Глава 639. Проблема сверхзвуковой турбулентности •
После проверки практичности космического челнока Синхай, проектирование и строительство второго космического челнока также было включено в повестку дня.
По сравнению с космическими челноками, спроектированными и построенными как Советским Союзом, так и США во время холодной войны в прошлом веке, преимущества Синхая действительно слишком велики, не будет преувеличением сказать, что это качественный скачок.
Но несмотря на это, вес груза, который может нести сам Синхай, или, другими словами, количество материалов, которое он может поднять, преодолевая гравитационный колодец, все еще ограничено.
Судя по данным испытаний и тестов многочисленных беспилотных полетов Синхая, он может нести не более пятидесяти тонн, точнее, 48,75 тонны материалов, преодолевая гравитационный колодец и выходя в открытый космос.
Эти данные несколько меньше и имеют погрешность по сравнению с более чем шестьюдесятью тоннами, рассчитанными ранее с помощью совместного моделирования аэрокосмического двигателя и миниатюрного термоядерного реактора.
Но это нормально, ведь предыдущие смоделированные данные были основаны на суперкомпьютере и практически идеальных условиях. А на самом деле конструкция Синхая не идеальна, будь то крыло или баланс аэродинамических сил, все это требует постепенной оптимизации и корректировки после экспериментов.
Способность перемещения на околоземную орбиту около пятидесяти тонн, для развития космонавтики, эта полезная нагрузка не мала, но и не так уж велика.
Ведь полезная нагрузка традиционных ракет-носителей на химическом топливе, если они большие и сверхтяжелые, например, Чанчжэн-9 или BFR компании SpaceX, начинается с нескольких сотен тонн.
Проектирование и строительство второго космического челнока, с одной стороны, призвано восполнить пробел в полезной нагрузке Исследовательского института Синхай в аэрокосмической области и увеличить возможности космических перевозок.
Два космических челнока, если речь идет о пилотируемой высадке на Луну или строительстве базы на поверхности Луны, их способность перевозить материалы не 50 тонн + 50 тонн, а намного больше, чем 50 + 50.
Учитывая объем и размер грузового отсека космического челнока Синхай, а также отсутствие гравитации и сопротивления воздуха в открытом космосе, Синхай может за один раз перевезти сотни тонн материалов на Луну.
В этом случае можно заставить два космических челнока взаимодействовать друг с другом. Первый сначала доставляет материалы в космос, выходит на околоземную орбиту и корректирует свою орбиту, а затем второй космический челнок доставляет материалы для пополнения запасов.
Этот способ аналогичен стыковке космической станции и космического грузового корабля для передачи материалов.
Это одна из главных причин проектирования и строительства второго космического челнока.
А другая важная причина - это "межзвездное спасение"!
Такие фильмы о космосе, как "Марсианин" и "Гравитация", наверняка всем знакомы, в них рассказывается о межзвездном спасении.
В современной космонавтике, раз уж можно подняться в космос, то, естественно, будут учитываться ситуации, когда космонавты оказываются в ловушке в открытом космосе, и у всех крупных космических держав есть соответствующие методы "космического спасения".
Но из-за ограничений в различных технологиях, это слишком сложно реализовать.
А Синхай, использующий электрореактивное движение, отличается. По сравнению с традиционными космическими аппаратами, у которых нет мощности и запаса хода после выхода в открытый космос, он может не только завершить полет в кратчайшие сроки, но и обладает достаточной способностью регулировать орбиту в открытом космосе.
Космический челнок нового поколения с электрореактивным двигателем, использующий миниатюрный термоядерный реактор и аэрокосмический двигатель в качестве функциональной и двигательной системы, не имеет проблем с мощностью и запасом хода.
Он может сделать так, что даже если спасательная стыковка не удастся бесчисленное количество раз, он сможет снова и снова корректировать свою орбиту и возвращаться к космическому кораблю, у которого возникли проблемы, чтобы завершить спасательную операцию.
С другой стороны, в Исследовательском институте Синхай.
Передав всю работу, связанную с космонавтикой, Вэн Юньцзуну, Сюй Чуань вернулся в свой кабинет, размышляя о том, как решить проблему высокой температуры и теплового барьера, с которыми сталкивается космический челнок при возвращении в атмосферу.
Это проблема мирового масштаба, которая существует с тех пор, как в прошлом веке началась космическая гонка между Советским Союзом и США, или, можно сказать, с тех пор, как человечество разработало первый космический аппарат, способный выйти в космос.
За десятки лет развития, хотя исследователи и ученые в области космонавтики придумали бесчисленное количество способов, но так и не смогли решить эту проблему.
Конечно, соответствующие идеи и методы улучшения, естественно, есть.
И самый известный из них - это теория ударной волны, предложенная профессором Генри Алленом, физиком из NACA (предшественника НАСА).
В 1951 году Генри Аллен в ходе секретных внутренних исследований обнаружил, что космический аппарат, возвращающийся в атмосферу на высокой скорости, создает сильный эффект сжатия воздуха в передней части.
То есть, когда космический челнок возвращается, головная часть самолета образует в передней части атмосферы зонтичный конус ударной волны, плотность воздуха на переднем крае ударной волны резко возрастает, и в конечном итоге образует движущуюся стену перед космическим аппаратом, а космический аппарат движется в кильватере конуса ударной волны.
Проще говоря, можно понимать так, что когда космический челнок возвращается, самая высокая температура не у самого космического челнока, а у "конуса ударной волны", образующегося в головной части космического челнока.
А "аэродинамический нагрев" в основном возникает из-за сжатия и трения между передним краем ударной волны и статическим воздухом впереди.
Основываясь на этой теории, Генри Аллен считал, что если поверхность космического аппарата и передний край ударной волны будут находиться на определенном расстоянии, то можно значительно снизить температуру трения поверхности космического аппарата.
Благодаря этой идее Генри Аллен разработал тупую головную часть космического аппарата и с помощью экспериментов и окончательных доказательств подтвердил, что эта теория работает.
Вот почему головные части космических кораблей, космических челноков и межконтинентальных ракет, исследуемых в настоящее время в разных странах, имеют тупую коническую форму.
Потому что тупая головная часть космического аппарата может эффективно выталкивать широкую и сильную ударную волну в носовой части во время замедления, и заставлять фронт волны удаляться от носовой части и окружающей среды, подобно тому, как волна отталкивается от носовой части плоскодонной баржи.
И в эти дни Сюй Чуань искал и просматривал соответствующие материалы и статьи, размышляя о том, как еще больше улучшить теорию конуса ударной волны профессора Генри Аллена.
По сравнению с традиционными теплоизоляционными, теплоотводящими, термостойкими материалами и технологиями, теория конуса ударной волны - это направление, которое он в настоящее время считает наиболее перспективным.
Это определяется чрезвычайно высокой скоростью космического челнока.
В повседневной жизни и в физике, которую изучало большинство людей, если вы хотите уменьшить аэродинамическое сопротивление, чтобы уменьшить аэродинамический нагрев, то вы должны сделать объем объекта как можно меньше.
Потому что, когда объем объекта уменьшается, площадь трения с воздухом также уменьшается. Поэтому в областях, где важны скорость и эффективность, обычно выбирают конструкцию объекта как можно меньшего размера.
Но на космическом аппарате эта теория не работает, особенно во время возвращения в атмосферу, чрезвычайно высокая скорость космического аппарата делает скорость повышения температуры аэродинамического нагрева слишком высокой, а заостренная головная часть мало влияет на уменьшение аэродинамического нагрева.
А головной конус подвергается высококонцентрированной тепловой нагрузке во времени и пространстве, у него просто нет времени на рассеивание тепла, и он быстро сгорит.
А путь конуса ударной волны больше подходит для космических челноков с чрезвычайно высокой скоростью. В кабинете Сюй Чуань размышлял о теории, связанной с конусом ударной волны.
Хотя теория конуса ударной волны профессора Генри Аллена принесла определенную оптимизацию тупой головной части космического аппарата, эта проблема все еще существует, и самая основная математическая теория не решена.
За письменным столом, немного подумав, он достал из ящика стопку черновиков и, немного поразмыслив, провел шариковой ручкой.
【∑i=1·/xi(h(φ)φxi)= 0】
Это система уравнений "проблемы сверхзвуковой турбулентности".
Проще говоря, когда летательный аппарат летит в воздухе со сверхзвуковой скоростью, обычно перед летательным аппаратом образуется ударная волна. С точки зрения относительного движения, это также можно понимать так: когда сверхзвуковой поток воздуха обтекает неподвижный объект, из-за сопротивления объекта перед объектом образуется ударная волна.
То есть, ранее упомянутый конус ударной волны в головной части космического аппарата, образование этого конуса ударной волны значительно изменит состояние воздушного потока, тем самым изменив ситуацию с силами, действующими на объект.
Изучение положения поверхности ударной волны, образующейся после того, как сверхзвуковой поток воздуха встречает сопротивление неподвижного объекта, а также поля течения за волной называется проблемой "сверхзвукового обтекания".
Если использовать математическую формулу для выражения, то обычно в аэродинамике для описания течения используются уравнения Эйлера или уравнения Навье-Стокса.
Они являются гиперболическими уравнениями в сверхзвуковой области и эллиптическими уравнениями в дозвуковой области.
И изучение этого уравнения имеет решающее значение для развития современных технологий высокоскоростного полета, решение системы уравнений проблемы сверхзвуковой турбулентности.
Но, к сожалению, поскольку распределение скорости жидкости во внутреннем поле течения неизвестно, линия перехода от гиперболического уравнения к эллиптическому уравнению также неизвестна, плюс уравнения движения жидкости нелинейны.
Накопление различных сложных факторов приводит к тому, что математики при изучении этой системы уравнений, при математическом анализе, сталкиваются с нелинейностью, смешанным типом, свободной границей, общим решением и т. д., которые в теории дифференциальных уравнений в частных производных повсеместно считаются самыми сложными факторами.
Поэтому для проблемы сверхзвукового обтекания тупого тела, из-за неизбежности изменения уравнения, до сих пор нет строго доказанных результатов математической теории, будь то о существовании решения, стабильности или о структуре решения.
Хотя ее сложность не так высока, как у уравнений Навье-Стокса и уравнений Эйлера, но тот факт, что математическое сообщество до сих пор не добилось больших успехов в ее изучении, доказывает ее сложность.
Уставившись на формулу на черновике, Сюй Чуань задумался.
Чтобы вывести проблему сверхзвукового обтекания тупого тела, по его математической интуиции, лучший способ - это не обрабатывать ее напрямую.
Это система дифференциальных уравнений в частных производных, полученная из уравнений Эйлера и уравнений Навье-Стокса, и чтобы решить ее, по его нынешней математической интуиции, лучше сначала сделать ее дальнейшее разложение.
Конечно, такая идея есть не только у него, многие математики делают это, просто у всех разное понимание и угол зрения.
Поразмыслив некоторое время, Сюй Чуань продолжил писать, преобразуя систему уравнений трехмерного невязкого сжимаемого стационарного течения в краевую задачу с фиксированными границами, и делая дальнейшее преобразование.
"...тогда: в трехмерном пространстве oxyz задана кривая i: x h(z), y=g(z) и задана поверхность крыла с i в качестве передней кромки, ∑y=ψ(x, z)."
"Когда набегающий поток сверхзвуковой, возникает ударная волна s+:y=p, прикрепленная к передней кромке, и при обсуждении только локального решения вблизи начала координат, имеем μ·f/x-u+w·f/z=0, и на y=f(x, y)"
Шариковая ручка в руке непрерывно опускалась на чистый лист бумаги, Сюй Чуань погрузился в процесс, постоянно расширяя свое мышление.
Хотя обычно он руководит и обучает своих студентов, а также преподает в Нанкинском университете, чтобы поддерживать активность в математике, но, честно говоря, он уже давно не занимался таким сосредоточенным и глубоким размышлением о математике.
Первоначально Сюй Чуань думал, что ему потребуется несколько дней, чтобы полностью восстановить свое чувство математики, но неожиданно, когда была написана первая строка формулы, мысли, скрытые в его голове, снова ожили.
Это похоже на мышечную память, нет, для описания этого чувства, возможно, больше подойдет инстинкт, запечатленный в ДНК, когда он разлагал и выводил проблему сверхзвукового обтекания тупого тела, математические знания в его голове оживали, как текущая вода.
Каждое преобразование, разложение, скручивание, обработка, естественно и плавно, как дыхание.
Время шло медленно, и когда последняя строка формулы была написана на черновике, на рабочем столе уже лежала куча исписанных листов.
Отложив шариковую ручку, Сюй Чуань посмотрел на выведенную им формулу.
【||(un+2-un+1，φm+2-φm+1)||e〃n-1(t)≤ct||(un+1-um，φm+1-φm)||】
Когда t достаточно мало, {(um, φm в e〃n-1, его предел является решением (7)-(9), а затем к исходной метке получается существование локального решения.
Поскольку в доказательстве теоремы n может быть сколь угодно большим, это решение является c∞ и гладким!
Промежуточный результат по проблеме сверхзвукового обтекания тупого тела был завершен в его руках.
Весь процесс был невероятно плавным, как будто чистый ручей, гладкий, как нефрит, извивающийся и текущий.
Даже он сам был немного удивлен этим.
Ведь он уже давно не занимался математическими исследованиями.
И любая вещь, если ее отложить на некоторое время, то, чтобы вернуться в форму, обязательно потребуется время, это точно.
Это похоже на то, как обычные люди играют в игры: если долго не играть в игру, то, когда снова возьмешься за нее, состояние ухудшится, а уровень упадет, это точно.
Для ученого, когда он слишком долго не занимается своей профессиональной областью, его первоначально освоенные навыки постепенно ослабевают.
Это также причина, по которой большинство исследователей или ученых не могут сидеть без дела.
Даже многие, кто уже вступил в преклонный возраст, как его наставники, профессор Делинь и профессор Виттен, до сих пор занимаются научными исследованиями именно потому, что не могут вынести, как знания, которыми они когда-то владели, утекают из их головы.
Но в сегодняшнем математическом выводе Сюй Чуань почувствовал, что он как будто пропустил процесс восстановительной тренировки, мысли в его голове непрерывно поддерживали его движение вперед.
Даже несмотря на то, что уравнения Навье-Стокса были решены ранее, он все равно не мог поверить, что смог так легко добиться промежуточного результата по проблеме сверхзвукового обтекания тупого тела.