ТУРБУЛЕНТНОСТЬ. ГИПЕРЗВУК. ГИЛЕВИЧ

 

Юрий Михайлович Кочетков, д.т.н.

Дмитрий Дмитриевич Гилевич (25.12.1929-13.05.2008) - выдающийся отечественный ученый, конструктор двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов. Он являлся автором многочисленных научных и технических решений, связанных с совершенствованием конструкции мощных высокоскоростных ЖРД и ПВРД для крылатых ракет. Впервые в СССР под его руководством были разработаны микроЖРД на двухкомпонентном топливе для управления и стабилизации космических аппаратов, двигательные установки космических аппаратов для облета и посадки на Луну, двигатели малых тяг для коррекции орбиты и т.п. Он руководил созданием форсажных камер и регулируемых всережимных сопел турбореактивных двигателей для самолетов "МиГ".

Наиболее важными результатами его деятельности в качестве Главного конструктора в области перспективных летательных аппаратов были его разработки гиперзвуковых двигателей, предназначенных для работы на высоких числах Маха. Д.Д. Гилевич предложил оригинальную интегральную схему прямоточного двигателя для сверхзвуковой крылатой ракеты "Москит". Под его руководством были созданы и переданы на вооружение флота две модификации этой ракеты. Под непосредственным руководством Д.Д. Гилевича разрабатывался и проходил стендовые испытания двигатель с уникальными характеристиками по высоте и времени полета (М = 4,5). Дмитрий Дмитриевич руководил разработкой и летными испытаниями гиперзвукового двигателя на водороде (тема "Холод").

Д.Д. Гилевич являлся основателем гиперзвуковой лаборатории в Московском авиационном институте. С использованием изобретения Дмитрия Дмитриевича был спроектирован и построен стенд для испытаний мощных ЖРД в НПО "Энергомаш". Дмитрий Дмитриевич Гилевич имел ученую степень доктора технических наук, был профессором МАИ и заслуженным изобретателем. Он награждался орденами Ленина и Трудового Красного Знамени. За разработку двигателя ракеты "Москит" ему была присуждена Государственная премия СССР.

Гиперзвуковые течения возникают как в природе, так и в технике. С "природным" гиперзвуком приходится сталкиваться при исследовании обтекания метеоритов, влетающих в атмосферу Земли, обтекания планет потоками заряженных частиц солнечного ветра и т.д. Изучением гиперзвуковых течений приходится заниматься также в связи с решением задач, описывающих движение авиационных, ракетных и космических аппаратов. Характер гиперзвукового течения плазмы и газа зависит от особенностей конструкции летательного аппарата, т.е. от его формы и относительных размеров. Последние определяют аэродинамическое качество аппарата и эффективность физико-химических процессов при горении топливных составов. Для гиперзвуковых течений геометрический критерий подобия становится основным, и в сочетании с числом Маха гиперзвуковое подобие определяют зависимостью К=М·t, где К - критерий гиперзвукового подобия; t - относительный характерный размер.

Понятно, что одним относительным размером при разработке гиперзвукового двигателя не обойтись. Требуется определение облика, отработка оптимальных обтекаемых форм и задание необходимых размеров. Ведь конструкция в процессе полета при столь высокой скорости может просто сгореть или сломаться при маневрах под воздействием гиперзвуковых напоров. Кроме того, при таких условиях необходимо перемешать и сжечь в камере сгорания горючее, вводимое в гиперзвуковую струю окислителя (воздуха). Успех разработки в решающей мере зависит от таланта Главного конструктора и руководимого им коллектива.

Точного определения значения числа М, начиная с которого поток считается гиперзвуковым, в настоящее время нет.

Несмотря на некоторую количественную неопределенность, гиперзвуковое течение обладает совершенно иными качествами, отличающими его от просто сверхзвукового течения: поскольку скорость газа намного превышает скорость звука в нем, т.е. скорость теплового движения молекул, то кинетическая энергия элементарных объемов существенно превосходит теплосодержание газа (пропорционально М²); при торможении гиперзвукового потока, например, в области носовой части затупленного тела, вследствие диссипации механической энергии в вязком слое в ударной волне, температура газа в возмущенной области сильно возрастает, что приводит к возбуждению внутренних степеней свободы молекул и атомов, их ионизации и к образованию плазмы; экспериментально установлено, что, начиная со значений чисел Маха М > 4, коэффициент сопротивления практически перестает меняться с ростом скорости. Течение вблизи тела стремится к некоторому предельному (асимптотическому) состоянию - предельному гиперзвуковому течению. Оно характерно тем, что с определенного момента форма тела не оказывает влияния на линии тока. В этих условиях становится справедливым закон сопротивления Ньютона.

Характерные для гиперзвукового течения эффекты, перечисленные выше (нелинейность, неравновесность и дискретность), позволяют представлять его как течение неравновесной плазмы в разреженном пространстве. Исходя из этих соображений, наиболее выгодный коридор для эксплуатации гиперзвуковых летательных аппаратов - это высоты 20…50 км. При полете на высотах, лежащих выше верхней границы коридора, целесообразно использовать ракетные двигатели: ЖРД, РДТТ и др.
Гиперзвуковое течение можно характеризовать как предельный случай сверхзвукового течения. Условно - это течение при числе Маха, стремящемся к бесконечности.

Скорость звука (а) при расширении газа стремится к нулю, так как при этом уменьшается статическая температура. Таким образом, увеличение числа М=V/а до бесконечности при неограниченном расширении будет обусловлено стремлением скорости звука к нулю, а не увеличением скорости газового потока. Это означает, что число Маха лишь формально характеризует гиперзвуковое течение как сверхскоростное. По-видимому, безразмерный коэффициент скорости λ=V/a_кр будет более полно отражать динамику перехода к гиперзвуку. В этом случае можно дать более точное определение гиперзвукового течения. В статье, опубликованной в журнале "Двигатель" № 6 (42) - 2005, была приведена иллюстрация обтекания нейлонового шарика гиперзвуковым потоком с числом М = 7,6. Отмечалось, что за шариком образовался след ламинарной структуры. Это означает, что с некоторого момента непосредственно за скачком реализовалось течение с параметрами, соответствующими ламинарному течению и числу Рейнольдса, которое было меньше критического, т.е. такого, при котором течение из ламинарного условно переходит в турбулентное и наоборот. Если принять значение критического числа Рейнольдса за критерий перехода, то можно считать границей перехода в гиперзвук скорость, соответствующую ему и полученную после натекания на тело гиперзвукового потока, прошедшего через скачок уплотнения. Другими словами, гиперзвуковым можно считать поток, который, пройдя через лобовой скачок уплотнения, остался ламинарным. Помимо числа Рейнольдса основным критерием в этом случае выступает безразмерная скорость λ, и расчет производится в соответствии с формулой Прандтля λ_П =λ/λ_Н, где λ_Н и λ_П- значения безразмерных скоростей набегающего потока и потока после скачка уплотнения.

Гиперзвуковое течение является предельным случаем турбулентности. Оно всегда является ламинарным. Экспериментально было показано, что при прочих равных условиях ширина ударной волны при гиперзвуковом натекании (например, при М = 8,5) во много раз меньше, чем ширина ударной волны при сверхзвуковом натекании на тело. Внешне гиперзвуковая волна является намного более жесткой и устойчивой, чем сверхзвуковая. Гиперзвуковая ударная волна приобретает вид скачка уплотнения, или вид "математического" разрыва функции тока. В этих условиях не приходится говорить о турбулентности собственно в скачке уплотнения. Здесь происходит скачкообразный переход сверхзвукового ламинарного течения в дозвуковое ламинарное. Можно показать, что причин для возникновения турбулентности в гиперзвуковом потоке нет.

При реальном движении летательных аппаратов с гиперзвуковой скоростью возникают сверхзвуковые, трансзвуковые и дозвуковые области. В зависимости от сложности конструкции аппаратов эти области могут пересекаться, накладываться и воздействовать друг на друга. Так, например, на фотографии, полученной А.В. Ивановым, зафиксирована структура гиперзвукового течения (М = 9,6) при обтекании тороидального тела. Течение наблюдается как с внешней, так и с внутренней стороны тороида. На внутренней стороне на выходе из кольца зафиксирована ламинарная струя. Из-за некоторого сужения в горловине и последующего расширения течение в струе постепенно начинает принимать турбулентный характер.

При создании ГПВРД основной проблемой является смешение и организация горения топлива. Для этого организуются всевозможные дозвуковые застойные области, где можно создать зону турбулентного течения. Осредненная картина по сечению в общем может считаться соответствующей некоторому сверхзвуковому процессу смешения и горения в камере, однако добиться эффективного перемешивания и сжигания компонентов в гиперзвуковом потоке невозможно. В нем линии тока окислителя и горючего идут, практически не взаимодействуя друг с другом. Для того чтобы обеспечить возможность сгорания топлива, необходимо организовать вынужденное смешение и вынужденное непрерывное воспламенение. Вынужденное смешение возможно путем организации высокочастотных поперечных колебаний специальным источником с частотой, коррелированной с коэффициентом продольной скорости гиперзвукового потока f ~ λ. Воспламенение необходимо производить в импульсном режиме синхронно с той же частотой, например, при помощи лазерного запальника. Очевидно, что существуют и другие способы организации смешения и горения. Важным остается тот факт, что традиционными способами "обуздать" гиперзвук не удается. Необходимы новые идеи, качественно отличные от традиционных для сверхзвука. Необходимы новые конструкторские проработки, основанные на новых научных подходах. Необходимы смелые решения в достижении более высоких гиперзвуковых параметров летающих и перспективных изделий, основы которых заложили пионеры этой техники. Среди них Дмитрий Дмитриевич Гилевич - Главный конструктор двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов.