Взаимодействие среды и движущегося тела. Классификация скоростей полета

Характер взаимодействия внешней газовой среды (атмосферы) и движущегося в ней тела (ЛА) существенным образом зависит от скорости полета ЛА и от высоты полета, поскольку с высотой изменяются параметры атмосферы.
При небольших скоростях движения происходит в основном силовое взаимодействие, т. е. в результате движения возникают силы, которые оказывают сопротивление движению тела в газовой среде. С ростом скорости силовое взаимодействие сопровождается тепловым взаимодействием, т. е. нагревом поверхности обтекаемого тела вследствие теплопередачи от газа к телу. При очень больших скоростях полета аэродинамический нагрев становится настолько сильным, что может разрушить материал конструкции ЛА путем его оплавления или сублимации (от лат. sublimo - возношу), т. е. непосредственного перехода материала ЛА из твердого в газообразное состояние и, как следствие, уноса разрушенной части материала. Аэродинамический нагрев может привести кхимическому взаимодействию между газовой средой и материалом конструкции ЛА, в результате чего также возникает эффект уносачасти материала. На больших скоростях полета вследствие механического воздействия может возникнуть эрозия (от лат. erosio - разъедание) материала конструкции, что также сопровождается эффектом уноса массы, или абляцией (позднелат. ablatio - отнятие).
Естественно, что в первую очередь проектировщика интересует силовое взаимодействие ЛА и внешней газовой среды, поскольку в результате этого взаимодействия возникают силы, обеспечивающие полет ЛА.
Движение ЛА, раздвигающего воздух, вызывает возмущения воздушной среды, которые, как уже отмечалось в разделе 3.2.1, распространяются во все стороны со скоростью звука в виде колебаний давления и плотности воздуха. При малых скоростях полета эти возмущения значительно опережают ЛА, и воздушный поток, еще даже не приблизившись к нему, изменяет свое направление, раздвигаясь и "приспосабливаясь" к обтеканию частей ЛА. Сжатие воздуха при этом незначительно.
С ростом скорости полета ЛА и приближением ее к скорости звука (скорости распространения возмущений) созданные ЛА возмущения не могут значительно опередить его, взаимодействие ЛА с невозмущенной ("не подготовленной" к обтеканию ЛА) внешней средой вызывает сильное сжатие воздуха, повышение его давления и, как следствие, увеличение сил, действующих на ЛА. Таким образом, критерием, позволяющим оценить силовое взаимодействие ЛА и воздушной среды,критерием сжимаемости потока воздуха может служить число М. Чем больше число М, тем сильнее проявляется в полете эффект сжимаемости воздуха. На основании этого критерия принята следующая классификация скоростей полета ЛА:
- малые дозвуковые скорости, соответствующие числам (М £ 0,4¸0,6), при которых сжимаемость воздуха практически мало влияет на силовое взаимодействие ЛА и окружающей среды;
- большие дозвуковые скорости, соответствующие числам (М» 0,6¸0,9), при которых влияние сжимаемости на силовое взаимодействие весьма существенно, однако тепловое взаимодействие практически отсутствует и его можно не рассматривать;
- околозвуковые (трансзвуковые, от лат. trans - через, за, за пределами), соответствующие числам М »1;
- сверхзвуковые (М>1), при которых проектировщики обязаны учитывать не только силовое, но и тепловое взаимодействие ЛА и окружающей среды;
- гиперзвуковые скорости, соответствующие числам (M ³ 5), при которых силовое и тепловое взаимодействие ЛА и окружающей среды настолько интенсивно, что может сопровождаться химическим и механическим взаимодействием и чревато возможностью эрозии и уноса материала конструкции.
При проектировании ЛА для определения его летных характеристик, разработки конструкции агрегатов и систем необходимы данные по интенсивности всех видов взаимодействия ЛА с воздушным потоком. Специфика взаимодействия на различных скоростях полета требует применения различных математических моделей, учитывающих эту специфику и базирующихся на различной математической основе. Теоретическое определение величин, характеризующих это взаимодействие, практическое измерение их в полете весьма сложно. С достаточной для инженерных работ точностью выполнить эту задачу позволяет аэродинамический эксперимент.