To site sastya.gr για την καλύτερη περιήγηση σας χρησιμοποιεί cookies.

21
Δεκ

Mach Diamonds (Τα διαμάντια του Ernest Mach)

 Γράφει ο Μάρκος Κωνσταντίνου, Σγος ε.α (22ας Σειράς)

“Diamonds are the girl’s best friend”!


Βλέπουμε σε ειδήσεις, πολεμικά αεροπλάνα να απογειώνονται ή απονηώνονται από αεροπλανοφόρα για νυχτερινές επιχειρήσεις, αφήνοντας πίσω τους μια μεγάλη φωτεινή φλόγα υπερηχητικής εκροής που κάποιες φορές έχει -όπως στις φωτογραφίες- ένα όμορφο μοτίβο από διαδοχικούς φωτεινούς δίσκους ή “διαμάντια” ή “Chock Disks-Diamonds” ή “Mach Disks- Diamonds” προς τιμή του φυσικού Ernest Mach που πρώτος τα παρατήρησε.

Η φωτεινή φλόγα προέρχεται από μια επιπρόσθετη καύση (εκτός βασικού κινητήρα) και ονομάζεται “Μετάκαυση” ή “Afterburner” ‘η “Reheat” στον αγωγό εξαγωγής όπου ψεκάζεται τριπλάσια ροή καυσίμου που καίγεται με δευτερεύουσα ροή αέρος του κινητήρα και προσφέρει σημαντική αύξηση κυρίως ταχύτητας ροής που δίνει 25-30% παραπάνω ώση για λίγο ...στην απογείωση και στη μάχη ας πούμε. Αλλά πως αλήθεια δημιουργούνται αυτά τα όμορφα φωτεινά διαμάντια στα εξερχόμενα υπερηχητικά καυσαέρια, πέραν της φωτεινής γλώσσας εκροής σχήμα 1.

Σχήμα 1

sxed1      sxed1a


Το φαινόμενο των ‘διαμαντιών” εμφανίζεται όποτε η στατική πίεση της υπερηχητικής εκροής των εξερχομένων καυσαερίων είναι διαφορετική της ατμοσφαιρικής πίεσης. Σε μικρά ύψη όπως σε απογείωση η στατική πίεση των εξερχομένων καυσαερίων είναι μικρότερη της ατμοσφαιρικής, ή συνθήκη (υπερ-εκτόνωσης ακροφυσίου). Σε αυτή τη περίπτωση η μικρότερη στατική πίεση της ροής των καυσαερίων συνθλίβεται από την εξωτερική προς τα μέσα! Αυτή η συμπίεση επιφέρει αύξηση της πίεσης. Αυτό δημιουργεί πίεση μεγαλύτερη της ατμόσφαιρας. Σαν αποτέλεσμα η ροή διαστέλλεται εκτωνούμενη για να ρίξει την πίεση πάλι κάτω της ατμοσφαιρικής. Αυτή η διαδικασία συμπίεσης και εκτόνωσης επαναλαμβάνεται περιοδικά και συνεχώς μειούμενη λόγω απωλειών, μέχρι να εξισωθούν οι πιέσεις έσω έξω της ροής.
Ο τρόπος με τον οποίον αυτές οι συμπιέσεις και εκτονώσεις επιτυγχάνονται προέρχεται από διαφορετικού είδους κύματα που αποτελούν τη βάση της “υπερηχητικής δυναμικής ρευστών”. Έχουμε τα “πλάγια” και “κάθετα” κύματα και επίσης τα κύματα πίεσης και εκτόνωσης κατά “Prandtl-Meyer”. Για καλύτερη κατανόηση αυτών των κυμάτων ας δούμε πως δημιουργείται ένα “διαμάντι κρούσης” όταν για παράδειγμα η στατική πίεση ροής καυσαερίων είναι μικρότερη της ατμοσφαιρικής (όπως συμβαίνει σε χαμηλά ύψη ...π.χ. στην απογείωση) όπως το σχήμα 2.

Σχήμα 2

sxed2


Εξερχόμενη η ροή απ’ το ακροφύσιο “Nozzle” εξαγωγής του κινητήρα, κινείται παράλληλα στον διαμήκη άξονα και αμέσως περιβάλλεται από την μεγαλύτερη ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή η εξωτερική πίεση συμπιέζει τη ροή προς το εσωτερικό της και το κατορθώνει αυτό με “πλάγια” κύματα κρούσης “oblique shock waves” Κάθε κύμα κρούσης δημιουργεί μεταβολή των πιέσεων σε μια ροή, μια αύξηση σε αυτή τη περίπτωση. Ο ορισμός “πλάγιο κύμα κρούσης” παρέχεται επειδή παρουσιάζει κλήση (γωνία) σε σχέση με την διεύθυνση της ροής που διέρχεται μέσω αυτού. Το κάθετο κύμα κρούσης “normal shock wave” (κόκκινο στο σχήμα) είναι το κύμα κρούσης κάθετο προς τη ροή που διέρχεται. Αυτό το κάθετο κύμα μπορείς να το διακρίνεις στο σχήμα να εμφανίζεται όποτε η ροή ευθυγραμμίζεται με τον διαμήκη άξονα του κινητήρα. Αυτό το κάθετο κύμα κρούσης δημιουργεί τον δακτύλιο ή διαμάντι Mach. Περνώντας η ροή δια μέσω των διαμαντιών ή δακτυλίων η θερμοκρασία καυσαερίων αυξάνεται απότομα αναφλέγοντας ότι καύσιμα υπολείμματα έχουν παραμείνει στα καυσαέρια όπως μονοξείδιο άνθρακα (αιθάλη) για παράδειγμα και οξυγόνο απ’ την δευτερεύουσα ροή ψύξης πχ του κινητήρα. Αυτή η καύση είναι που παράγει το φαινόμενο στο θέμα μας. Όπως το πλάγιο κύμα, και το κάθετο κύμα αυξάνει την πίεση των καυσαερίων και επειδή η ροή είναι πολύ συμπιεσμένη, ήδη η πίεση της γίνεται μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής. Σαν αποτέλεσμα η ροή αρχίζει να φουσκώνει διογκούμενη στην προσπάθεια να εξισωθεί με αυτήν του περιβάλλοντος. Αυτό γίνεται με μια σειρά κυμάτων εκτόνωσης “expansion waves” τα οποία ανακλούνται χτυπώντας το “free jet boundary” οριακό στρώμα ελεύθερης ροής, μεταξύ ρεύματος καυσαερίων και εξωτερικής πίεσης και επιστρέφουν προς το εσωτερικό προς τον διαμήκη άξονα. Αυτά τα κύματα κάνουν τη ροή να στραφεί προς τα έξω ενάντια στην ατμοσφαιρική πίεση και εκτονούμενα μειώνουν έτσι την πίεση. Τα κύματα εκτόνωσης παράλληλα ενεργοποιούν τα “δίδυμα” τους κύματα συμμετρικά απ’ την αντίθετη πλευρά του ακροφυσίου στον διαμήκη και ανακλούνται πίσω προς το οριακό στρώμα ελεύθερης ροής αέρος. Όταν το ρεύμα περάσει μέσα από αυτά τα ανακλώμενα κύματα στρέφει παράλληλα προς τον διαμήκη και μειώνει τη πίεση πάλι. Αυτά τα δίδυμα σετ κυμάτων κατευθυνόμενα προς τα έξω, αναφέρονται σαν δέσμες κυμάτων εκτόνωσης. Οι δέσμες κυμάτων εκτόνωσης “expansion fan” μειώνουν την στατική πίεση ροής, αλλά τώρα είναι μικρότερη της ατμοσφαιρικής πάλι. Όταν τα κύματα εκτόνωσης, φτάσουν στον φλοιό της ροής με το ελεύθερο ρεύμα ροής αέρος, ή την ασυνέχεια επαφής “contact discontinuity” όπως αποκαλείται, πάλι ανακλώνται πίσω προς τον διαμήκη σαν κύματα συμπίεσης “Pressure waves” και δέσμη κυμάτων συμπίεσης πια. Αυτά τα κύματα συμπίεσης υποχρεώνουν τη ροή σε συμπίεση προς το εσωτερικό πάλι και αυξάνουν την πίεση της. Αν τα κύματα συμπίεσης είναι αρκετά ισχυρά, τότε διαμορφώνουν ένα πλάγιο κύμα κρούσης που καταλήγει σε ένα κάθετο κύμα δημιουργώντας ένα ακόμη “διαμάντι” όμοιο με αυτό στην έξοδο ακροφυσίου του κινητήρα που είδαμε πρωτύτερα. Αυτή η σειρά των κυμάτων συμπίεσης και κρούσης αυξάνει τη πίεση πάνω της ατμοσφαιρικής κάνοντας μια νέα δέσμη εκτόνωσης να εμφανιστεί και επανάληψη. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι εξίσωσης των πιέσεων με ατμόσφαιρα και δημιουργούν αυτή τη σειρά φωτεινών φαινομένων σαν δίσκους ή διαμάντια στην φλόγα υπερηχητικής εξαγωγής αεροσκαφών ή πυραύλων.

Σχήμα 3

sxed3


Παρόμοια συμβαίνει και όταν έχουμε στατική πίεση υπερηχητικής εκροής καυσαερίων μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής δηλαδή συνθήκη (υπο-εκτόνωσης ακροφυσίου) όπως σε μεγάλα ύψη σχήμα 3. Η σειρά των φαινομένων συμπίεσης και εκτόνωσης είναι όμοια όπως περιγράψαμε πιο πάνω εκτός του ότι αρχίζει με δημιουργία δέσμης κυμάτων εκτόνωσης αντί για πλάγιο κύμα. Αυτή η συμπεριφορά κάνει τη ροή να φουσκώνει αμέσως μετά το ακροφύσιο αντί να συμπιέζεται προς τα μέσα. Ανεξάρτητα απ τη σειρά των γεγονότων οι εναλλασσόμενες εκτονώσεις και συμπιέσεις έχουν αποτέλεσμα την δημιουργία των δίσκων ή διαμαντιών του Mach! Ίσως η πιο φημισμένη φωτογραφία των διαμαντιών του Mach είναι αυτή απ την πτήση του Chuck Yeager που με το πυραυλοκίνητο αεροσκάφος Χ-1 (σχήμα 4) έσπασε για πρώτη φορά το φράγμα του ήχου αφήνοντας πίσω με τα υπερηχητικά καυσαέρια τα περίφημα “διαμάντια του Mach”

Σχήμα 4

sxed4

Σαν επίλογο να προσθέσω πως ...φυσικό είναι τόσο περίπλοκα φαινόμενα που απαιτούν καλή γνώση μηχανικής ρευστών και θερμοδυναμικής να αποτελούν ευθεία πρόκληση έως και “ιεροσυλία” για κάποιον να προσπαθεί να τα περιγράψει σε μια ανάρτηση λίγων γραμμών απλουστευμένα σε ευρύτερο κοινό, αλλά όπως πάντα, σκοπό έχει να ερεθίσει ένα νέο να ψάξει περισσότερο και να ανακαλύψει έναν ολόκληρο πλούτο διαθέσιμο ...upon request όπως και σχετική βιβλιογραφία!

Share this post

Διαβάστηκε 108 φορές