Можно ли летать на сверхзвуке без ударных волн? Похоже, что да!

...правда, пока что это только результаты матмоделирования. Но всё равно впечатляет - gопалась на глаза сравнительно старая (2000 г) статья.

Глядишь, экономичным и не слишком шумным пассажирским сверхзвуковикам рано или поздно - быть
("Если правда оно, ну хотя бы на треть...")
Показана возможность устранения сильных газодинамических разрывов при сверхзвуковом движении тел. Обнаружены режимы многократного (~ 40 раз) снижения волнового сопротивления и значительной (2,4 раза) экономии суммарных энергозатрат.

---

Газодинамические разрывы, ударные волны, считались необходимым атрибутом сверхзвукового движения макроскопических тел в газах. Они формировались при сверхзвуковом обтекании и активном воздействии на поток (локализованном или профилированном нагреве потока током, потоком частиц или излучением, вдуве через поверхность тела газа с другими параметрами, чем в потоке, и др). Как правило, зоны энерговыделения, перемещающиеся по газу, формируют ударные волны перед собой [1—3]. Нагретый газ часто дополнительно ускоряется в направлении тела, и в этом потоке при взаимодействии с телом формируются дополнительные ударные волны.

Однако в работе [4] указано на возможность существования режимов движения тел со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями без формирования сильных ударных волн, причем необходимое воздействие в принципе можно оказывать со стороны тела (например с борта летательного аппарата). Но выводы этой работы сделаны на основании упрощенных аналитических выкладок в терминах сильных неравенств, что иногда вызывало сомнения в надежности полученных в ней результатов; оставался открытым вопрос о возможности устранения слабых ударных волн.

Вопрос о возможности сверзвукового безударного движения имеет как научную, так и практическую значимость: на удалении от тела, формирующего при движении ударные волны, возникает сильный шумовой эффект, что является одной из основных причин, тормозящих развитие сверхзвуковой гражданской авиации. На формирование ударных волн тратится основная часть тяги двигателя при равномерном горизонтальном полете сверхзвукового летательного аппарата (т. н. волновая компонента лобового сопротивления), и их устранение должно приводить к существенной экономии энергозатрат.

В статье на основании математического моделирования показана возможность полного устранения газодинамических разрывов при сверх-звуковом движении тел. Продемонстрировано многократное (~ 40 раз) снижение волнового сопротивления при сверхзвуковом движении тел в газах. Обнаружены также существенные резервы экономии энергозатрат при соот-ветствующем воздействии на поток (по сравнению с приведенными в [4]), что значительно расширяет перспективы применения безударных режимов.

В [4] сформулированы достаточные условия достижения безударного режима. Они предполагают формирование в воздухе перед телом практически изобарического канала с повышенными значениями скорости звука ns(ns > nn, где nn – скорость полета), чтобы при движении тела ударные волны не возникали. Создать такой канал можно, например, нагревая воздух с помощью бортового источника лучевой энергии. Чтобы расширяющийся при нагреве газ имел (в лабораторной системе координат r, z) практически только радиальную составляющую скорости nr, не превышающую скорость звука в невозмущенном воздухе, область энерговыделения должна иметь форму, достаточно вытянутую по направлению вдоль оси тела z.


Существенно, что давление в квазистационарной стадии практически постоянно по всему расчетному объему (см. рис. 1, в), что характерно для дозвуковых течений, Dр » 0,026 р¥. Таким образом, лобовое волновое сопротивление практически исчезает (точнее, уменьшается в 40–50 раз).

...

Так, для режима рис. 2 энергозатраты на формирование канала и преодоление остаточного волнового сопротивления в 2,4 раза меньше, чем энергозатраты на волновое сопротивление без активного воздействия на поток.

---