Støtdiamant - Shock diamond

En statisk montert Pratt & Whitney J58- motor på full etterbrenner mens du avhender det siste av SR-71- drivstoffet før programmets avslutning. De lyse områdene i eksosen er kjent som sjokkdiamanter.

Sjokkdiamanter (også kjent som Mach-diamanter , Mach-disker , Mach-ringer , donut-haler eller skyve-diamanter ) er en formasjon av stående bølgemønster som vises i det supersoniske eksosrør i et luftfart fremdriftssystem, for eksempel en supersonisk jetmotor , rakett , ramjet , eller scramjet , når den drives i en atmosfære. Diamantene er dannet fra et komplekst strømningsfelt og er synlige på grunn av brå endringer i lokal tetthet og trykk forårsaket av stående sjokkbølger. Mach-diamanter (eller disker) er oppkalt etter Ernst Mach , fysikeren som først beskrev dem.

Mekanisme

Støtdiamanter bak en Lockheed SR-71 Blackbird under flukten
Støtdiamanter fra en F-16 som tar av med etterbrenneren
En F-22 Raptor med sjokkdiamanter bak seg

Sjokkdiamanter dannes når den supersoniske eksosen fra en fremdrivende dyse er litt for utvidet, noe som betyr at det statiske trykket til gassene som kommer ut fra dysen, er mindre enn det omgivende lufttrykk . Det høyere omgivelsestrykk komprimerer strømmen, og siden den resulterende trykkøkning i avgassstrømmen er adiabatisk , og reduksjon i hastighet fører til at den statiske temperaturen økes betydelig. Dette medfører reignisjon av de uforbrente forbrenningsproduktene i motorens eksos. Eksosen er generelt overutvidet i lave høyder, der lufttrykket er høyere.

Når strømmen går ut av dysen, vil luftens lufttrykk komprimere strømmen. Den eksterne kompresjonen er forårsaket av skrå støtbølger som skråstiller i en vinkel mot strømmen. Den komprimerte strømmen utvides vekselvis av Prandtl-Meyer ekspansjonsvifter , og hver "diamant" dannes ved sammenkobling av et skrått sjokk med en ekspansjonsvifte. Når den komprimerte strømmen blir parallell med midtlinjen, dannes en sjokkbølge vinkelrett på strømmen, kalt en normal sjokkbølge . Den første sjokkdiamanten er plassert her, og mellomrommet mellom den og dysen kalles "sone av stillhet". Avstanden fra dysen til den første sjokkdiamanten kan tilnærmes med

hvor x er avstanden, D 0 er dysediameteren, P 0 er strømningstrykk, og P 1 er atmosfærisk trykk.

Når eksosen går gjennom den normale sjokkbølgen, øker temperaturen, antenner overflødig drivstoff og forårsaker gløden som gjør sjokkdiamantene synlige. De opplyste områdene vises enten som disker eller diamanter , og gir dem navnet sitt.

Til slutt strømmen ekspanderer nok slik at dens trykk er igjen under omgivelsestemperatur, ved hvilket punkt ekspansjons viften reflekteres fra kontakten diskontinuitet (den ytre kanten av strømningen). De reflekterte bølgene, kalt kompresjonsviften , får strømmen til å komprimere. Hvis kompresjonsviften er sterk nok, vil det danne seg en annen skrå sjokkbølge som skaper en andre sjokkdiamant. Mønsteret med skiver vil gjenta seg på ubestemt tid hvis gassene var ideelle og friksjonsfrie. Imidlertid får turbulent skjær ved kontaktens diskontinuitet bølgemønsteret til å forsvinne med avstand.

Diamantmønstre kan på lignende måte dannes når en dyse er underutvidet (utløpstrykk høyere enn omgivelsesområdet), i lavere atmosfæretrykk i større høyder. I dette tilfellet blir ekspansjonsviften først dannet, etterfulgt av det skrå støtet.

Alternative kilder

Støtdiamanter under Masten Space Systems Xoie-raketten under konkurransevinnende landing i Lunar Lander Challenge .

Sjokkdiamanter er ofte forbundet med jet- og rakettframdrift, men de kan dannes i andre systemer.

Blåsinger av naturgassrørledninger

Sjokkdiamanter kan sees under nedblåsninger av gassrørledningen fordi gassen er under høyt trykk og går ut av avblåsningsventilen i ekstreme hastigheter.

Artilleri

Når det skytes ut artilleribiter, kommer gass ut av kanonneven i supersoniske hastigheter og produserer en serie sjokkdiamanter. Diamantene forårsaker en lys snuteblitz som kan utsette plasseringen av pistolplasseringer for fienden. Det ble funnet at når forholdet mellom strømningstrykket og atmosfæretrykket er nær, ble sjokkdiamantene sterkt minimert. Tilsetning av en munningsbrems til enden av munnings balanserer press og hindrer at sjokk diamanter.

Radiostråler

Noen radiostråler , kraftige plasma-jetfly som stammer fra kvasarer og radiogalakser , er observert å ha regelmessige avstandsknuter med forbedrede radioutslipp. Jetene beveger seg i supersonisk hastighet gjennom en tynn "atmosfære" av gass i verdensrommet, så det antas at disse knutene er sjokkdiamanter.

Se også

Merknader

Eksterne linker