Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Характерные условия движения летательных аппаратов

Движение любого летательного аппарата как единого аэроупругого объекта определяется его аэродинамическими и прочностными характеристиками, параметрами двигательных установок. По заданной скорости полета и известным параметрам, определяющим состояние атмосферы, нетрудно вычислить значения всех характерных чисел, определяющих режим обтекания ЛА (чисел М, Re, Kn, Tw / Тo и т. д.).

По диапазону скоростей, или чисел М, можно выделить движение ЛА при малых (М < 0,3), дозвуковых (М < Мкр, Мкр — критическое число Маха), звуковых (М = 1), околозвуковых, или трансзвуковых, (Мкр < М < 1,2), сверхзвуковых (1,2 ≤ М < 4) и гиперзвуковых (М ≥ 4...5) скоростях. Столь широкий спектр скоростей в аэрогидромеханике позволяет установить характерные типы ЛА и проследить за эволюцией их аэродинамических форм.

В зависимости от числа Рейнольдса (0 ≤ Re ≤ ∞), характеризующего соотношение инерционных и вязкостных сил в потоке, изменяется характер обтекания тела. Уменьшение чисел Re приводит к проявлению вязких эффектов в изучаемых явлениях. При числах Re → ∞ наблюдается переход к невязкой (идеальной) среде. Так, ограничиваясь рамками механики сплошной среды, например по числам Рейнольдса, можно выделить четыре известных характерных режима при обтекании заостренных тонких тел (маневренного самолета, ракеты и т. п.): безвихревое обтекание тела; обтекание с образованием симметричных вихрей при отрыве потока; обтекание с установившейся асимметричной вихревой системой и обтекание тела с образованием зоны, подобной аэродинамическому следу. Эти основные режимы последовательно реализуются при увеличении угла атаки от 0 до 90°. Структуры вихревых систем и их взаимодействие с обтекаемыми поверхностями ЛА существенно влияют как на аэродинамические характеристики ЛА, так и на их устойчивость и управляемость. В частности, асимметричный характер обтекания тонких тел при больших углах атаки приводит к появлению боковой силы и момента рыскания. В то же время отрывной характер течения (особенно если оно управляемое) способен в ряде случаев играть и конструктивную роль.

По числу Кn можно судить о сплошности среды. Моделью континуумного течения пользуются, когда межмолекулярные столкновения оказывают определяющее влияние на состояние среды (т. е. при Кn → 0). Свободномолекулярная картина обтекания наблюдается, когда возможные столкновения частиц в окрестности тела не оказывают влияния на характеристики обтекания тела (т. е. при Кn → ∞).

Целый спектр режимов обтекания наблюдается при движении ЛA по траектории спуска и выхода на орбиту Земли. На рис. 1 показаны типичные параметры полета космического самолета. При скоростях до 1...2 км/с не наблюдается существенного отклонения поведения модели идеального газа от поведения реальной среды. Увеличение скорости полета приводит к росту температуры в пограничных слоях и за скачками уплотнений, к развитию диссоциационных, ионизационных, рекомбинационных явлений, возбуждению вращательных и колебательных степеней свободы атомов в молекулах и другим релаксационным процессам. При этом наступает нарушение термохимического равновесия среды, увеличивается ее вязкость, при малых числах Re возрастает толщина пограничного слоя, возникает взаимодействие ударных волн с пограничным слоем. С увеличением разреженности среды (на больших высотах полета) определение процессов, происходящих на расстояниях, соизмеримых с длинами свободных пробегов молекул, требует привлечения кинетической модели гиперзвукового обтекания.

Для аэротермодинамического расчета различных типов летательных аппаратов требуется детальное знание таких явлений, как поведение ламинарных и турбулентных высокоскоростных пограничных слоев, и в особенности при различных положениях органов управления; влияние на устойчивость пограничного слоя свойств реального газа и характеристик обтекаемой поверхности; взаимодействие скачков уплотнения с пограничными слоями, другими скачками и вихревыми структурами (в частности, в зонах срывных течений); проявление свойств реального газа при повышенных температурах, вызывающих диссоциацию и химические реакции; каталитичность обтекаемых поверхностей; влияние разреженности среды на аэротермодинамические характеристики; взаимодействие струй двигателей с обтекаемыми поверхностями; повышение эффективности аэродинамических органов управления на больших высотах и т. д.

Одним из параметров взаимодействия газа с обтекаемой поверхностью является скорость частицы. В околоземном пространстве скорость частицы, (вектор ξ) относительно единичного элемента поверхности ЛА, движущегося со скоростью (вектор V), определяется соотношением

Здесь вектор ua — скорость направленного движения атмосферы относительно Земли; вектор С — скорость теплового движения частицы; векторω — угловая скорость ЛА; вектор r — радиус-вектор единичной площадки (поверхности ЛА) относительно центра масс ЛА. Характерная скорость ЛА
где В — геоцентрическая гравитационная постоянная, B = Gm3 = = (398600,5 + 0,3) * (10 в степени 9) м³/с²; G — кавендишева гравитационная постоянная, G = (6,6745 + 0,0008) * (10 в степени - 11) м³ / (кг-с²); m3 — масса Земли; а — большая полуось эллиптической орбиты; r* — модуль радиуса-вектора, определяющего положение ЛА относительно центра Земли. При круговой орбите ЛА (r* = a) получим
где R3 — радиус Земли. Формулу (1.36) можно использовать и для расчета круговых скоростей обращения искусственных спутников других планет, взяв для них соответствующие значения В и радиуса планеты. Скоростное отношение S определяет отношение скорости аппарата к наиболее вероятной скорости частиц при температуре Т:
где m — масса частицы; k — постоянная Больцмана. Об изменении S с изменением высоты Н можно судить по рис. 2.

Основным источником воздействия на КА, движущиеся в верхней атмосфере Земли при Н ≤ 800 км, являются нейтральные частицы. Для низких околоземных орбит при V ≈ 8 км/с характерны энергии частиц Еi = mV² / 2 порядка 5...10 эВ и плотности потоков 10 (в степени 13)...10 (в степени 15) (см² * с)-¹. При H > 800 км определяющим является солнечное давление. В этом случае расчет аэродинамических характеристик аппаратов аналогичен расчету по свободномолекулярной теории.

Химически активные компоненты газа могут вызывать на поверхностях КА физико-химические процессы. Они влияют на взаимодействие газа с поверхностью, изменяя характеристики силового и теплового воздействий. Десорбционные и другие процессы массоотделения, сопутствующие движению аппарата в условиях низкой плотности газа, приводят к образованию около него собственной внешней атмосферы, которую во многих случаях необходимо учитывать. На высотах H > 2000км внешние возмущения от набегающего потока создаются заряженными частицами. В периоды сильных солнечной и геомагнитной активностей резко возрастает концентрация заряженных частиц, приводящая к дополнительным моментам и силам, вследствие взаимодействия ионов с электрически заряженными поверхностями КА. Такое взаимодействие способно изменить его аэродинамические характеристики на 20...30%.

На рис. 3 приведены значения скоростей входа в атмосферы планет. Так, например, скорость входа зонда в атмосферу Юпитера равна ∼ 60 км/с. В современной практике относительная скорость межпланетной станции «Вега» при пролете газопылевой комы кометы Галлея достигала 79,2 км/с, а энергия молекул воды, взаимодействовавших с поверхностями, 552,5 эВ. Такой уровень энергий подобен энергии частиц плазмы солнечного происхождения, воздействующих на поверхности космических аппаратов в межпланетных условиях. Следует отметить, что при энергиях 10²...10³ эВ частицы атомного масштаба способны выбить от 0,1 до 1 атомов самой поверхности в зависимости от материала, угла падения и т. п. (этот процесс соответствует физическому распылению).


 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика