Прежде чем перейти к анализу механизма блокирования и отражения тепла, целесообразно остановиться на основных закономерностях конвективного теплообмена на неразрушающейся и непроницаемой поверхности в высокотемпературном химически активном газовом потоке. Попутно будет кратко описана газодинамика течения около затупленного тела при больших скоростях набегающего потока. Течения с большими числами в отличие от дозвуковых течений сопровождаются рядом газодинамических и физико-химических эффектов. Первые приводят к тому, что при обтекании затупленного тела образуется ударная волна, которая отходит от тела, оставаясь в окрестности лобовой точки практически эквидистантной его поверхности. Распределение давления вдоль поверхности тела при больших становится автомодельным, т. е. не зависит от конкретного значения числа. Физико-химические эффекты обусловлены ростом температуры, вызванным торможением газа за ударной волной. При этом происходит переход кинетической энергии набегающего потока в тепловую, возбуждаются колебательные степени свободы молекул газа, начинается его диссоциация и даже ионизация.
Рассматривая газодинамические и физико-химические эффекты в совокупности, обычно разделяют область течения с числами на две: сверхзвуковую и гиперзвуковую. Границу между этими двумя областями обычно устанавливают по началу диссоциации набегающего потока. Заметим, что в атмосферах других планет нижний предел гиперзвукового течения может оказаться иным. Так, на Венере, атмосфера которой представлена в основном С02, течение следует считать гиперзвуковым. На практике приходится встречаться с самыми разнообразными случаями обтекания поверхностей, однако для анализа целесообразно выделить два характерных предельных варианта: течение в окрестности точки торможения затупленного тела и обтекание плоской пластины.
В первом случае интенсивность теплообмена очень велика, скорость обтекания, давление и трение сильно изменяются вдоль поверхности, при этом течение в пограничном слое остается ламинарным. Помимо конвективного теплообмена при больших скоростях полета (свыше 8 км/с) важную роль играет излучение сжатого слоя газов. Во втором случае скорость обтекания поверхности постоянна, изменения в тепловом потоке и трении вдоль пластины достаточно малы,, хотя возможен переход от ламинарного режима течения к турбулентному, сопровождающийся изменениями теплового потока и трения. Решения, полученные для плоской пластины, могут быть приближенно использованы для расчета нагрева боковых поверхностей крыла или корпуса ракеты, лопаток газовых турбин, стенок камеры сгорания, расширяющейся части сопла, а также во всех других случаях с малыми ускорениями потока.
11 июля 2012
