Ударные алмазы (также известные как алмазы Маха или осевые алмазы ) представляют собой образование структур стоячих волн , которые появляются в сверхзвуковом выхлопном шлейфе аэрокосмической двигательной системы, такой как сверхзвуковой реактивный двигатель , ракета , ПВРД или ГПРД , когда она работает. в атмосфере. «Ромбы» на самом деле представляют собой сложное поле потока, видимое по резким изменениям локальной плотности и давления, когда выхлоп проходит через серию стоячих ударных волн и расширительных вентиляторов . Бриллианты Mach названы в честь Эрнста Маха., физик, первым описавший их. [1] : 48
Механизм [ править ]
Ударные алмазы образуются, когда сверхзвуковой выхлоп из форсунки немного чрезмерно расширяется, что означает, что статическое давление газов, выходящих из форсунки, меньше давления окружающего воздуха . Более высокое давление окружающей среды сжимает поток, и, поскольку результирующее увеличение давления в потоке выхлопных газов является адиабатическим , уменьшение скорости приводит к значительному увеличению его статической температуры. [2] Выхлоп обычно чрезмерно расширяется на малых высотах, где давление воздуха выше.
Когда поток выходит из сопла, давление окружающего воздуха сжимает поток. [2] Внешнее сжатие вызывается косыми скачками уплотнения, наклоненными под углом к потоку. Сжатый поток попеременно расширяется расширительными вентиляторами Прандтля-Мейера , и каждый «ромб» образуется при соединении косого скачка уплотнения с расширительным вентилятором. Когда сжатый поток становится параллельным центральной линии, образуется перпендикулярная потоку ударная волна , называемая нормальной ударной волной или диском Маха . Здесь находится первый ударный алмаз, а пространство между ним и соплом называется «зоной тишины». [3] Расстояние от сопла до первого ударного алмаза можно приблизительно определить следующим образом:
где x - расстояние, D 0 - диаметр сопла, P 0 - давление потока, а P 1 - атмосферное давление. [3]
Когда выхлоп проходит через нормальную ударную волну, его температура увеличивается, воспламеняя излишки топлива и вызывая свечение, которое делает видимыми алмазы ударной волны. [2] Освещенные области выглядят как диски или ромбы , давая им свое название.
В конце концов, поток расширяется настолько, что его давление снова становится ниже атмосферного, и в этот момент вентилятор расширения отражается от неоднородности контакта (внешний край потока). Отраженные волны, называемые вентилятором сжатия, заставляют поток сжиматься. [2] Если компрессионный вентилятор достаточно силен, сформируется другая наклонная ударная волна, создающая второй диск Маха и ударный алмаз. Узор из дисков и ромбов повторялся бы бесконечно, если бы газы были идеальными и не имели трения; [2], однако, турбулентный сдвиг на контактной неоднородности заставляет волновую картину рассеиваться с расстоянием. [4]
Аналогичным образом ромбовидный узор может образовываться, когда сопло недостаточно расширено (давление на выходе выше, чем окружающее), при более низком атмосферном давлении на больших высотах. В этом случае сначала образуется расширительный вентилятор, а за ним - косой скачок уплотнения. [2]
Альтернативные источники [ править ]
Ударные алмазы чаще всего ассоциируются с реактивным и ракетным двигателем, но они могут образовываться и в других системах.
Продувки трубопроводов природного газа [ править ]
Ударные алмазы можно увидеть во время продувки газопровода, потому что газ находится под высоким давлением и выходит из продувочного клапана на экстремальных скоростях. [ необходима цитата ]
Артиллерия [ править ]
При стрельбе из артиллерийских орудий газ выходит из дульного среза пушки на сверхзвуковой скорости и образует серию алмазных шаров. Алмазы вызывают яркую дульную вспышку, которая может показать врагу расположение огневых точек. Было обнаружено, что когда соотношение между давлением потока и атмосферным давлением близко, алмазы ударной волны были значительно уменьшены. Добавление дульного тормоза на конце дульного среза уравновешивает давление и предотвращает ударные алмазы. [1] : 41
Радио-самолеты [ править ]
Некоторые радиоструи , мощные струи плазмы, исходящие от квазаров и радиогалактик , имеют регулярно расположенные узлы усиленного радиоизлучения. [1] : 68 Струи движутся со сверхзвуковой скоростью через тонкую «атмосферу» газа в космосе, [1] : 51 поэтому предполагается, что эти узлы представляют собой ударные алмазы. [ необходима цитата ]
См. Также [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме " Шоковые алмазы" . |
- Форсаж
- Выхлопной газ
- Плюм (гидродинамика)
- Сопло ракетного двигателя
- Ударная волна
Заметки [ править ]
- ^ a b c d Майкл Л. Норман; Карл-Хайнц А. Винклер (июль 1985 г.). «Сверхзвуковые самолеты» . Лос-Аламосская наука . 12 : 38–71.
- ^ a b c d e f Скотт, Джефф (17 апреля 2005 г.). «Шоковые алмазы и диски Маха» . Aerospaceweb.org . Проверено 6 ноября 2011 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ a b Ниссен, Вильфрид MA (1999). Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия . 79 . CRC Press . п. 84. ISBN 978-0-8247-1936-4.
- ^ "Ромбовидный узор выхлопных газов" . Международный университет Флориды . 12 марта 2004 . Проверено 6 ноября 2011 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
Внешние ссылки [ править ]
- «Метановый взрыв» - ударные алмазы, образующиеся в метановом двигателе НАСА, построенном XCOR Aerospace , веб-сайт НАСА, 4 мая 2007 г.
- «Шокирующие алмазы и диски Маха» - по этой ссылке есть полезные диаграммы. Aerospaceweb.org - это некоммерческий сайт, управляемый инженерами и учеными из аэрокосмической области.
