СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НАГРУЖЕННОГО ЧАСТИЦАМИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
METHOD AND DEVICE FOR GENERATING HEAT CURRENT LOADED WITH PARTICLES

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для генерирования нагруженного частицами теплового потока с целью характеристики материалов, подвергающихся сильным внешним термическим воздействиям.
Известно, что космические аппараты, такие как зонды, подвергаются различным агрессивным воздействиям (микрометеориты, ультрафиолетовые и ионизирующие излучения и т.д.). Особенно сильным агрессивным воздействиям конструкция такого зонда подвергается во время прохождения через атмосферу. Действительно, в этом случае зонд подвергается абразивно-термическим агрессивным воздействиям, связанным с присутствием твердых или жидких частиц в атмосфере планеты и со скоростью спуска этих аппаратов. Эти агрессивные воздействия являются особенно чувствительными во время спуска космического челнока в околоземную атмосферу, так как она рассеивает его кинетическую энергию, позволявшую ему оставаться на низкой орбите, за счет трения с воздухом атмосферы. Эти абразивно-термические агрессивные воздействия проявляются также в двигательных установках, таких как твердотопливные ракетные двигатели, которые содержат в своей реактивной струе относительно большую часть частиц глинозема.
В этой связи очень важно иметь возможность моделировать эти внешние факторы в лабораторных условиях, чтобы путем испытаний и моделирования изменить поведения материалов или объектов, таких как теплозащитное покрытие, предназначенное служить конструктивному элементу защитным экраном при спуске космического корабля или еще и расходящейся части сопла.
До настоящего времени для характеристики материалов применялись очень горячие газы, температура которых может достигать или превышать 3000°С, на небольших образцах, располагаемых соответствующим образом, например, по «месту полного торможения», то есть когда газы попадают перпендикулярно на поверхность образцов, или по «наклонной плоскости», то есть когда газы обдувают поверхность образцов по существу по касательной.
Эти газы обычно генерируют либо при помощи источников типа источников тлеющего разряда, либо при помощи источников индуктивно-связанной плазмы. Чем больше энергия этих источников, тем выше их способность давать очень горячий газ в большом количестве в контролируемом и постоянном режиме для осуществления испытаний на характеристических образцах, то есть на образцах большого размера.
Эти методы моделирования внешних сред показали себя достаточно удовлетворительными для разработки систем ракет-носителей и космических зондов, известных до настоящего времени.
Вместе с тем, постоянное стремление к оптимизации конструкций, применяемых в космических аппаратах, например, для получения конструктивных элементов, имеющих все большую устойчивость к механическим и/или термическим нагрузкам при минимальной массе, требует более тщательного подхода к этим методам моделирования с целью характеристики этих конструкций.
Действительно, известные методы моделирования не учитывают или не надлежащим образом учитывают абразивные явления под действием твердых или жидких частиц, присутствующих либо на планетах, имеющих атмосферу, либо в вышеупомянутых твердотопливных ракетных двигателях.
Из патента US 3893335 (Jonhson et al.) известно устройство, предназначенное для моделирования условий спуска в атмосферу, нагруженную частицами. Это устройство создает горячий воздушный поток, генерируемый дуговой плазмой в сопле, при этом поток на выходе из этого сопла направляется на анализируемый образец. Чтобы «нагрузить» этот поток частицами, в горячий воздушный поток на выходе этого сопла инжектируют частицы с высокой скоростью, достигающей примерно 6000 м/с. Однако эти частицы ускоряются независимо от горячего воздушного потока со скоростью, определяемой оператором. Поэтому такой метод моделирования требует наличия особенно сложных и габаритных средств для ускорения твердых частиц до таких скоростей, а также создает проблемы смешивания двух газовых потоков, имеющих скорость, намного превышающую сверхзвуковую.
nd
Из документа «Mars entry simulation with dust using an inductively heated generator», 22 Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, 2002, AIAA 2002-3237, также известно устройство моделирования, использующее источник индуктивно-связанной плазмы («Inductively coupled plasma» - ICP), соединенный с вакуумной камерой, из которой откачан воздух с помощью насосной установки. Инжектирование твердых частиц в газовый поток производят перед источником ICP плазмы в газ-носитель плазмы. Однако этот способ оказывается крайне неудовлетворительным, так как он не только приводит к ускоренному износу устройства, но также ухудшает качество нагруженной частицами газовой струи. Действительно, продукты истирания, получаемые в результате взаимодействия между нагруженной твердыми частицами плазмой и внутренними стенками камеры, загрязняют газовую струю. Кроме того, частицы инжектируют в плазму без специальных мер, направленных на то, чтобы сделать этот нагруженный частицами газовый поток действительно характерным (отражающим реальные условия) по температуре и скорости, которые являются важными параметрами для моделирования абразивных явлений.
Поэтому настоящим изобретением предлагаются простые по своей концепции и по своему режиму работы способ и устройство для генерирования нагруженного частицами теплового потока для моделирования контролируемым образом этих нагруженных частицами тепловых потоков, характерных для твердотопливных ракетных двигателей или для спусков в околопланетную атмосферу, с целью характеристики образцов стандартного размера, предназначенных для использования в области космонавтики и/или авиации.
В этой связи объектом настоящего изобретения является способ генерирования нагруженного частицами теплового потока, причем частицы, по меньшей мере частично, направлены на объект, при котором инжектируют газ-носитель и эти частицы из по меньшей мере одного инжектора частиц, имеющего по меньшей мере одно выходное отверстие, в плазменную струю, направленную от конца источника плазмы наружу вдоль главной оси, причем эта плазменная струя имеет ядро.
Согласно изобретению корректируют осевое и радиальное положения этого инжектора частиц относительно главной оси и наклон этого инжектора относительно оси, перпендикулярной главной оси, и контролируют среднее количество движения частиц у выходного отверстия инжектора для однородного вовлечения частиц в ядро плазменной струи таким образом, что упомянутые частицы приобретают на переменном расстоянии D от конца источника плазмы максимальную среднюю скорость,
- определяют это расстояние D от конца источника плазмы и располагают объект примерно на этом расстоянии D.
Необходимо гарантировать характеристику объектов в условиях, максимально приближенных к реальным внешним условиям, воздействию которых подвергаются эти объекты. В качестве примера скорости частиц в реактивных струях ракет, работающих на твердом топливе, могут достигать от 1000 м/с до 3000 м/с. С этой целью характеризуемый объект располагают в нагруженной частицами плазменной струе вблизи тех мест, где средняя скорость частиц является максимальной, причем эта скорость является корректируемой. Таким образом гарантируется, что образец находится в месте, где частицы приобрели среднюю скорость, достаточную для его характеризации.
Таким образом, цели изобретения достигают, с одной стороны, регулируя количество движения частиц у выходного отверстия по меньшей мере одного инжектора и контролируя положение упомянутого выходного отверстия для придания нагруженной частицами плазменной струе максимально возможной однородности и, с другой стороны, определяя то положение D, изменяющееся вдоль главной оси, где частицы приобретают максимальную среднюю скорость, для того чтобы позиционировать характеризуемый объект вблизи этого места.
В различных вариантах реализации способа генерирования нагруженного частицами теплового потока настоящее изобретение имеет также следующие признаки, которые следует рассматривать отдельно или в любых технически возможных их комбинациях:
- измеряют максимальную среднюю скорость частиц и корректируют скорость плазменной струи по определенному значению скорости,
- определяют среднюю траекторию частиц от выходного отверстия инжектора и в плазменной струе, используя первый оптический детектор, для того чтобы скорректировать положение и наклон этого инжектора и скорректировать среднее количество движения частиц на выходе инжектора частиц,
- измеряют среднюю скорость каждой частицы, освещая эту частицу в по меньшей мере три разных момента с использованием источника света, генерирующего световые импульсы, и детектируя на одном изображении соответствующий отраженный свет с использованием второго оптического детектора, причем второй оптический детектор и источник света синхронизированы.
Объектом настоящего изобретения является также устройство для генерирования нагруженного частицами теплового потока, содержащее:
- источник плазмы, содержащий конец источника плазмы с главной осью, вдоль которой плазменная струя направляется наружу,
- по меньшей мере один инжектор частиц, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, при этом упомянутый инжектор частиц предназначен для инжектирования газа-носителя и частиц в плазменную струю.
Согласно изобретению это устройство содержит:
- опору, перемещаемую в двух направлениях для осевого и радиального позиционирования упомянутого инжектора относительно упомянутой главной оси, и средства наклона для управления угловым положением упомянутого инжектора относительно оси, перпендикулярной упомянутой главной оси,
- первый оптический детектор и средства визуализации для детектирования средней траектории частиц, начиная от выхода инжектора и в плазменной струе, и
- средства определения средней скорости упомянутых частиц.
В различных вариантах реализации устройства для генерирования нагруженного частицами теплового потока настоящее изобретение имеет также следующие признаки, которые следует рассматривать отдельно или в любых технически возможных их комбинациях:
2
3
2
3
4
- частицы выбирают из группы, включающей AlO, SiO, FeOH, FeO и их комбинации,
- инжектор содержит регулятор расхода для управления потоком газа-носителя, используемого для инжектирования частиц, таким образом, чтобы контролировать среднее количество движения этих частиц на выходе инжектора,
- размер частиц составляет в пределах между примерно 20 и 40 микрометрами,
- концентрация частиц составляет в пределах между примерно 0,001 и 40 процентами от массы плазменной струи,
- концентрация частиц составляет в пределах между примерно 20 и 40 процентами от массы плазменной струи.
Более подробно различные возможные варианты реализации настоящего изобретения описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично показывает устройство для генерирования нагруженного частицами потока согласно одному варианту реализации изобретения;
Фиг.2 представляет собой схематичный вид устройства для генерирования нагруженного частицами потока согласно другому варианту реализации изобретения;
Фиг.3 схематично демонстрирует средние траектории движения, совершаемого частицами, в зависимости от тока дуги, связанного с объемным расходом воздуха, для частного варианта осуществления изобретения;
Фиг.4 схематично демонстрирует распределение средних скоростей частиц (м/с) вдоль главной оси в зависимости от прикладываемого тока дуги (А), при этом расстояние по оси х измерено от конца источника плазмы (в мм).
На фиг.1 показано устройство для генерирования нагруженного частицами теплового потока согласно одному варианту реализации изобретения. Это устройство содержит источник 1 плазмы, содержащий конец источника с главной осью 2. Источником 1 плазмы преимущественно является плазменная горелка. В частном варианте реализации плазменная горелка является плазмотроном AQTIL, выпускаемым в продажу компанией EADS ST. Этот мощный плазмотрон содержит два коаксиальных трубчатых электрода из меди, между которыми инжектируется плазмообразующий газ с высокой тангенциальной скоростью. Электроды охлаждаются водой. Этот плазмотрон преимущественно может стабильно работать в широком диапазоне силы тока и расхода воздуха.
Источник 1 плазмы вырабатывает плазменную струю 3, направленную наружу вдоль этой главной оси 2. Плазменная струя 3 попадает на образец 4, установленный вдоль этой главной оси 2.
Устройство содержит по меньшей мере один инжектор 5 частиц, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие 6. Этот инжектор 5 частиц предназначен для инжектирования газа-носителя и этих частиц в плазменную струю на уровне выхода источника 1 плазмы. Газ-носитель частиц используют для вовлечения и обеспечения возможности проникновения частиц в плазменную струю 3. Расход газа-носителя устанавливают в зависимости от природы частиц, от их гранулометрического состава, а также от мощности, рассеиваемой в плазменной струе 3. Вместе с тем этот расход остается очень низким по сравнению с расходом в плазменной струе 3, так что возмущение, создаваемое при проникновении частиц, является пренебрежимо малым. В качестве примера можно указать, что для объемного расхода воздуха от 1500 до 8000 л/мин объемный расход газа-носителя составляет менее 20 л/мин. В предпочтительном варианте реализации устройство содержит несколько инжекторов 5, равномерно распределенных вокруг плазменной струи 3. Количество инжекторов 5 предпочтительно составляет от 2 до 8.
Инжектор 5 может содержать регулятор расхода для управления потоком газа-носителя, используемого для инжектирования частиц, таким образом, чтобы контролировать среднее количество движения этих частиц на выходе инжектора 5.
Опора 8, перемещаемая в двух направлениях, позволяет позиционировать инжектор 5 по оси и радиально относительно главной оси 2 конца источника 1 плазмы, а средства наклона позволяют контролировать его угловое положение по отношению к оси 7, перпендикулярной главной оси 2 (Фиг.2). Опора 8 представляет собой, например, стойку, установленную на столе перемещения в плоскости x-y, параллельной главной оси 2. Она позволяет также корректировать положение выходного отверстия 6 этого инжектора 5 вдоль оси 7, перпендикулярной главной оси 2. Перемещение этой стойки может быть автоматизировано или нет. Средства наклона инжектора позволяют наклонять этот инжектор на угол от 0° до 90° относительно конца источника 1 плазмы.
Предпочтительно, размер частиц составляет между примерно 20 и 40 микрометрами, а их концентрация составляет в пределах между примерно 0,001 и 40 процентами от массы плазменной струи. Для моделирования реактивных струй двигателя концентрация частиц должна составлять между примерно 20 и 40 процентами от массы плазменной струи.
2
3
2
3
4
2
3
2
3
4
Частицы предпочтительно выбирают из группы, включающей AlO, SiO, FeOH, FeO и их комбинации. Частицы AlO и SiO являются предпочтительными для моделирования твердотопливного ракетного двигателя, тогда как частицы FeOH, FeO являются предпочтительными для моделирования спуска в атмосферу и, в частности, спуска в атмосферу Марса. Для моделирования других окружающих сред можно использовать другие частицы.
Устройство содержит первый оптический детектор 9, например инфракрасную видеокамеру, и средства визуализации, такие как экран, для обнаружения и визуализации средней траектории частиц, начиная от выходного отверстия 6 инжектора 5 и в плазменной струе 3.
Кроме того, устройство содержит средства для определения средней скорости упомянутых частиц. Эти средства предпочтительно содержат источник 10 света, генерирующий световые импульсы, и второй оптический детектор 11. Второй оптический детектор 11 и источник 10 света являются синхронными. Предпочтительно, источником 10 света является полупроводниковый лазерный источник, а вторым оптическим детектором 11 является скоростная камера, позволяющая снимать изображения на высоких скоростях. Эта камера 11 выполнена с возможностью обнаружения слабоосвещенных точек. Если этой камерой 11 является, например, камера на приборах с зарядовой связью (ПЗС), содержащая матрицу пикселей строка-столбец, то каждому измерению присваивают по меньшей мере одну координату х, характеризующую расстояние частицы вдоль главной оси 2 относительно конца источника 1 плазмы в момент t.
Скорость каждой частицы измеряют, освещая частицы в по меньшей мере три разных момента. В этом случае среднюю скорость каждой частицы получают, определяя отношение расстояния, пройденного измеряемой частицей между двумя точками измерения, к задержке, разделяющей два последовательных импульса источника 10 света. Камера ПЗС остается открытой во время по меньшей мере трех экспозиций, чтобы таким образом визуализировать эти по меньшей мере три положения частиц на одном и том же изображении путем наложения.
Данные, полученные от этого второго детектора 11, предпочтительно используют вместе с данными от первого детектора для определения средней траектории частиц, начиная от выхода инжектора или инжекторов 5 и в плазменной струе 3.
Устройство может содержать держатель 12 образца, который выполнен наклоняемым таким образом, чтобы поверхность этого образца 4 образовывала угол от 0° до 90° по отношению к главной оси 2 конца источника 1 плазмы. Предпочтительно, этот держатель 12 выполняют с возможностью удержания образцов 4 стандартного размера, то есть размера, соответствующего элементам, применяемым в качестве конструктивных элементов теплозащитного покрытия, например, космического аппарата. Таким образом, изобретение можно применять для так называемых испытаний по «наклонной плоскости», соответствующей боковым сторонам спускаемых аппаратов или ракетных двигателей, когда тепловой поток является частично тангенциальным к поверхности материалов. При испытаниях по «наклонной плоскости» в стандартном случае используют квадратный образец, минимальные размеры которого составляют 300 мм на 300 мм, а при испытаниях «по месту полного торможения» - образец с минимальным диаметром 25 мм.
2
На Фиг.2 показано устройство по изобретению согласно другому варианту реализации. Одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на Фиг.1. Это устройство отличается от устройства по Фиг.1 тем, что конец источника 1 плазмы сообщается с вакуумной камерой 13, в которую направляется плазменная струя 3. Воздух из этой камеры 13 откачан при помощи насосной установки. Эта насосная установка содержит, например, по меньшей мере один высокопроизводительный первичный насос. На камере 13 установлены по меньшей мере один дозировочный вентиль 14, соединенный с дозировочным устройством и работающий при откачке воздуха по меньшей мере одним первичным насосом, и датчик давления для подачи газа в эту камеру 13 через дозировочный вентиль 14 и дозировочное устройство. Этим газом является, например, СО. Это устройство содержит также диффузор 15 для удаления плазменной струи 3. Наконец, инжектор 5 установлен так, чтобы инжектировать частицы снизу вверх.
Изобретение относится также к способу генерирования нагруженного частицами теплового потока, при этом частицы, по меньшей мере частично, направляются на объект 4. Согласно этому способу газ-носитель и частицы инжектируют из по меньшей мере одного инжектора 5 частиц, имеющего по меньшей мере одно выходное отверстие 6, в плазменную струю 3. Эта плазменная струя 3 направляется от конца источника 1 плазмы наружу вдоль главной оси 2. Эта плазменная струя 3 имеет ядро.
После этого корректируют осевое и радиальное положения этого инжектора 5 частиц относительно главной оси 2 и наклон этого инжектора 5 относительно оси 7, перпендикулярной упомянутой главной оси 2, и контролируют среднее количество движения частиц у выходного отверстия 6 инжектора 5 для равномерного вовлечения частиц в ядро плазменной струи 3. В одном варианте реализации выходное отверстие 6 инжектора 5 размещают в плазменной струе 3, поскольку температура плазменной струи 3 меньше температуры плавления материала, составляющего инжектор 5. Чтобы корректировать положения и наклон инжектора и скорректировать среднее количество движения упомянутых частиц на выходе этого инжектора 5, определяют среднюю траекторию частиц, начиная от выходного отверстия 6 инжектора 5 и в плазменной струе 3, используя первый оптический детектор 9, например инфракрасную видеокамеру.
Частицы приобретают максимальную среднюю скорость на переменном расстоянии D от конца источника 1 плазмы. Поэтому определяют это расстояние D от конца источника 1 плазмы и размещают характеризуемый объект 4 на этом расстоянии D. Характеризуемый объект 4 можно также размещать вплоть до положения D' вдоль главной оси 2, начиная от этого положения D, при этом положение D' является таким, что частицы все еще имеют скорость, приблизительно равную по меньшей мере 90% от определенной максимальной средней скорости частиц.
2
2
2
Предпочтительно, измеряют эту максимальную среднюю скорость и корректируют скорость плазменной струи по определенному значению скорости. Эту корректировку скорости плазменной струи 3 можно осуществлять, добавляя насадку на конце источника 1 плазмы, или повышая рабочую электрическую мощность источника 1 плазмы, или адаптируя состав плазмообразующего газа-носителя. В последнем случае используют газ, выбранный из группы, включающей H, CO и N.
1
2
1
2
3
1
2
3
На Фиг.3 показан вариант осуществления изобретения для глиноземных порошков с плазменной горелкой. Выходное отверстие 6 инжектора 5 размещают на расстоянии l в 14 мм от конца плазменной горелки 1 вдоль главной оси 2 и на высоте l в 24 мм вдоль оси 7, перпендикулярной этой главной оси 2. Инжектор 5 не наклоняют относительно этой оси 7, перпендикулярной главной оси 2. На Фиг.2 показаны средние траектории частиц, начиная от выхода инжектора и в плазменной струе, для газа-носителя с расходом 6 л/мин в зависимости от тока дуги (А), применяемого для создания плазменного факела и связанного с объемным расходом воздуха в плазменном факеле (л/мин). Первая кривая С (крестик) получена для пары 450 А-7700 л/мин, вторая кривая С (сплошной треугольник) - для пары 310 А-3400 л/мин, а третья кривая С (кружок) - для пары 180 А-1700 л/мин. Из этих кривых следует, что частицы не попадают в ядро плазменной струи в случае первой кривой С, в отличие от двух других кривых С и С, при которых средние траектории пересекают главную ось 2 примерно на 100 мм от конца источника 1 плазмы. Количество движения струи является слишком большим по сравнению с количеством движения, связанным с радиальным потоком на выходе инжектора.
Таким образом наблюдали, что для однородного вовлечения частиц в ядро плазменного потока, то есть для гарантирования того, что все частицы действительно вовлекаются в центр потока плазменной струи, необходимо не только корректировать осевое и радиальное положения инжектора относительно упомянутой главной оси и его наклон относительно оси, перпендикулярной упомянутой главной оси, но и контролировать среднее количество движения этих частиц у выходного отверстия этого инжектора.
1
2
3
На Фиг.4 в частном варианте осуществления показано распределение средних скоростей частиц вдоль главной оси в зависимости от тока дуги (А). На оси абсцисс 16, показывающей положение частиц вдоль главной оси (мм), исходной точкой 17 является конец источника плазмы, а на оси ординат 18 показана средняя скорость частиц (м/с). Используемыми порошками являются частицы глинозема, а источником плазмы является плазмотрон AQTIL. Первая кривая S (ромб) построена для тока дуги 450 А, вторая кривая S (прямоугольник) - для тока дуги 310 А, а третья кривая S (треугольник) - для тока дуги 180 А. Из этих кривых следует, что частицы имеют фазы ускорения и замедления и что осевое положение 19 максимума средней скорости частиц для данного тока дуги смещается в заднем направлении от горелки с увеличением тока дуги. Таким образом, расстояние D от конца источника плазмы, на котором частицы приобретают максимальную среднюю скорость, изменяется в зависимости от прикладываемого тока дуги. Это положение необходимо определять для характеристики образцов в условиях, максимально приближенных к реальным. Наблюдали также, что максимальная средняя скорость частиц примерно в четыре раза выше при 450 А (420+/-45 м/с), чем при 180 А (125+/-15 м/с). Поэтому максимальную среднюю скорость частиц можно корректировать, корректируя скорость плазменной струи путем увеличения рабочей электрической мощности источника плазмы.
Предпочтительно, изобретение может быть осуществлено в качестве устройства термического напыления частиц для нанесения покрытий, например металлических, на поверхность.