Hiperszonikus sebesség (HS) az aerodinamikában - olyan sebességek, amelyek jelentősen meghaladják a légkör hangsebességét .
Az 1970-es évek óta ezt a kifejezést általában 5 -nél nagyobb Mach-számú (M) szuperszonikus sebességnek nevezik .
A hiperszonikus repülés a szuperszonikus repülés egy fajtája, amelyet szuperszonikus gázáramlásban hajtanak végre. A szuperszonikus légáramlás alapvetően különbözik a szubszonikustól, és a repülőgép repülésének dinamikája a hangsebesség feletti sebességgel (1,2 M felett) alapvetően eltér a szubszonikus repülésétől (0,75 M-ig, a 0,75 és 1,2 M közötti sebességtartományt transzonikusnak nevezzük ). sebesség ).
A hiperszonikus sebesség alsó határának meghatározása általában az atmoszférában mozgó apparátus közelében lévő határrétegben (BL) a molekulák ionizációs és disszociációs folyamatainak beindulásával jár , ami körülbelül M > 5 , körülbelül 6000-nél kezdődik. km/h. Ezt a sebességet az is jellemzi, hogy a szubszonikus tüzelőanyag-égetéssel ( SPVRD ) működő szuperszonikus sugárhajtómű kevésbé hatékony, mint a hiperszonikus ramjet (scramjet), amelyben az üzemanyag elégetése szuperszonikus áramlási sebességgel történik. A scramjethez képest azonos repülési sebesség mellett a légáramlás erősebb lassítását igényli, mielőtt belépne az égéstérbe. Ez nagyobb nyomásveszteséget okoz az áramláslassító szakaszban az SPVJ-ben. Ugyanakkor a scramjetben a szuperszonikus áramlási sebességgel történő tüzelőanyag-égetés nagyobb nyomásveszteséggel jár, mint a tüzelőanyag-égetés során a scramjet szubszonikus áramlásában. Ceteris paribus, minél kisebb a teljes nyomásveszteség a ramjet áramlási útvonalában, annál nagyobb a hatékonysága. Azokat a repülési feltételeket, amelyek mellett az SPVJE és a scramjet áramlási útvonalában a teljes veszteség azonos, a szuperszonikus és a hiperszonikus sebesség határvonalának tekintjük. Ennek a határnak a helyzete nagyon feltételes és sok tényezőtől függ. Így például a hidrogént üzemanyagként használó motoroknál az égés magasabb fajhője miatt a hiperszonikus sebesség alsó határa magasabb repülési Mach-számoknak felel meg, mint a kerozinnal üzemelő hasonló motoroknál.
Míg a hiperszonikus áramlás (HJ) meghatározása meglehetősen ellentmondásos a szuperszonikus és a hiperszonikus áramlások közötti egyértelmű határ hiánya miatt, a HJ bizonyos fizikai jelenségekkel jellemezhető, amelyeket figyelembe véve már nem lehet figyelmen kívül hagyni, nevezetesen:
A sebesség és a megfelelő Mach-számok növekedésével a lökéshullám mögötti sűrűség (SW) is növekszik, ami a tömegmegmaradás miatt a SW mögötti térfogat csökkenésének felel meg. Ezért a lökéshullámréteg, azaz a jármű és az SW közötti térfogat nagy Mach-számoknál elvékonyodik, és vékony határréteget (BL) hoz létre a jármű körül.
A levegőáramban lévő nagy kinetikus energia egy része M > 3 (viszkózus áramlás) esetén viszkózus kölcsönhatás következtében belső energiává alakul át. A belső energia növekedése a hőmérséklet növekedésében valósul meg . Mivel a határolórétegen belüli áramlásra a normál mentén irányított nyomásgradiens megközelítőleg nulla, a hőmérséklet jelentős emelkedése nagy Mach-számoknál a sűrűség csökkenéséhez vezet. Így az űrszonda felületén lévő PS nő, és nagy Mach-számoknál egyesül az orr közelében lévő lökéshullám vékony rétegével, és viszkózus lökésréteget képez .
A lamináris áramlásról a turbulens áramlásra való átmenet fontos problémájában egy repülőgép körüli áramlás esetén a kulcsszerepet a PS-ben kialakuló instabilitási hullámok játsszák. Az ilyen hullámok növekedése és ezt követő nemlineáris kölcsönhatása a kezdetben lamináris áramlást turbulens áramlássá alakítja át. Szubszonikus és szuperszonikus sebességnél a Tolmin-Schlichting hullámok , amelyek örvény jellegűek, kulcsszerepet játszanak a lamináris-turbulens átmenetben . M = 4,5-től kezdve akusztikus típusú hullámok jelennek meg és kezdenek dominálni a PS-ben (mód II vagy Mekavian mód), ami miatt a turbulenciába való átmenet az átmenet klasszikus forgatókönyvében történik (van egy by-pass átmeneti mechanizmus is ) [1] .
A nagy sebességű áramlás a jármű elülső pontjában (stagnációs pont vagy régió) a gázt nagyon magas hőmérsékletre (akár több ezer fokra) felmelegíti. A magas hőmérséklet viszont az áramlás nem egyensúlyi kémiai tulajdonságait hozza létre, amelyek a gázmolekulák disszociációjában és rekombinációjában, az atomok ionizációjában, az áramlásban és a készülék felületével való kémiai reakciókban állnak. Ilyen körülmények között a konvekciós és a sugárzó hőátadás folyamatai jelentősek lehetnek [2] .
Szokásos a gázáramok paramétereit hasonlósági kritériumokkal leírni , amelyek lehetővé teszik szinte végtelen számú fizikai állapot hasonlósági csoportokba történő redukálását, és lehetővé teszik a különböző fizikai paraméterekkel (nyomás, hőmérséklet, sebesség) rendelkező gázáramlások összehasonlítását. stb.) egymással. Ezen az elven alapulnak a szélcsatornákban végzett kísérletek és ezek eredményeinek valós repülőgépekre való átvitele, annak ellenére, hogy a szélcsatornás kísérleteknél a modellek mérete, áramlási sebessége, hőterhelése stb. valós repülési módok, ugyanakkor a hasonlósági paraméterek (Mach, Reynolds, Stanton számok stb.) megfelelnek a repülésnek.
Transz- és szuperszonikus vagy összenyomható áramlás esetén a legtöbb esetben az olyan paraméterek, mint a Mach-szám (az áramlási sebesség és a helyi hangsebesség aránya) és a Reynolds elegendőek az áramlások teljes leírására. Hiperszonikus áramlás esetén ezek a paraméterek gyakran nem elegendőek. Egyrészt a lökéshullám alakját leíró egyenletek 10 M-es sebességtől gyakorlatilag függetlenné válnak. Másodszor, a hiperszonikus áramlás megnövekedett hőmérséklete azt jelenti, hogy a nem ideális gázokhoz kapcsolódó hatások észrevehetővé válnak.
A valós gáz hatásainak figyelembevétele több olyan változót jelent, amelyre a gáz állapotának teljes leírásához szükség van. Ha egy álló gázt három mennyiséggel írunk le teljesen: nyomással , hőmérséklettel, hőkapacitás ( adiabatikus index ), és egy mozgó gázt négy változóval írunk le, amelybe a sebesség is beletartozik , akkor a kémiai egyensúlyban lévő forró gázhoz is szükség van az állapotegyenletekre . kémiai összetevőit, valamint a disszociációs és ionizációs folyamatokkal rendelkező gáznak az időt is tartalmaznia kell állapotának egyik változójaként. Általánosságban ez azt jelenti, hogy egy adott időpontban egy nem egyensúlyi áramláshoz 10-100 változó szükséges a gáz állapotának leírásához. Ezenkívül a ritkított hiperszonikus áramlás (HJ), amelyet általában Knudsen -számokkal írnak le , nem engedelmeskedik a Navier-Stokes egyenleteknek , és megköveteli azok módosítását. A HP-t általában a teljes entalpia ( mJ / kg ), a teljes nyomás ( kPa ) és az áramlási stagnálási hőmérséklet (K) vagy a sebesség (km/s) használatával kifejezett teljes energia alapján kategorizálják (vagy osztályozzák ).
A mérnöki alkalmazásokhoz W. D. Hayes kifejlesztett egy hasonlósági paramétert, amely közel áll a Witcomb területszabályhoz , amely lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy egyetlen modellen végzett tesztsorozat vagy számítási sorozat eredményeit hasonló modellkonfigurációk egész családjának kifejlesztésére alkalmazzák, anélkül, hogy további kiegészítőket alkalmaznának. tesztelés vagy részletes számítások elvégzése.
A hiperszonikus áramlás számos speciális esetre oszlik. A HP hozzárendelése egyik vagy másik áramlási módhoz nehéz feladat, mivel „elmosódnak” azon állapotok határai, amelyeknél ez a jelenség a gázban észlelhető vagy észrevehetővé válik az alkalmazott matematikai modellezés szempontjából .
Ebben az esetben az áthaladó légáramot ideális gázáramnak tekinthetjük. A HP ebben a módban továbbra is a Mach-számoktól függ, és a szimulációt a hőmérsékleti invariánsok vezérlik, nem pedig az adiabatikus fal , ami alacsonyabb sebességeknél van így. Ennek a tartománynak az alsó határa körülbelül 5 M sebességnek felel meg, ahol a szubszonikus égésű scramjetek hatástalanná válnak, a felső határ pedig a 10-12 M körüli sebességeknek felel meg.
Része a nagy sebességű ideális gázáramlási rezsim esetének, amelyben az áthaladó légáram kémiailag ideálisnak tekinthető, de a gáz rezgési hőmérsékletét és forgási hőmérsékletét [3] külön kell figyelembe venni, ami két külön hőmérsékleti modellek. Ez különösen fontos a szuperszonikus fúvókák tervezésénél , ahol a molekuláris gerjesztés miatti vibrációs hűtés válik fontossá.
Ebben az esetben a gázmolekulák disszociálni kezdenek, amint érintkezésbe kerülnek a mozgó test által keltett lökéshullámmal. Az áramlás kezd eltérni minden egyes vizsgált gáz esetében, saját kémiai tulajdonságaival. A felületmelegedés számításában szerepet játszik az, hogy a jármű karosszériájának anyaga katalizátorként szolgálhat ezekben a reakciókban, ami azt jelenti, hogy megjelenik a hiperszonikus áramlás függése a mozgó test kémiai tulajdonságaitól. A rezsim alsó határát az első gázkomponens határozza meg, amely egy adott áramlási stagnálási hőmérsékleten kezd disszociálni, ami 2000 K-en a nitrogénnek felel meg . Ennek a rezsimnek a felső határát a gázatomok ionizációs folyamatainak beindulása határozza meg. a HP.
Ebben az esetben az atomok által elvesztett elektronok száma jelentőssé válik, és az elektronokat külön kell modellezni. Az elektrongáz hőmérsékletét gyakran a többi gázkomponenstől elkülönítve veszik figyelembe. Ez a rezsim a 10–12 km/s (> 25 M) HP sebességtartománynak felel meg, és ebben az esetben a gáz állapotát nem sugárzó vagy nem sugárzó plazmamodellek segítségével írják le .
12 km/s-nál nagyobb sebességnél a hőátadás a berendezés felé főleg sugárátvitel útján kezd megtörténni, amely a sebesség növekedésével együtt kezd dominálni a termodinamikai átvitel felett. A gázmodellezés ebben az esetben két esetre oszlik:
Az optikailag vastag gázok modellezése nehéz feladat, mert az áramlás minden pontjában a sugárzási áttétel számítása miatt a számítások mennyisége exponenciálisan nő a figyelembe vett pontok számával.