УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ УДАРНО-ВОЛНОВОГО ИМПУЛЬСА
DEVICE FOR SHOCKWAVE GENERATION

Изобретение относится к области испытаний объектов на воздействия воздушных ударных волн и может быть использовано для создания компактных установок типа ударных труб, в которых реализуются ударные волны заданной формы большой длительности (единицы секунд и более).
Одной из проблем создания ударных волн большой длительности в ударных трубах с открытыми торцами является вхождение в волновод ударной трубы волны разрежения из окружающего установку пространства после выхода ударной волны из открытого торца. Эта волна разрежения накладывается на волну, задаваемую источником, и искажает ее форму. Время, в течение которого волна в некотором сечении волновода будет иметь неискаженную заданную источником форму, складывается из времени распространения фронта ударной волны от этого сечения до открытого торца и времени распространения волны разрежения от открытого торца до данного сечения. Для слабых волн величины скоростей распространения ударной волны и волны разрежения имеют значение порядка скорости звука в невозмущенной среде, что для атмосферного воздуха при обычных условиях составляет около 340 м/с. Для моделирования в некотором сечении ударной трубы ударной волны неискаженной формы общей длительностью, например, 1 с расстояние от этого сечения до открытого торца ударной трубы должно быть не менее 170 м. Таким образом, для моделирования ударной волны большой длительности необходимо строить ударные трубы с длинным волноводом. Но и при длинном волноводе волна разрежения от открытого торца приходит в рассматриваемое сечение и создает в нем нежелательные, в большинстве случаев, изменения газодинамических параметров.
Известно устройство для нагружения объектов воздушной ударной волной, содержащее ударную трубу с открытым и закрытым торцами, источник ударной волны, размещенный у закрытого торца ударной трубы, экран для гашения ударных волн, выполненный в виде гибких элементов, закрепленных вертикально и горизонтально на открытом торце ударной трубы. Экран для гашения ударных волн дополнительно содержит заслонки, выполненные в виде перекрывающих поперечное сечение ударной трубы прямоугольных листов, закрепленных на гибких горизонтальных элементах с возможностью поворота относительно них снаружи ударной трубы, причем каждая верхняя заслонка перекрывает часть поверхности следующей нижней заслонки, а внизу каждой заслонки выполнен утяжеляющий ее продольный элемент (см. патент РФ №2217723, MПК 8 G01M 9/00, 7/08, опубл. 27.11.03).
Недостатками данного устройства являются:
- положение заслонок, установленных поперек потока, вызывает поступление внутрь волновода ударной трубы импульсов давления при дифракции на них фронта ударной волны, в результате форма ударной волны в ударной трубе искажается;
- ограниченное быстродействие заслонок и зависимость работы устройства от его ориентации относительно поля тяготения, так как заслонки закрываются под действием силы собственного веса.
Известно устройство для моделирования давления ядерного взрыва, содержащее детонационную камеру с зарядом взрывчатого вещества, соединенную с ударной трубой; перфорированную заглушку, расположенную между детонационной камерой и ударной трубой, и дроссельную заслонку, размещенную в нижней по потоку разрядной части ударной трубы и содержащую серию проволочных экранов, расположенных поперек ударной трубы, причем шаг сетки каждого экрана становится более мелким по направлению к разрядной части ударной трубы (см. патент США №3495455, МПК G01M 9/00, опубл. 17.02.70). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является:
- дроссельная заслонка, содержащая серию проволочных экранов, расположенных поперек ударной трубы, эффективно компенсирует возмущения из окружающего пространства, входящие из атмосферы, только для некоторой фиксированной амплитуды ударной волны в ударной трубе. Для волн с большей амплитудой от заслонки внутрь ударной трубы отражается волна сжатия, для волн с меньшей амплитудой - волна разрежения. В результате форма ударной волны в ударной трубе искажается по сравнению с ударной трубой с бесконечным волноводом.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для формирования ударно-волнового импульса, которое позволяет уменьшить влияние газодинамических процессов в окрестностях открытого торца ударной трубы на параметры волны в ударной трубе с коротким волноводом.
Технический результат: обеспечение неискаженной задаваемой источником формы ударной волны в волноводе ударной трубы при общей длительности ударной волны не ограниченной длиной волновода.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для формирования ударно-волнового импульса, содержащем ударную трубу, источник ударной волны, размещенный на одном торце ударной трубы, заглушка с дроссельными отверстиями, размещенная на другом торце ударной трубы, выполнена в виде оболочки, установленной соосно ударной трубе и выполненной с площадью поперечного сечения, уменьшающейся по направлению распространения ударной волны в ударной трубе.
Дроссельные отверстия могут быть снабжены клапанами, обеспечивающими в каждый момент времени пропорциональность эффективной открытой площади дроссельных отверстий модулю разности между давлениями внутри и снаружи ударной трубы.
Клапаны могут быть выполнены в виде упругих пластин, причем при наличии в ударной волне фазы сжатия в одной группе клапанов пластины установлены с возможностью открывания дроссельных отверстий при давлении внутри ударной трубы, большем чем снаружи нее, а при наличии в ударной волне фазы разрежения в другой группе клапанов пластины установлены с возможностью открывания дроссельных отверстий при давлении внутри ударной трубы, меньшем чем снаружи нее.
От прототипа заявляемое устройство для формирования ударно-волнового импульса отличается тем, что заглушка выполнена в виде оболочки, установленной соосно ударной трубе и выполненной с площадью поперечного сечения, уменьшающейся по направлению распространения ударной волны в ударной трубе.
Дроссельные отверстия могут быть снабжены клапанами, обеспечивающими в каждый момент времени пропорциональность эффективной открытой площади дроссельных отверстий модулю разности между давлениями внутри и снаружи ударной трубы.
Клапаны могут быть выполнены в виде упругих пластин, причем при наличии в ударной волне фазы сжатия в одной группе клапанов пластины установлены с возможностью открывания дроссельных отверстий при давлении внутри ударной трубы, большем чем снаружи нее, а при наличии в ударной волне фазы разрежения в другой группе клапанов пластины установлены с возможностью открывания дроссельных отверстий при давлении внутри ударной трубы, меньшем чем снаружи нее.
Применение в устройстве для формирования ударно-волнового импульса заглушки с дроссельными отверстиями, размещенной на другом торце ударной трубы, выполненной в виде оболочки, установленной соосно ударной трубе и выполненной с площадью поперечного сечения, уменьшающейся по направлению распространения в ней волны, позволяет уменьшить амплитуду отраженных от оболочки заглушки волн, поступающих внутрь волновода ударной трубы за счет менее интенсивного и более растянутого по сравнению с отражением по нормали косого отражения волны от плавно сужающейся оболочки заглушки, причем интенсивность отраженной волны падает также за счет оттока массы газа через дроссельные отверстия в заглушке, в результате уменьшается искажение формы волны внутри волновода ударной трубы.
Снабжение дроссельных отверстий клапанами, обеспечивающими в каждый момент времени пропорциональность эффективной открытой площади дроссельных отверстий модулю разности между давлениями внутри и снаружи ударной трубы, позволяет добиться для волн разной амплитуды одинаковой эффективности компенсации возмущений из окружающего пространства, входящих из атмосферы в волновод ударной трубы, в результате чего форма волны в волноводе ударной трубы не искажается для волн с любой амплитудой, меньшей некоторой предельной, соответствующей максимальному открытию эффективной площади дроссельных отверстий.
Выполнение клапанов в виде упругой пластины позволяет обеспечить пропорциональность эффективной открытой площади дроссельных отверстий модулю разности между давлениями внутри и снаружи ударной трубы за счет того, что упругая пластина клапана открывает эффективную площадь дроссельного отверстия тем больше, чем больше разность между давлением под пластиной клапана и давлением над пластиной клапана, а также позволяет выполнить клапан сколь угодно малым и легким для получения требуемого быстродействия его работы и делает работу устройства независящей от его ориентации относительно поля тяготения.
Установка в одной группе клапанов пластин с возможностью открывания дроссельных отверстий при давлении внутри ударной трубы, большем чем снаружи нее, при наличии в ударной волне фазы сжатия, и установка в другой группе клапанов пластин с возможностью открывания дроссельных отверстий при давлении внутри ударной трубы, меньшем чем снаружи нее, при наличии в ударной волне фазы разрежения, позволяет добиться одинаковой эффективности компенсации возмущений из окружающего пространства, возникающих в ударной трубе как для фазы сжатия в волне внутри ударной трубы, когда давление внутри ударной трубы больше, чем снаружи нее, так и для фазы разрежения в волне внутри ударной трубы, когда давление внутри ударной трубы меньше, чем снаружи нее, а также уменьшить колебания давления, поступающие внутрь волновода ударной трубы из-за собственных упругих колебаний пластин клапанов.
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг.1 представлен продольный разрез устройства для формирования ударно-волнового импульса;
- на фиг.2 представлен разрез заглушки с дроссельными отверстиями;
- на фиг.3 представлена схема клапана на дроссельном отверстии заглушки в процессе его работы.
Устройство для формирования ударно-волнового импульса содержит ударную трубу 1, источник ударной волны 2, размещенный на одном торце ударной трубы 1, и заглушку 3 с дроссельными отверстиями 4, размещенную на другом торце ударной трубы 1. Источник ударной волны 2 выполнен в данном примере в виде поршня 5 с приводом 6.
Заглушка 3 с дроссельными отверстиями 4 выполнена в виде сужающейся оболочки, в данном примере пирамидальной, установленной соосно ударной трубе 1 и выполненной с площадью поперечного сечения, уменьшающейся по направлению 7 распространения ударной волны в ударной трубе 1.
В заглушке 3 выполнены дроссельные отверстия 4, снабженные клапанами, обеспечивающими в каждый момент времени пропорциональность эффективной открытой площади дроссельных отверстий 4 модулю разности между давлениями внутри и снаружи ударной трубы 1.
Клапаны выполнены в виде упругих пластин 8 из пружинящего материала, закрепленных с помощью крепления 11 на стенке заглушки 3 с дроссельными отверстиями 4 так, чтобы в закрытом положении пластина 8 клапана перекрывала дроссельные отверстия 4. При этом в одной группе клапанов 9 пластины 8 установлены с возможностью открывания дроссельных отверстий 4 при давлении внутри ударной трубы 1, большем чем снаружи нее, а в другой группе клапанов 10 - с возможностью открывания дроссельных отверстий 4 при давлении внутри ударной трубы 1, меньшем чем снаружи нее.
Работает устройство следующим образом.
После запуска поршень 5 источника ударной волны 2 начинает двигаться внутри ударной трубы 1, создавая перед собой волну, форма которой определяется законом движения поршня. Когда фронт волны подходит к заглушке 3, волна начинает отражаться от сужающейся стенки заглушки.
Если исходная волна внутри ударной трубы 1 является волной сжатия, то на стенке заглушки 3 давление повышается и внутрь ударной трубы 1 начинают распространяться отраженные волны сжатия. Одновременно, из-за того, что внутри ударной трубы 1 и заглушки 3 давление выше, чем снаружи, пластины 8 группы клапанов 9 отжимаются в приоткрытое положение, открывая дроссельные отверстия 4, а клапаны группы 10 остаются закрытыми. Поток газа истекает наружу ударной трубы 1 через дроссельные отверстия 4 в направлении 12, в результате внутрь ударной трубы 1 из окружающего пространства входят волны разрежения, которые компенсируют волны сжатия, возникшие от отражения исходной волны от сужающейся оболочки заглушки 3.
Если исходная волна внутри ударной трубы 1 является волной разрежения, работа устройства происходит аналогично случаю с волной сжатия, только работает группа клапанов 10, а клапаны группы 9 остаются закрытыми. При отражении исходной волны разрежения от сужающейся оболочки заглушки 3 внутрь ударной трубы 1 распространяются отраженные волны разрежения. Одновременно, из-за того, что внутри ударной трубы 1 и заглушки 3 давление ниже, чем снаружи, пластины 8 группы клапанов 10 отжимаются в приоткрытое положение, открывая дроссельные отверстия 4. Поток газа затекает внутрь ударной трубы 1 через дроссельные отверстия 4 в направлении 12, в результате внутрь ударной трубы 1 из окружающего пространства входят волны сжатия, которые компенсируют волны разрежения, возникшие от отражения исходной волны от сужающейся оболочки заглушки 3.
Из-за упругости пластин 8 эффективная открытая площадь каждого дроссельного отверстия 4 тем больше, чем больше разность между давлением под пластиной клапана и давлением над пластиной клапана, что обеспечивает пропорциональность эффективной открытой площади дроссельных отверстий 4 модулю разности между давлениями внутри и снаружи ударной трубы 1. Благодаря этому обеспечивается одинаковая эффективность компенсации возмущений из окружающего пространства, входящих из атмосферы в ударную трубу 1 для волн с любой амплитудой, меньшей некоторой предельной, соответствующей максимальному открытию эффективной площади дроссельных отверстий 4.
В результате компенсируется влияние окружающей атмосферы на газодинамические процессы внутри ударной трубы, чем обеспечивается неискаженная задаваемая источником форма ударной волны в волноводе ударной трубы при общей длительности ударной волны не ограниченной длиной волновода.