Волновые узоры в сверхзвуковой струе: объяснение "алмазов Маха". Формируются из-за скачков давления и расширений в выхлопе ракетных и авиационных двигателей.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Видимый волновой узор в сверхзвуковой струе выхлопных газов
Visible wave pattern in a supersonic exhaust plume
Ударные алмазы (также известные как алмазы Маха или алмазные волны) — это образование устойчивых волновых узоров, которые появляются в сверхзвуковой струе выхлопных газов аэрокосмической двигательной установки, такой как сверхзвуковой реактивный двигатель, ракета, прямоточный воздушно-реактивный двигатель или гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, при работе в атмосфере. Эти "алмазы" представляют собой сложное поле течения, которое становится видимым благодаря резким изменениям локальной плотности и давления при прохождении выхлопных газов через серию стоячих ударных волн и волн расширения. Физик Эрнст Мах первым описал сильную ударную волну, нормальную к направлению потока жидкости, наличие которой и вызывает образование алмазного узора.
Shock diamonds (also known as Mach diamonds or thrust diamonds) are a formation of standing wave patterns that appear in the supersonic exhaust plume of an aerospace propulsion system, such as a supersonic jet engine, rocket, ramjet, or scramjet, when it is operated in an atmosphere. The "diamonds" are actually a complex flow field made visible by abrupt changes in local density and pressure as the exhaust passes through a series of standing shock waves and expansion fans. The physicist Ernst Mach was the first to describe a strong shock normal to the direction of fluid flow, the presence of which causes the diamond pattern.
Механизм
Ударные алмазы образуются, когда сверхзвуковой выхлоп из сопла немного перерасширен, то есть статическое давление газов, выходящих из сопла, ниже, чем давление окружающего воздуха. Более высокое давление окружающей среды сжимает поток, и поскольку увеличение давления в потоке выхлопных газов происходит адиабатически, снижение скорости вызывает значительное повышение его статической температуры. Перерасширение выхлопа обычно наблюдается на малых высотах, где давление воздуха выше. По мере выхода потока из сопла, давление окружающего воздуха его сжимает. При прохождении через нормальную ударную волну температура выхлопа повышается, воспламеняя избыточное топливо и вызывая свечение, благодаря которому ударные алмазы становятся видимыми. Подобные алмазные узоры могут формироваться и при недостаточном расширении сопла (когда выходное давление выше, чем окружающее), при более низком атмосферном давлении на больших высотах. В этом случае сначала формируется волна разрежения, а затем наклонная ударная волна.
Shock diamonds form when the supersonic exhaust from a propelling nozzle is slightly over expanded, meaning that the static pressure of the gases exiting the nozzle is less than the ambient air pressure. The higher ambient pressure compresses the flow, and since the resulting pressure increase in the exhaust gas stream is adiabatic, a reduction in velocity causes its static temperature to be substantially increased. The exhaust is generally over expanded at low altitudes, where air pressure is higher. As the flow exits the nozzle, ambient air pressure will compress the flow. As the exhaust passes through the normal shock wave, its temperature increases, igniting excess fuel and causing the glow that makes the shock diamonds visible. Diamond patterns can similarly form when a nozzle is under expanded (exit pressure higher than ambient), in lower atmospheric pressure at higher altitudes. In this case, the expansion fan is first to form, followed by the oblique shock.