию, если у них такое огромное преимущество - могут безнаказанно напасть на Россиию?!

А если и наши нынешние "Воеводы" сбить невозможно, то нафига нам этот "Авангард"?!

Мораль: Президент давно утратил связь с реальным миром. Из официальных лиц, первой об этом сказала А. Меркель ещё в 2014 году. (https://news.rambler.ru/politics/23881462-merkel-obame-putin-poteryal-svyaz-s-realnostyu/). Сейчас большинство руководителей в мире просто опасаются с ним общаться. Потому, что никто не может сказать, чего стоит ждать от Путина.

Путину очень хочется, что бы с ним общались, пожимали руку, улыбались восторженно и т.д. ( «… [С] нами никто …не хотел разговаривать, нас никто не слушал. Послушайте сейчас». https://news.rambler.ru/other/39280262/?utm_content=rnews&utm_medium=read_more&utm_source=copylink). Он и пепелацы на тахионной тяге демонстрирует и гиперзвуковых трёхглавых драконов показывает, а вот.... Не хотят с ним разговаривать!

Понятно, что Путин не инженер-авиаконструктор. Он не обязан разбираться во всех этих тонкостях. Но ведь у него есть советники! Или - нет ? Помните эту историю, когда Путин предложил переделать Ту-160 в гражданский сверхзвуковой лайнер? Ну да, я его не обвиняю, тут он не обязан разбираться. Но ведь ему же никто не сказал, что "Господин президент, Вы тут хрень сморозили!". Наоборот, все дружно зааплодировали гениальному вождю, а КБ "Туполев" заявило, что готово выполнить эту работу - только денег дайте! :-)

Короля играет свита... А свиту он собрал вокруг себя такую, что.... :-( Понятно, что если у человека с IQ не очень, то ему совсем не хочется видеть вокруг себя "яйцеголовых". Но ведь если кругом - одни дебилы, то тогда и политика будет - дебильная...

И всё это очень грустно!

Источник: Учебник по аэродинамике

Поделитесь с друзьями:

Смотрите также:

Гиперзвуковое движение

{Оставить комментарий}

Пару слов о фотографии в заголовке. Тот белый зонтик, что Вы видите вокруг самолёта - это вовсе НЕ "звуковой барьер". Всё просто: Самолёт движется со скоростью около 1.2М (судя по углу конуса). Он тащит за собой ударную волну СЖАТИЯ воздуха. В этой волне сжатия воздух нагревается. Но, следом за волной сжатия тащится волна РАСШИРЕНИЯ! И там воздух резко охлаждается. Водяной пар конденсируется и превращается в видимый туман. Вот всё....

Есть такая наука - аэродинамика.

Смотрите также:

Гиперзвуковое движение

{Оставить комментарий}

Комментарии:

{Оставить комментарий}