Управление динамическими и тепловыми характеристиками сверхзвуковых течений с помощью локальных неоднородностей набегающего потока

Кустова Е. В., Лашков В. А.
Исследование поддержано РФФИ, проект 18-08-00707.

Авиация и ракетная техника развиваются по пути увеличения скорости полета. В настоящее время стоит вопрос об освоении гиперзвукового полета, когда скорость летательного аппарата превышает скорость звука в 5 и более раз. При разработке таких высокоскоростных аппаратов конструкторы и инженеры сталкиваются с большими трудностями обеспечения прочности и надежности конструкции при преодолении высоких силовых и тепловых нагрузок. Разработкой и исследованиями гиперзвуковых летательных аппаратов занимаются основные мировые державы: США, Европейский союз, Китай и, конечно, Россия. Разработки ведутся государственными и коммерческими компаниями в гражданских и военных целях.

Гиперзвуковой летательный аппарат глайдер Ю-71 (Россия).

Для снижения силовых и тепловых нагрузок на гиперзвуковой аппарат могут использоваться как традиционные способы (оптимизация аэродинамических форм, применение механической иглы, вдува газа в набегающий поток и т.д.), так и способы, основанные на новых физических принципах, среди которых вложение энергии в поток с помощью различных видов разрядов (лазерный, СВЧ и т.п.). Возникающие при этом неоднородности полей плотности и температуры разрушают головную ударную волну, приводя к перестройке течения и снижению сопротивления летательного аппарата.

Настоящий проект посвящен экспериментальному и теоретическому исследованию возможности управления аэродинамикой и тепловыми потоками на поверхности гиперзвукового летательного аппарата с помощью создания локальных неоднородностей в набегающем потоке. Для формирования неоднородностей применяются различные способы: лазерный и микроволновый разряды, электродные импульсные разряды, генерация разнонаправленных гиперзвуковых плазменных струй и сверхзвуковых струй газа, отличающихся от основного набегающего потока плотностью и температурой.

Эксперименты проводятся на уникальной экспериментальной установке для исследования влияния микроволнового разряда на аэродинамику летательного аппарата, созданной в Санкт-Петербургском государственном университете на базе сверхзвуковой аэродинамической трубы. Для этой установки была разработана новая экспериментальная методика. В эксперименте использованы лазеры с большой импульсной мощностью, СВЧ генераторы на основе мощных импульсных магнетронов и малоразмерные магнито-плазменные компрессоры компактной геометрии. Для анализа картин обтекания, измерения давления и тепловых потоков используется современная измерительная аппаратура (модифицированный прибор ИАБ 450, многолучевой внутрикамерный интерферометр Фабри-Перо, высокоскоростная камера PCO с временным разрешением 5 нс, градиентный датчик на основе поперечного эффекта Зеебека, разработанный в Санкт-Петербургском Политехническом университете).

Экспериментальная установка.

Для построения математической модели неравновесного течения ионизованного газа в области разряда используются фундаментальные методы кинетической теории газов. Для различных условий неравновесности получены самосогласованные системы уравнений неравновесной газодинамики, дополненные уравнениями колебательно-химической кинетики, а также строгие выражения для потоковых и релаксационных членов, необходимые для замыкания систем уравнений. Численное моделирование газодинамических процессов проводится методом конечных объемов. Моделирование разряда производится кратковременным включением члена-источника в уравнение энергии в области разряда.

В 2018 году были проведены физические и численные эксперименты по применению лазерного, СВЧ и межэлектродного разрядов, а также их комбинаций для снижения силовых и тепловых нагрузок на аэродинамических телах (конус, клин, пластина, установленная под углом к потоку). Исследования показали, что использование такой нетрадиционной технологии может привести к желаемому результату: уменьшению сопротивления тела и снижению тепловых потоков на поверхности. Причем положительный эффект растет с увеличением числа Маха потока.

Результаты численного моделирования для пластины.

Для моделирования газодинамических процессов в сверхзвуковом потоке при наличии неоднородностей (разряды, вдув газа) использованы методы вычислительной газовой динамики. На рисунке приведены результаты численного моделирования взаимодействия нагретой области газа после разряда со скачком уплотнения на пластине, наклоненной к направлению сверхзвукового (М=2) потока. Видно, что такое взаимодействие приводит к возмущению течения газа у поверхности пластины, к формированию вихрей. При этом происходит уменьшение давления и снижение температуры газа на поверхности.

Картина обтекания пластины.

На фотографии представлена теневая картина обтекания пластины, установленной под углом к направлению сверхзвукового (М=2) потока. Эксперимент проводился в сверхзвуковой аэродинамической трубе. Межэлектродный разряд создает вихревую газодинамическую структуру (видна над поверхностью модели), которая значительно изменяет характер течения газа у поверхности тела, при этом давление на поверхности и тепловой поток уменьшаются. Результаты экспериментов подтверждают данные, полученные в ходе расчетов.

В 2019 году планируется исследовать масштабные эффекты взаимодействия локальной неоднородности газа с газодинамическими структурами на теле, воздействие инжекции плазменных и легкогазовых струй в набегающий поток на аэродинамические характеристики различных тел.

Руководит проектом профессор кафедры гидроаэромеханики Е.В. Кустова; эксперимент проводится под руководством профессора В.А. Лашкова, численные исследования — под руководством доцента А.Г. Карпенко. В проекте участвуют коллеги с физического факультета (профессор И.Ч. Машек, ст. преподаватель Р.С. Хоронжук). В проекте также заняты студенты (Г. Никифоров и Ю. Максакова) и аспирант (Ю. Добров) кафедры гидроаэромеханики.

Некоторые публикации по проекту: