Сверхзвуковая аэродинамика

В экспериментальных исследованиях по аэродинамике автоматических космических аппаратов (КА), предназначенных для спуска на поверхность Земли и других планет, исследована структура обтекания и течение в ближнем следе в диапазоне чисел Маха М=0,4–3,5 [1]; получены данные, характеризующие пульсации давления на поверхности аппаратов, используемые для решения вопросов прочности, вибрации и шума при разделении элементов КА и движении в атмосферах планет; выработаны рекомендации для снижения газодинамических и акустических нагрузок при посадке или старте КА [2]; выявлены закономерности возникновения пульсаций донного давления для многосопловых ракетных двигателей; установлены закономерности влияния авторотации оперенных тел на их аэродинамические характеристики; получены фундаментальные результаты в области сверхзвукового обтекания треугольных крыльев [3] и «звездообразных» тел [4-6]. Оценены статическая устойчивость и эффекты аэродинамического демпфирования при сверхзвуковом обтекании тел малого удлинения [7], являющихся моделями современных автоматических КА, например — малой марсианской станции (ММС) по международному проекту Россия-Финляндия.

Экспериментально идентифицировано явление гистерезисного взаимодействия сверхзвукового потока с отрывными структурами в кольцевых кавернах (вырезах) на осесимметричных телах, характеризующееся неоднозначной зависимостью структуры течения от физических параметров внешнего потока, угла атаки и геометрии границ тела [8].

В области аэродинамического гистерезиса отрывное течение газа является неединственным. На этом основана идея [9] эффективного управления перестройкой течения от одного из возможных состояний течения к другому за счет кратковременно действующего локализованного источника возмущений.

Экспериментально и численно исследовано влияние слабого энергоподвода на перестройку режимов сверхзвукового обтекания прямоугольных каверн на поверхности плоских и осесимметричных тел. Показано, что в диапазоне параметров гистерезисного обтекания кратковременный подвод тепла в окрестности дна каверны может вызвать перестройку от замкнутой к открытой схемам обтекания [9-10]. При этом аэродинамическое сопротивление тела может уменьшаться на десятки процентов. Результаты имеют фундаментальное значение, а также важны для ряда приложений.

Дано обобщение задачи о взаимодействии тел с неравномерными сверхзвуковыми потоками, позволившее выявить единый механизм, определяющий, в главном, эффекты влияния тепловой и кинематической неоднородностей. Разработан метод сравнения неоднородных аэродинамических следов в сверхзвуковом потоке, порожденных источниками импульса или энергии. Показано, что способность аэродинамического следа изменять структуру обтекания расположенных вниз по потоку тел определяется, в главном, профилем поперечного распределения неоднородности динамических параметров в ядре следа. Оказалось, что для поддержания динамически эквивалентных неоднородностей в следе за источниками тепла или импульса, более энергозатратным всегда является тепловой источник [11]. Разработан и внедрен в состав инструментов известного пакета программ GasDynamicsTool эффективный метод моделирования течений около источников импульсно-периодического энергоподвода и их воздействия на аэродинамику тел, расположенных в следе за этими источниками [12]. Выявлены асимптотические свойства свободной изобарической области в сверхзвуковом потоке, содержащем канал локализованной газодинамической неоднородности; найден критерий, позволяющий отбирать единственную из совокупности возможных автомодельных конфигураций течения с областью застоя [13].

В результате экспериментальных и численных исследований сверхзвукового обтекания удлиненных осесимметричных тел под углом атаки выявлены режимы, когда на подветренной стороне тела формируется узколокализованное высоконапорное пристенное сверхзвуковое течение, вследствие чего на выступающих элементах конструкции давление на подветренной стороне может превышать по величине давление на наветренной стороне [14-16].

1. The flow behind a blunt body with gas injection / Shvets A. // Fluid Dynamics Transactions, 1973. Vol. 8. P. 73–74.

2. Gas Dynamics of Near Wakes / Shvets A. — Washington: NASA, D.C. 20546, 1977. — 440 p.

3. Аэродинамические характеристики треугольных крыльев при сверхзвуковом обтекании при больших углах атаки / Макшин А. А., Мосин А. Ф., Ульянов Г. С., Фалунин М. П. // Изв. АН СССР. МЖГ, 1968. № 5. С. 154–157.

4. Measurement of the total drag of star-shaped body at hypersonic speeds / Gonor A., Shvets A. // Fluid dynamics Transactions. — Vol. 4. — Pergamon Press, Poland, 1967. — P. 225–229.

5. Аэродинамика несущих тел / Швец А. И. — Киев: «Наукова думка», 1976. — 286 с.

6. Аэродинамика сверхзвуковых форм / Швец А. И. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. — 240 с.

7. Сверхзвуковое обтекание тел малого удлинения / Гувернюк С. В., Зубков А. Ф, Швец А. И. и др. // Вестник Моск. ун-та. Серия 1: Мат. Мех, 2009. № 5. С. 69–71.

8. Экспериментальное исследование трехмерного сверхзвукового обтекания осесимметричного тела с кольцевой каверной / С. В. Гувернюк, А. Ф. Зубков, М. М. Симоненко, А. И. Швец // Изв. РАН, МЖГ, 2014. № 4. С. 136–142.

9. Об управлении гистерезисом сверхзвукового обтекания прямоугольной каверны с помощью теплового импульса / Гувернюк С. В., Синявин А. А. // Успехи механики сплошных сред: к 70-летию академика В. А. Левина. — Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 196–203.

10. Электрический разряд в пограничном слое / С. В. Гувернюк, А. Ф. Зубков, О. Н. Иванов, А. И. Швец // Инженерно-физический журнал, 2012. Т. 85. № 2. С. 288–294.

11. О механизмах влияния источников неоднородности на структуру газодинамических течений / Гувернюк С. В. // Проблемы современной механики: к 85-летию со дня рождения академика Г. Г. Черного. Московский гос. ун-т. Ин-т механики. Под ред. А. А. Бармина. — Изд-во Моск. ун-та, Изд-во «Омега-Л» Москва, 2008. — С. 148–163.

12. Об управлении сверхзвуковым обтеканием тел с помощью пульсирующего теплового источника/ Гувернюк С. В., Самойлов А. Б. // Письма в «Журнал технической физики», 1997. Т. 23. № 9. С. 1–8.

13. Отрывные изобарические структуры в сверхзвуковых потоках с локализованной неоднородностью/ Гувернюк С. В., Савинов К. Г. // Доклады Академии наук, 2007. Т. 413. № 2. С. 188–192.

14. Экспериментальное исследование сверхзвукового трехмерного обтекания осесимметричного тела с кольцевым выступом на поверхности / Симоненко М. М., Зубков А. Ф. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 2018. — № 5 (698). — С. 52–59.

15. On the supersonic three-dimensional flow over an axisymmetric body with a forward-facing annular step / Simonenko M. M., Zubkov A. F., Kuzmin A. G. // AIP Conference Proceedings. — 2018. — Vol. 1959, no. 050031.

16. On the supersonic flow over an axisymmetric step at an angle of attack / Simonenko M. M., Guvernyuk S. V., Kuzmin A. G. // AIP Conference Proceedings. — 2018. — Vol. 2027, no. 030023.