Fuertes ondas de compresión en gas en movimiento. Las débiles perturbaciones del gas se propagan a la velocidad del sonido local. Cuando la aeronave vuela a velocidad subsónica, la velocidad de propagación de la perturbación es mayor que la velocidad de vuelo de la aeronave, por lo que la perturbación no puede concentrarse.

En este momento, la distribución de los parámetros de flujo (incluida la velocidad del flujo, la presión, etc.) en todo el campo de flujo es continuo. Cuando la aeronave vuela a velocidades supersónicas, la perturbación es demasiado tarde para llegar a la parte delantera de la aeronave. Como resultado, la aeronave comprime repentinamente el gas en el frente para formar una perturbación intensa y concentrada. En este momento, una interfaz de proceso de compresión aparece llamada onda de choque.

Después de la onda de choque, la presión, la densidad y la temperatura del gas aumentarán repentinamente y la tasa de flujo caerá repentinamente. El salto de presión produce una explosión audible. Cuando un avión vuela a velocidad supersónica en un espacio aéreo más bajo, las personas en tierra pueden escuchar este tipo de ruido, que se llama boom sónico.

Utilizando las características del cambio repentino en la densidad del gas de la onda de choque, la onda de choque se puede fotografiar con un instrumento óptico (ver método de medición en túnel de viento). La onda de choque de un gas ideal no tiene espesor y es una superficie de discontinuidad en significado matemático. El gas real tiene viscosidad y transferencia de calor.

Esta propiedad física hace que la onda de choque sea continua, pero el proceso sigue siendo muy rápido. Por lo tanto, la onda de choque real tiene un grosor, pero el valor es muy pequeño, solo un cierto múltiplo de la trayectoria libre de las moléculas de gas. Cuanto mayor sea el número de Mach supersónico relativo del frente de onda, menor será el valor del grosor.

Hay fricción entre el gas y el gas dentro de la onda de choque, lo que convierte parte de la energía mecánica en energía térmica. Entonces, la aparición de ondas de choque significa la pérdida de energía mecánica y la generación de resistencia a las ondas. Por lo tanto, al diseñar una aeronave, generalmente se debe evitar la aparición de ondas de choque o se debe reducir la intensidad de las ondas de choque. Las ondas de choque se clasifican en ondas de choque normales, ondas de choque oblicuas, ondas de choque aisladas, ondas de choque cónicas, etc. en términos de su forma.

El frente de onda de la onda de choque es perpendicular al flujo entrante. Después de que el flujo de aire supersónico pasa a través de la onda de choque normal, la velocidad cambia repentinamente a velocidad subsónica y la velocidad del flujo después de la onda de choque no cambia. La sección central de la onda de choque en la curva de la Figura a es una onda de choque normal. Además, las ondas de choque normales también pueden aparecer en los flujos de tuberías supersónicos.

Elfrente de onda de choque oblicuo no es perpendicular al flujo entrante. Figura a. En la onda de choque de la curva, excepto por una sección corta en el medio, que es una onda de choque normal, el resto son ondas de choque oblicuas.

En comparación con una onda de choque normal, el flujo de aire tiene un cambio menor cuando pasa por el oblicuo onda de choque En otras palabras, la onda de choque oblicua es más débil. Además, la dirección del flujo de aire debe cambiar repentinamente al pasar a través de la onda de choque oblicua.

Por lo tanto, hay dos ángulos, uno es el ángulo entre el frente de onda y la dirección del flujo entrante, o el ángulo oblicuo de la onda de choque , y el otro es el ángulo de giro del flujo después de la onda desde la dirección original. Cuanto mayor sea el ángulo , más fuerte será la onda de choque. Cuando el ángulo es tan pequeño como el ángulo de Mach, la onda de choque se debilita para convertirse en una onda de perturbación débil o una onda de Mach.

El perfil del ala de un avión supersónico generalmente usa bordes frontales y traseros afilados, como se muestra en la Figura b, cuando aparece una onda de choque oblicua en la cabeza. El aumento de presión después del impacto oblicuo es menor que el del impacto normal y la resistencia de las olas en el ala es menor. También hay una onda de choque en el borde de fuga, porque el flujo de aire de las superficies superior e inferior del ala debe converger en el borde de fuga, y el flujo de aire de ambos lados se puede girar en una dirección común. La onda de choque oblicua es exactamente la supersónica flujo de aire Una forma de dirección.

Otras formas de choqueFigura a Las ondas de choque que no se adhieren a los objetos se denominan ondas de choque aisladas. La figura b es la onda de choque del cuerpo adjunto. Después de determinar el ángulo de la mitad del vértice de la superficie aerodinámica, el número de Mach volador M 1 debe ser grande hasta un cierto valor antes de que exista la onda de choque adjunta. Antes de que el número de Mach volador alcance este valor, solo hay una onda de choque aislada.

Para un objeto de cabeza roma como la Figura a, no importa cuán grande sea M 1 , solo hay un choque fuera del cuerpo, pero a medida que M 1 aumenta, la distancia desde el choque fuera del cuerpo hasta el objeto se reduce. Una gran parte de la onda de choque extracorporal está muy cerca de la onda de choque normal, la presión detrás de la onda aumenta mucho y la resistencia de onda del objeto es muy grande.

Esto es exactamente lo que necesita la nave espacial cuando regresa a la atmósfera. Cuando la nave espacial gira alrededor de la Tierra en el espacio exterior, la velocidad es muy alta y tiene una enorme energía cinética. Al regresar a la atmósfera, la velocidad debe reducirse, de modo que la energía cinética se convierta rápidamente en energía térmica y se disipe rápidamente. La onda de choque in vitro consume más energía cinética que la onda de choque adjunta, y la punta roma solo cubre la capa de ablación, lo que permite la ablación para disipar el calor (ver ablación y protección térmica).

Se coloca un cono en el flujo de aire supersónico (el ángulo de ataque es cero), si M 1 es lo suficientemente grande, se producirá una superficie de choque cónica con el cuerpo adherido (Figura c). El cambio de flujo de aire a través de un choque cónico es el mismo que un choque plano oblicuo. La diferencia es que el flujo de aire continúa cambiando su dirección después del cambio repentino de la onda de choque del cono, y la velocidad continúa disminuyendo y finalmente se acerca gradualmente al ángulo oblicuo de la superficie del objeto.

En otras palabras, el flujo de aire no gira lo suficiente en la onda de choque, por lo que cuando el ángulo de la mitad del vértice es el mismo, la onda de choque del cono producida por el cono es más débil que la onda de choque de la superficie aerodinámica bidimensional.

¿Qué es onda de choque?