第六百四十二章:超音速扰流难题-《大国院士》
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根据这一理论,亨利·艾伦认为如果航天器表面和激波前沿保持一定的距离,既可以大幅度的降低航天器表面的摩擦温度。
通过这一想法,亨利·艾伦设计出来了钝形的航天器头部,并通过实验和最终的论证,确定了这一理论有效果。
这就是为什么目前各国研究的宇宙飞船、航天飞机、洲际导弹的头部都采用钝头锥体的原因。
因为航天器的钝形头部可以有效地在减速过程中,在艏部推出一个宽大和强烈的激波,并使波前锋远离艏部和周围,就像平头的驳船船首推开的波浪一样。
而这些天来,徐川一直都在搜索翻阅相关的资料和论文,思索着如何进一步的改进亨利·艾伦教授的激波锥理论。
相对比传统的隔热、散热、耐热等材料和技术来看,激波锥理论这是他目前最看好的一条路线。
这是航天飞机极高的速度决定的。
在日常的生活和大部分人所学过的物理中,如果要降低气动阻力,以减少气动加热,那么应该让物体的体积尽量的小。
因为当物体的体积变小时,与空气摩擦面积也将减小。因此,在强调速度和效率的领域中,通常会选择尽可能小的物体设计。
但在航天器上,这一理论是失效的,尤其是在返回再入大气层的过程中,航天器极高的速度使气动加热的升温速度太快,尖锐的头部对减小气动加热的作用微乎其微。
而头锥在时间和空间上受到高度集中的热负荷,根本没有时间散热,将很快被烧毁。
传统的耐热材料或隔热、散热、导热技术只能略微推迟被烧毁的时机,但不能从根本上改变被烧毁的结局。
而激波锥这条路线,更适合极高速度的航天飞机。
办公室中,徐川思索着激波锥相关的理论。
虽然说亨利·艾伦教授的激波锥理论为航天器的钝形头部带来了一定的优化办法,但这个问题依旧存在,且最为核心的数学理论并未解决。
书桌后,思索了一会后,他从抽屉中摸出来了一叠草稿纸,沉吟了一会后划动了手中的圆珠笔。
【∑i=1·/xi(h(φ)φxi)= 0】
这是'超音速扰流问题'的方程组。
简单的来说,当一个飞行体在空气中以超音速的速度飞行时,一般在飞行体前方就会产生一个激波。按相对运动的观点也可理解为,当一个超音速气流越过一个固定物体时,由于物体的阻绕,在物体前方会形成一个激波。
也就是之前所说的航天器头部的激波锥,这个激波锥的形成,将大大改变气流的状态,从而改变物体受力的情况。
研究这种‘超音速气流’受固定物体阻绕后所产生的激波面的位置,以及波后的流场就称为‘超音速绕流’问题。
如果用数学公式来进行表示,一般在空气动力学中通常会使用euler方程或 navier-stokes方程来描写流动。
其在超音速区域中为双曲型方程,而在亚音速区域中为椭圆型方程。
而对这个方程进行研究,对于现代高速飞行技术的发展,超音速扰流问题方程组的解是至关重要的。
但遗憾的是,由于流场内流体速度的分布是未知的,所以从双曲型方程变化到椭圆型方程的变型线也是未知的,再加上流体运动方程是非线性的
各种复杂的因素累积起来,导致数学家们在研究这个方程组,在数学分析的处理上时,会涉及非线性、混合型、自由边界、整体解等等在偏微分方程理论中普遍认为是最困难的因素。
所以是对于钝头物体超音速绕流问题,由于方程的变型不可避免,至今无论是关于解的存在性、稳定性或是关于解的结构等都缺乏数学理论已严格证明的结果。
其难度虽然没有ns方程和欧拉方程高,但数学界对其至今没有多大的研究进展足以证明了它的困难。
盯着草稿纸上的公式,徐川陷入了沉思中。
钝头物体超音速绕流问题要想进行推导,以他的数学直觉来说,最好的方式并不是直接进行处理。
它是从欧拉方程和ns方程演变而来的偏微分方程组,要对其进行解决的话,以他目前的数学直觉来看,最好先对其做进一步的分解。
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