Обычные капли воды становятся опасными для аппаратов на сверхзвуковой скорости
Инженеры Бостонского университета исследуют механизм, из-за которого обычные капли воды могут серьёзно повреждать поверхность сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов. Компьютерное моделирование и эксперименты показывают, что при взаимодействии с ударной волной капля не просто деформируется снаружи — внутри неё могут возникать процессы кавитации, способные повлиять на то, как она разрушается перед столкновением с корпусом.
На обычных скоростях столкновение с дождевой каплей почти незаметно. Но с ростом скорости резко увеличивается энергия удара. Для аппаратов, летящих в несколько раз быстрее звука, множество таких столкновений может вызывать эрозию покрытия, образование углублений и повреждение материалов.
Исследовательская группа под руководством Шерил Грейс из Бостонского университета пытается точнее описать этот процесс. Такие расчёты необходимы для оценки того, в каких погодных условиях высокоскоростной аппарат может безопасно лететь и какие материалы лучше использовать для его внешней оболочки.
До сих пор многие модели разрушения капель в основном рассматривали процессы на их поверхности — например, взаимодействие жидкости с окружающим потоком воздуха и развитие неустойчивостей, которые заставляют каплю растягиваться и распадаться.
Исследователи предполагают, что этого недостаточно. Внутри капли могут находиться микроскопические газовые включения. Когда через неё проходит резкий перепад давления, такие пузырьки способны быстро расширяться и сжиматься. Этот процесс называется кавитацией.
Кавитация хорошо известна в гидродинамике — например, она может разрушать гребные винты и элементы насосов. Однако её возможную роль непосредственно внутри дождевой капли при взаимодействии с ударной волной высокоскоростного аппарата начали подробно изучать сравнительно недавно.
Ударная волна формируется перед аппаратом, движущимся быстрее скорости звука. Поэтому капля может начать деформироваться и разрушаться ещё до непосредственного столкновения с корпусом. Насколько сильно она раздробится и с какой скоростью её фрагменты ударят по поверхности, влияет на конечную нагрузку на материал.
В предыдущих расчётах группы моделировались капли диаметром около 2 миллиметров при воздействии ударных волн, соответствующих скоростям примерно Мах 2,4 и Мах 5. Результаты показали, что влияние кавитации зависит от условий и может существенно меняться с ростом интенсивности ударной волны.
Другие эксперименты проводились в ударной трубе с каплями размером примерно 1–3 миллиметра. Исследователи использовали высокоскоростную съёмку и сравнивали обычную воду с дегазированной водой, чтобы определить, влияют ли содержащиеся в жидкости газовые включения на характер разрушения капель.
В 2026 году команда продолжила работу, применяя более сложные компьютерные модели. Исследователи сравнивают различные методы расчёта, поскольку моделирование одновременно должно учитывать сильную ударную волну, движение нескольких сред, поверхность жидкости и микроскопические газовые пузырьки.
Для таких расчётов используется вычислительный кластер Бостонского университета. Аспирантка Ребекка Шеннон и студентка Река Сандем сопоставляют результаты разных численных моделей, чтобы определить, какие наблюдаемые эффекты действительно отражают физику процесса, а какие могут возникать из-за особенностей вычислительного метода.
Цель проекта — создать более точную модель взаимодействия дождя с высокоскоростными аппаратами. Она потенциально позволит инженерам лучше оценивать нагрузку на корпус, разрабатывать устойчивые покрытия и точнее определять допустимые погодные условия для запуска или полёта.
Такие расчёты могут быть полезны для возвращаемых космических аппаратов, гиперзвуковых систем и будущих сверхзвуковых самолётов. Особенно важно понимать поведение капель при прохождении нижних слоёв атмосферы, где аппарат может одновременно двигаться с высокой скоростью и сталкиваться с облаками или осадками.
При этом нынешняя пока не означает, что исследователи уже создали новое защитное покрытие или установили точный предел скорости, после которого отдельная капля неизбежно повреждает корпус. Учёные продолжают выяснять, насколько большую роль кавитация играет в разрушении капель и как получившиеся фрагменты затем взаимодействуют с поверхностью летательного аппарата.