ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ИМПУЛЬСНАЯ УСТАНОВКА (ГИУ)

Полезная модель - газодинамическая установка относится к области гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики и предназначена для изучения физических процессов генерации ударных волн и теплового широкополосного излучения в средах конечного давления.
Известна крупноразмерная гиперзвуковая аэродинамическая труба (АДТ) Т-117, (см. Г.С.Бюшгенс, Е.Л.Берджицкий, ЦАГИ - центр авиационной науки. М. «Наука», 1993 г.), позволяющая проводить исследования аэродинамических и тепловых характеристик моделей различных гиперзвуковых летательных аппаратов при достаточно полном геометрическом подобии моделей и натуры. Аэродинамический контур трубы Т-117 включает электродуговой подогреватель, рабочую часть - круг ⌀ 1 м, теплообменник, вакуумную емкость, отсечные задвижки, эжекторы, сверхзвуковое сопло, сверхзвуковой диффузор.
3
Гиперзвуковая труба Т-117 труба периодического действия, использующая сжатый воздух высокого давления, аккумулированный в баллонах емкостью 10 м каждый.
3
Необходимая степень сжатия в трубе создается, с одной стороны, высоким давлением торможения в форкамере трубы (от 40 до 280 атм.) и, с другой стороны, использованием четырехступенчатой системы эжекторов или вакуумной емкости объемом 3000 м с начальным разряжением до 0,01 мм рт.ст., создающих необходимое разряжение за одним из трех нерегулируемых диффузоров.
Продолжительность одного испытания при работе с системой эжекторов - до 3 мин., с вакуумной емкостью - 1,5 мин.
e
6
6
Труба имеет набор профильных осесимметричных сверхзвуковых сопл с выходным диаметром 1,0 м, рассчитанных на реализацию чисел М на выходе из сопла в диапазоне от 10 до 20. Диапазон чисел R от 0,15·10 до 4,8·10 (отнесено к 1 м).
Для предотвращения конденсации воздуха в рабочей части при разгоне его до заданных сверхзвуковых скоростей осуществляется предварительный нагрев рабочего газа до температуры в форкамере 1200-2000 К с помощью электродугового подогревателя мощностью 25000 квт.
Рабочая часть трубы выполнена по схеме камеры Эйфеля с охлаждаемыми стенками и оборудована двумя быстродействующими механизмами ввода испытываемой модели в поток.
Труба оснащена быстродействующим измерительно-информационным комплексом в составе: тензометрических весов на разные случаи нагружения модели, датчиков давления и температуры, оптических средств визуализации потока, систем сбора и обработки информации с использованием средств вычислительной техники. Процесс эксперимента автоматизирован. Выходная информация выдается в виде таблиц и графиков. В гиперзвуковой аэродинамической трубе Т-117 могут проводиться следующие виды эксперимента:
- определение суммарных аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов и их элементов;
- определение распределения давления и тепловых потоков по поверхности моделей;
- визуализация картины обтекания с помощью интерферометра сдвига;
- физические исследования.
Однако, состав и возможности данной экспериментальной базы не отражает особенность гиперзвукового диапазона скоростей полета - невозможность моделирования в наземных условиях свободномолекулярного течения газа в магнитогидродинамических полях. В плазме, обладающей высокой проводимостью в нулевой линии магнитного поля, вызывает вдоль
нее ток: последний из-за взаимодействия с магнитным полем принимает форму токового слоя. В условиях высокой проводимости токовый слой препятствует перераспределению магнитных потоков. В результате происходит накопление энергии в виде магнитной энергии токового слоя, которое может быть использовано для разрушения магнитогидродинамических ударных волн при движении летательных аппаратов (ЛА). Однако на данной установке невозможно проводить исследования возникновения светодетонационных волн (СВ).
Известна газодинамическая установка, см. В.И.Виноградов, Ж.Вернье, М.А.Каракин, Н.П.Филиппов и др. «Экспериментальное моделирование бесстолкновительных ударных волн на установке «плазменный фокус»», РНЦ «Курчатовский Институт», 2003 г.
Эксперименты выполнены на установке плазменный фокус (ПФ), где амплитуда разрядного тока составляла 3 МА; рабочий газ - неон при давлении 0,5-1 Торр. Фарфоровый цилиндр диаметром 40 см и высотой 40 см был установлен на верхней крышке разрядной камеры установки ПФ для исследования взаимодействия плазменных потоков с магнитным полем. Использовались различные системы для создания поперечного магнитного поля: на основе электромагнитов (В=0÷±500 Гс) и на основе редкоземельных магнитов (В=2500 Гс). Для определения плотности и температуры фоновой плазмы и плазменного потока использовались методы оптической спектроскопии. Для определения формы плазменного потока, а также его скорости в области взаимодействия применялись фотоэлектронные усилители (ФЭУ) с горизонтальной и вертикальной щелью. Основным методом определения средней на пролетной базе скорости потока являлись коллимированные световые зонды. Показания двух световых зондов, разнесенных на небольшое расстояние, также использовались для определения мгновенной скорости в области взаимодействия. Для регистрирации изменения магнитного поля во фронте ударной волны использовался магнитооптический зонд. Экспериментальные условия на ПФ
позволили обеспечить бесстолкновительное движение плазменных потоков со скоростью ~10 см/с. Направленное движение потока позволило моделировать формирование квазиперпендикулярных бесстолкновительных ударных волн с числом Альфеновского Маха М до 10, сжатие магнитного поля во фронте ударной волны и диссипацию энергии плазменного потока.
Однако, установка ПФ не позволяет проводить исследования -моделирование процессов обтекания моделей ЛА плазменным потоком и возникновением СВ в виду ограниченного объема рабочей камеры конструкции, ограниченных числах М и времени проведения эксперимента.
Известна АДТ с магнитогидродинамическим (МГД) ускорителем Фарадея (см. Г.С.Бюшгенс, В.В.Сычев, Е.Л.Берджицкий и др., ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1968 - 1993 г, стр.396.), взятая за прототип. АДТ содержит последовательно расположенные электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, МГД - ускоритель, вторичное сопло, рабочую часть, эжекторы.
0
0
В гиперзвуковой АДТ определяются распределение давления по поверхности моделей, величина отхода и форма ударной волны, параметры в фотокамере установки Р и Т, величины помех и статических давлений в потоке в месте расположений моделей, энтальпии торможения и степени возможного отклонения от термодинамического равновесия состояния газа на выходе из сопла.
Собственное свечение газа фиксируется через интерференционные светофильтры. Для определения положения ударной волны в условиях сильного собственного свечения газа используется теневая установка, основанная на использовании эффекта аномальной дисперсии.
Однако, данная установка не позволяет создавать физическую модель обтекания тел в неравновесной разряженной газовой среде. Данный метод не пригоден для измерений в потоках при возникновении светодетонационных ударных волн и в пограничных гиперзвуковых потоках.
Технический результат, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, состоит в построении системы гиперзвуковой аэродинамики для исследования в свободномолекулярном потоке течения плазмы, обнаружения и визуализации светодетонационных волн.
Существенные признаки. Для получения указанного технического результата в импульсную газодинамическую установку ГУ), включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ), в которой расположены баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель с электрическими обмотками, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитогидродинамический (МГД) ускоритель с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочая часть ГАТ, внутри которой размещена исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА), а вокруг модели ГЛА - система электромагнитной подвески модели (СЭМП) с силовыми и контрольными электрическими обмотками, выходное сопло, вакуумная емкость, и цифровую вычислительную машину (ЦВМ), соединенную первым, вторым и третьим входами через преобразователи сигналов с управляющими электрическими обмотками МГД - ускорителя, и с контрольными электрическими обмотками СЭМП, электродугового подогревателя, в нее введены диагностический электрический зонд плазменного потока, лазер с ядерной накачкой (ЛЯН) с электроядерным устройством, связанный с инжектором заряженных частиц, ускорителя заряженных частиц (УЗЧ), блоком управления, сверхскоростной кино-фоторегистратор, между вторичным соплом и рабочей частью ГАТ установлен в виде Z-образного колена отрезок трубы, в передней нижней части которого по оси установлено оптическое окно с оптической линзой, сопряженной с выходом пучка ЛЯН, мишень ЛЯН которого сопряжена с пучком УЗЧ и связанным с инжектором заряженных частиц, а регистратор зондирующих сигналов, через преобразователь сигналов, связан с четвертым входом ЦВМ, сверхскоростной кино-фоторегистратор через преобразователь
сигналов соединен с пятым входом ЦВМ, блок управления УЗЧ связан с шестым входом ЦВМ.
Перечень фигур на чертежах.
Для пояснения сущности полезной модели на фиг.1 приведена функциональная схема импульсной газодинамической установки, где изображены:
1 - баллон с высоким давлением газа;
2 - регулирующий дроссель;
3 - электродуговой подогреватель с электрическими обмотками;
4 - дозирующее устройство;
5 - первичное сверхзвуковое сопло;
6 - магнитогидродинамический (МГД) - ускоритель Фарадея с управляющими электрическими обмотками;
7 - Z-образное колено трубы ГАТ;
8 - вторичное сопло;
9 - рабочая часть гиперзвуковой аэродинамической трубы (ГАТ);
10 - силовые электрические обмотки системы электромагнитной подвески модели (СЭМП);
11 - исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА);
12 - выходное сопло;
13 - вакуумная емкость;
14 - диагностический электрический зонд (ДЭЗ);
15,16 - конусные электроды ДЭЗ;
17 - труба для установки электродов ДЭ3-опорный электрод;
18. 26 - преобразователь сигналов;
19. 21, 24 - преобразователь сигналов блока измерения электромагнитных полей;
20 - цифровая вычислительная машина (ЦВМ);
22 - блок управления укорителя заряженных частиц (УЗЧ);
23 - регистратор зондирующих сигналов;
25 - окно вывода излучений;
27 - инжектор заряженных частиц (ИЗЧ);
28 - контрольные электрические обмотки СЭМП;
29 - сверхскоростной кино-фоторегистратор;
30 - лазер с ядерной накачкой (ЛЯН), электрический реактор - лазер (РЛ);
31 - лазерные каналы;
32 - замедлитель нейтронов;
33 - отражатель нейтронов;
34 - корпус;
35 - ускоритель заряженных частиц (УЗЧ);
36 - внутренние оптические элементы, резонаторы;
37 - система прокачки газа;
38 - теплообменник;
39 - внешние оптические элементы;
40 - волоконно - оптические линии;
41 - мишень, установленная в ЛЯН;
42 - первая (I) критическая зона РЛ;
43 - вторая (II) критическая зона РЛ;
44 - ввод светового излучения;
45 - линза.
2
1
Импульсная газодинамическая установка (ГИУ) включает гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ) и цифровую вычислительную машину (ЦВМ) - 20. В ГАТ расположены баллон с высоким давлением газа -1, регулирующий дроссель -2, электродуговой подогреватель - 3, дозирующее устройство 4, первичное сверхзвуковое сопло - 5, магнитогидродинамический (МГД) ускоритель - 6 с управляющими электрическими обмотками, Z-образное колено трубы ГАТ - 7 вторичное сопло - 8, рабочая часть ГАТ - 9, внутри которой размещена исследуемая
модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) -11, выходное сопло - 12, вакуумная емкость - 13. В рабочей части ГАТ - 9 установлены перед моделью ГЛА диагностический электрический зонд (ДЭЗ) - 14. У оптического окна - 25 установлен сверхскоростной кино-фоторегистратор -29. Вокруг модели ГЛА - 11 расположена система электромагнитной подвески (СЭМП) с силовыми - 10 и контрольными - 28 электрическими обмотками. Поток плазмы после прохождения модели ГЛА -11 проходит выходное сопло - 12 и попадает в вакуумную емкость - 13. ЦВМ -20 соединена первым, вторым и третьим входами через преобразователи сигналов - 19, 24, 21 с управляющими обмотками МГД - ускорителя - 6, с контрольными электрическими обмотками - 28 САМП - 10, электродугового подогревателя - 3. Регистратор зондирующих сигналов ДЭЗ - 14 через преобразователь сигналов 23 связан с четвертым входом ЦВМ - 20. Сверхскоростной кино-фоторегистратор - 29 через преобразователь сигналов -18 соединен с пятым входом ЦВМ - 20. Блок управления - 22 ускорителя заряженных частиц УЗЧ - 35 связан с шестым входом ЦВМ - 20.
Лазер с ядерной накачкой (ЛЯН) - 30 с электроядерным устройством включает ускоритель заряженных частиц (УЗЧ) - 35, связанный с ИЗЧ - 27, блок управления - 22. Между вторичным соплом - 8 и рабочей частью - 9 ГАТ установлен в виде Z-образного колена отрезок трубы - 7 ГАТ, в передней нижней части которого по оси установлено оптическое окно с оптической линзой - 45 и сопряженное с выходом пучка ЛЯН - 30, а мишень которого - 41 сопряжена с пучком УЗЧ - 35, связанного с инжектором - 27 заряженных частиц.
2
4
Импульсная газодинамическая установка работает следующим образом.
4
Моделирование гиперзвукового полета требует воспроизведения в ГАТ давлений торможения от долей до сотен МПа и температур торможения до 10 К При гиперзвуковых числах Маха интенсивно растут потери полного давления при торможении потока и соответственно потребные перепады
3
3
давления в ГАТ. При числах Маха > 4,5 воздух в ГАТ необходимо нагревать для предотвращения его конденсации, так при М=10 нагревать до 10 К при М=20 - до (2,5÷2,8)·10 К. Максимальное давление в ГАТ с электродуговым подогревателем 3 равно 18-20 МПа, что позволяет моделировать полет гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) на больших высотах. Большой перепад давлений, необходимый для ГАТ, обеспечивается вакуумной емкостью 13.
Взаимодействие потоков в ГАТ реализуется путем изменения скорости плазменного потока в МГД - ускорителе 6. Этим процессом управляет ЦВМ 20, которая через преобразовательный блок 19 соединена с электрическими обмотками МГД - ускорителя 6. Характеристики плазмы (скорость потока, распределение частиц плазм по скоростям) определяется с помощью диагностического электрического зонда (ДЭЗ) - 14.
i,e
p,
Взаимодействие между потоком газа и магнитным полем СЭМП 10 характеризуется произведением магнитного числа Рейнольдса и отношения плотности магнитной энергии к кинетической. Когда эта величина становится достаточно большой, то изменяется скорость проникновения волны в поле. Образовавшаяся в ГАТ ударная волна проходит через область с полем и с большой скоростью двигается вдоль трубы. На фронте ударной волны, распространяющейся поперек магнитного поля, возбуждаются интенсивные ионно-звуковые колебания, обнаруживаемые с помощью ЛЯН 30 на турбулентных флюктуациях плазмы. С целью измерения скорости плазменного потока и распределения частиц газа по скоростям в гиперзвуковом потоке разреженного газа ГАТ снабжена диагностическим электрическим зондом -14. Диагностика плазменных потоков - средство измерения электрофизических параметров плазмы в условиях газодинамического эксперимента с высокими требованиями к пространственному и временному разрешению и большим диапазоном изменения измеряемых величин. Электрический зонд -14 используется в диагностике разряженного потока плазмы при выполнении условия λ≥r
i,e
p
p
p
-5
где λ - длина свободного пробега ионов и электронов в плазме, r - характерный размер зонда. Конусный зонд вносит меньше возмущений в поток исследуемого газа и позволяет получить высокое пространственное разрешение при отрицательном и положительном зондовом потенциале с параметрами r,=1,5 мм, l - длина электрода 10 мм, угол конусности ϑ=8°. На один электрод - 16 подается положительный, на другой - 15 отрицательный потенциал V величиной 20-30 в. Измеряется в режиме сбора ионный и электронный токи (положительный потенциал) на зонде, поступающие на регистратор зондовых сигналов 23; определяются с точностью до 10 равновесные значения электронной концентрации.
7
10
Проникновение лазерного луча в поглощающую среду вызывает образование светодетонационной волны (Г.А.Аскарьян, Б.М.Манзон. Субмикросекундные лазерные импульсы и их применение в лазерной динамике. Памяти Аскарьяна, Г.А.Физматлит, 2000 г., стр.113). Светодетонационная волна распространяется навстречу мощному излучению, что связано с наличием среды перед светодетонационной волной и сильным поглощением на ее фронте. Прорыв луча лазера - 30 вперед вызывает продольное истечение плазмы назад, уменьшающее плотность и поглощение плазмы, но осуществляющее светореактивное давление на находящуюся впереди среду. Прорыв луча носит характер газодинамического обтекания при малой плотности газа и плазмы (при малом поглощении) - разряд лазера -30 распространяется по лучу; в более плотных газах фронт разряда перемещается навстречу лучу со скоростью V~10см/c при световых плотностях I~10 вт/см. Вторгаясь в газ луч нагревает и выбрасывает его со своего места, образуя сильную ударную волну, толкаемую газодинамическим давлением, а вперед - светореактивным давлением летящей назад реактивной струи. Т.е., если энергия уходящая в реактивную среду велика, то вперед толкает ударную волну реактивное давление.
Мощный луч лазера - 30 с ядерной накачкой (ЛЯН) фокусируется линзой - 45 вблизи точки энерговыделения модели ГЛА, связанного с возникновением ударной волны. Лазерный факел фотографируется с помощью сверхскоростного кино-фоторегистратора - 29.
Используя в ЛЯН электроядерное устройство (В.Ф.Колесов, Н.В.Завьялов, В.Т.Пунин. Злектроядерные устройства с бланкетами каскадного типа. Журнал «Атом», №22/03, ВНИИЭФ), подкритичный реактор переводится в работу в комплексе с ускорителем - 35 протонов. В нем устраняется опасность неконтролируемого разгона мощности и облегчается задача управления. В устройстве находятся ускоритель - 35 протонов и мишень - 41 из материала с высоким атомным номером (свинец, вольфрам), протоны преобразуются в нейтроны, и глубоко подкритичный бланкет - 33-34 защитный экран, размножает поставляемые мишенью нейтроны.
Использование ускорителя - 35 дает возможность уменьшить глубину подкритичности бланкета и увеличить коэффициент умножения нейтронов источника. Это определяет двухсекционный реактор с односторонней нейтронной связью секций - бланкета каскадного (или диодного) типа.В двухсекционном реакторе активная часть состоит из двух частей I (42) и II (43) разделенных пространственно. В этом случае нейтроны одной секции I влияют не процессы в другой (II) секции, нейтроны другой секции на процессы в первой секции не влияют.В системе каскадного типа создается возможность предварительного размножения нейтронов источника нейтронов в первой секции I и использования затем усиленного источника нейтронов во второй II секции, имеющей большие размеры и большую энергоемкость. Внешняя активная зона II выполняется из уран-молибденового сплава. Протоны с энергией 0,8 ГЭВ направляются на мишень - 41 в осевом направлении, форма пучка - тонкий шнур вдоль мишени.
ЛЯН 30 совмещает функции лазерной системы и ядерного реактора (А.А.Синявский. Энергетические реакторы-лазеры. Журнал «Атом» №22/03, стр.36-41. ФГУПРФЯЦ) Активная зона ЛЯН 30 является набором лазерных
ячеек, размещенных в матрице замедлителя нейтронов. Такая система обладает достаточным коэффициентом размножения нейтронов при использовании в лазерных ячейках урановых слоев оптимальной по условиям накачки толщины, т.е. обеспечиваются условия работы реактора. Количество лазерных ячеек составляет несколько сотен до нескольких тысяч штук с характерным размером 2 м, общее количество урана от 5 до 40 кг. В систему включаются блок управления - 22, оптические элементы формирования лазерного излучения 36,39.
2
Для равномерной накачки лазерных сред на основе гелия при давлении 2 атм поперечный размер ячейки составляет 20-30 мм, при этом удельная мощность накачки составляет 20-30 Вт/см. При таких мощностях накачки газ за время t<0,l нагревается до температур около 1000°С. Температуропроводность газа не обеспечивает отвод энергии на стенки ячейки, и для ее длительной работы требуется принудительный теплоотвод, осуществляемый прокачкой газа через объем ячейки. Поперечная прокачка ЛЯП 30 позволяет снизить скорости газового потока, осуществляется системой прокачки и охлаждения лазерной среды и теплоносителя 37, 38.
В теплоемкостном ЛЯН 30 в качестве замедлителя 32 используется бериллий, он же является подложкой для уранового слоя. Около 1000 лазерных ячеек 31 с активной зоной цилиндрической формы 02 м обеспечивают мощность лазерного излучения около 200 квт. Блок управления реактивностью -22 связан с шестым входом ЦВМ 20. Для выравнивания нейтронных потоков активная зона окружена отражателем нейтронов 33 из бериллия. Вся конструкция размещена в корпусе 34 с элементами оптики 36, 39. При нагреве активной зоны до 500°С время непрерывной работы на мощности 200 квт составляет ~100 с.
ЛЯН 30 включает оптические системы формирования лазерного излучения и транспортировки его к объекту воздействия - исследуемой модели ГЛА 11. Система формирования лазерного излучения содержит набор резонаторов 36 на каждый лазерный канал 31 с последующим
перископическим сложением в кусочно-непрерывное (мозаичное) поле (внешние оптические элементы 39), телескопированием и фокусированном (волоконно-оптические линии 40) его на объект воздействия 11. В системе с большим количеством идентичных лазерных каналов для повышения плотности лазерного излучения и упрощения оптической системы используется параллельное сложение излучения отдельных каналов.