УДАРНАЯ ТРУБА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к физике сильных ударных волн, физике горения и взрыва и может быть использована в процессе создания устройства, способного инициировать ударную волну, распространяющуюся со скоростью более 11 км/с. Измерение спектральных и кинетических характеристик газов, получаемых при таких скоростях ударной волны необходимо для решения научных и технических проблем, и может быть использовано, например, при создании термической защиты, необходимой при входе в атмосферу Земли и других планет различных тел, в частности, спускаемых космических аппаратов. Кроме того, заявляемая полезная модель может быть использована для верификации физико-химических моделей неравновесных процессов диссоциации и ионизации различных газов в экстремальных условиях.
Уровень техники
В классических устройствах инициирования детонации используется прямое инициирование детонации - кратковременное выделение энергии, значительно большей указанного значения (Зельдович Я.Б., Когарко С.М., Симонов Н.Н. // ЖТФ, 1956, том 26, №8, с. 1744-1752), либо переход горения в детонацию: горючую смесь поджигают слабым источником зажигания в трубе с регулярными кольцевыми препятствиями и обеспечивают прогрессирующее ускорение пламени с переходом в детонацию на расстояниях (преддетонационное расстояние) и за время (преддетонационное время), значительно превышающих указанные значения (см., например, работу О. Peraldi, R. Knystautasand J.H. Lee "Criteria for transition to detonation in tubes". Twenty-First Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute, 1986, pp. 1629-1637). Однако все они характеризуются существенными затратами энергии, при этом скорость распространения ударной волны, создаваемой такими устройствами, не превышает 10 км/с.
Из уровня техники известно устройство инициирования детонации в трубе с горючей смесью (патент РФ №2672244). Устройство для осуществления детонации в трубе с горючей смесью включает гладкую детонационную трубу, в торцевой части которой установлено днище, содержащее форкамеру со слабым источником зажигания, а также форсунки для подачи горючего и окислителя. Через форсунки в гладкую детонационную трубу подают перекрестные сверхзвуковые струи горючего и окислителя. В результате их взаимодействия за счет турбулентного смешения в гладкой трубе формируется высокоскоростной турбулентный поток горючей смеси. При этом форкамера также заполняется горючей смесью, которая поджигается слабым источником зажигания. В результате сгорания смеси в полузамкнутом объеме форкамеры в ней повышаются давление и температура, что приводит к образованию высокотемпературного скоростного факела, поступающего из форкамеры в гладкую детонационную трубу, который поджигает турбулентный поток горючей смеси в ней.
Однако в результате использования известного устройства получают ударную волну, характеризующуюся низкой скоростью распространения. Так, скорость фронта реакции на расстоянии ~300 мм составляет около 2300-2400 м/с, и увеличивается до 2500 м/с в зависимости от среднего состава смеси.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция ударной трубы, раскрытая в публикации «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ УДАРНО-НАГРЕТОГО ВОЗДУХА НА ДВУХДИАФРАГМЕННОЙ УДАРНОЙ ТРУБЕ» П.В. Козлов, Ю.В. Романенко, НИИ механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (http://chemphys.edu.ru/media/published/011_5whp3ut.pdf). Известная ударная труба включает соединенные посредством фланцев камеру высокого давления, с расположенной в ее торце перфорированной форкамерой, камеру промежуточного давления и камеру низкого давления. Между фланцами секций камеры высокого давления (КВД) и камеры промежуточного давления (КПД) заполняемой гелием, а также секций КПД и камеры низкого давления (КНД) располагаются кассеты с наборными диафрагмами из лавсановой пленки толщиной 20 мкм.
При формировании детонационной волны в соответствии с данным источником удалось достичь скоростей 4-7 км/с, однако раскрытый в материалах публикации способ, а также его режимы не позволяют достичь более высоких скоростей, в частности, в связи с тем, что при генерации ударной волны в известном устройстве использовались лавсановые (полиэтилентерефталат) диафрагмы, которые при разрыве существенно ограничивают поток, летят в трубу, создают углеводородные примеси и оседают на стенки.
Краткое раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности генерации ударной волны, распространяющейся в камере низкого давления ударной трубы со второй космической (и более) скоростью и уменьшении энергетических затрат для ее получения за счет наиболее полного использовании энергии горения разбавленной гелием кислородно-водородной смеси в камере высокого давления (КВД) в результате сжигания основной ее массы в волне детонации Чепмена-Жуге, которая обеспечивает энергетически наиболее эффективный режим горения в ограниченном объеме (см., например, Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения // Журнал технической физики. – 1940. – Т.10, №17. – С. 1453-1461).
,
Заявленный технический результат достигается тем, что в ударной трубе для генерации высокоскоростной ударной волны, содержащей камеру высокого давления (КВД), с одного конца снабженную форкамерой с перфорированным торцом, обращенным в направлении распространения волны, а с другого конца через диафрагму, соединенную с камерой низкого давления (КНД), согласно техническому решению диафрагма, разделяющая КВД и КНД, выполнена из медного листа толщиной от 0,3 до 0,7 мм, со стороны КНД снабженного равномерно нанесенными на поверхность крестообразными насечками глубиной от 0,2 до 0,3 мм, обеспечивающими предотвращение разлета частиц диафрагмы при ее разрушении, при этом перфорация торца форкамеры выполнена в виде равномерно размещенных по торцу форкамеры и расширяющихся в направлении распространения волны каналов протяженностью не более 4 мм с отношением площадей входного и выходного отверстий перфорации в диапазоне 1:4–1:10. Длина КВД не превышает 1,5 м. Каналы перфорации могут быть выполнены в форме сопла Лаваля. Кромки входных отверстий перфорации могут быть выполнены скругленными. Длина насечек на диафрагме может составлять до 50 мм.
Воспламенение и сгорание гремучей смеси в форкамере обеспечивает инжекцию горячих струй продуктов горения в полость КВД через отверстия перфорации, что приводит к формированию на расстоянии не более 3-х диаметров УТ от торцевой стенки КВД плоской падающей ударной волны в КВД, разрушающей медную диафрагму с последующим формированием отраженной волны детонации Чепмена – Жуге и проходящей в КНД ударной волны со скоростью более 11 км/с, толкающим газом для которой являются продукты горения гремучей смеси с гелием. Падающая ударная волна воспламеняет газ в КВД. Возникающее пламя поддерживает интенсивность падающей ударной волны, но быстро отстает от ударного фронта. Начальное давление в КВД находится в диапазоне от 8 до 10 атм, а парциальное давление гелия в КВД при этом составляет от 50 до 65%.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами, где
на фиг.1 представлена схема камеры высокого давления;
на фиг.2 представлен чертеж форкамеры;
на фиг.3 представлен образец осциллограммы сигналов датчиков давления (расстояние между датчиками P9 и P10, которые регистрируют скорость ударной волны в камере низкого давления ударной трубы, составляет 100 мм);
на фиг.4 представлена схема установки, содержащей заявляемую ударную трубу.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – форкамера,
2 – диафрагма,
3 – камера высокого давления,
4 – датчики давления
5 – свеча, инициирующая воспламенение гремучей смеси в форкамере,
6 – перфорированный торец форкамеры.
При описании заявляемого устройства использованы следующие условные обозначения:
CHP –камера высокого давления ударной трубы;
CIP –промежуточная камера (камера промежуточного давления) ударной трубы;
CLP – камера низкого давления ударной трубы;
CV1 – вакуумная камера для приготовления газовой смеси;
CV2 – вакуумная камера демпферного объема;
CV3 – вакуумная камера для подготовки гелия в промежуточной камере ударной трубы;
NI - пластинчато-роторный насос 2НВР-5ДМ;
NR – безмасляный откачной пост DRYTEL-1025;
PD1÷PD6 – деформационные вакуумметры и манометры;
PM – вакуумметр ВМБ-14 с магнитным электроразрядным датчиком ПММ-32-1;
V1÷V10 – вентили запорные проходные;
VT – заслонка;
VF1÷VF7 вентили регулирующие;
VM – клапан запорный с электромагнитным приводом.
Осуществление полезной модели.
Заявляемое устройство представляет собой ударную трубу (УТ), в общем случае состоящую из двух секций: камеры высокого давления (КВД) длиной не более 1,55 м и камеры низкого давления (КНД) длиной не более 3 м. Перечисленные камеры изготовлены из цельных отрезков бесшовной горячедеформированной стальной трубы ГОСТ 9940-81 (выполненной из стали 12Х18Н10Т), внешним диаметром около 60 мм, толщиной стенок не менее 5 мм. По торцам к камерам приварены воротниковые фланцы, изготовленные, например, из стали 12Х18Н9Т методом горячего прессования. Каждая секция (камера) размещена на двух юстировочных столиках, установленных на стальных стойках, закрепленных к полу. Между фланцами соседних секций расположены кассеты с диафрагмами. Фланцы стянуты четырьмя болтами 20 мм. Устройство также может содержать промежуточную камеру (КПД) длиной не более 3,5 м, размещенную между КВД и КНД. КПД выполняет вспомогательную функцию, и предназначена, в основном, для исключения влияния толкающего газа (водорода) при проведении кинетических исследований. Тем не менее, установлено, что наличие КПД в составе ударной трубы приводит к повышению скорости регистрируемой ударной волны на 10-20%.
Каждая камера снабжена системой напуска и откачки газов.
Система напуска КНД состоит из трех баллонов 1-3 объемом 40 л, вакуумметра образцового PD1, трех натекателей VF1-VF3, подключенных к мерному объему CV1, и перепускного вентиля V1 (Ду10 мм). Откачка системы напуска осуществляется через перепускной вентиль V1 и вентиль V2 безмасляным откачным постом NR.
Система напуска гелия в КПД, при ее использовании, состоит из баллона объемом 40 л, натекателя VF4, мерного объема CV3, вакуумметра PD2 и перепускного вентиля V8. Откачка системы напуска гелия производится через перепускной вентиль V8, промежуточную камеру CIP и вентиль V7 форвакуумным насосом NI.
Система напуска КВД включает три баллона объемом 40 л, содержащих водород, кислород и гелий. Баллоны натекателями VF5-VF7 и перепускным вентилем V5 соединены с камерой высокого давления. Давление толкающего газа в камере высокого давления контролируется манометрами PD4 и PD5. Манометр PD6 контролирует давление в баллоне с водородом. Вентиль V10 обеспечивает аварийный сброс водорода из камеры высокого давления.
Разводка систем напуска осуществлена трубкой из нержавеющей стали ∅3×0,5 мм. Трубка припаяна серебряным припоем ПСР-40 к соответствующим ниппелям вентилей и манометров. Все уплотнения систем напуска изготовлены из фторопласта.
На фиг. 4 изображена принципиальная схема наполнения и откачки ударной трубы. С помощью насоса NI, подключенного электромагнитным клапаном VM (Ду30 мм) к вакуумной трассе, проложенной вдоль всей трубы, и вентилей V3, V5 и V7 осуществляется форвакуумная откачка всех секций (камер) ударной трубы. С помощью вентиля V6 производится напуск в трубу атмосферного воздуха или нейтрального газа при смене диафрагм. Вакуумная трасса выполнена из отрезков нержавеющей трубы диаметром 18 мм, состыкованных быстроразъемными фланцами, приваренными к трубе через сильфоны. Форвакуумное давление в трубе контролируется вакуумметром PD3. Со стороны камеры низкого давления к трубе через вентиль-заслонку VT, сильфон и Г образный патрубок подсоединен демпферный бак CV2 объемом 47 л, выполненный из нержавеющей стали. Вентиль-заслонка VT имеет проходное сечение 60 мм. К демпферному баку через вентиль V2 (Ду60 мм) подключен безмасляный откачной пост NR. Для контроля степени откачки ударной трубы, также к демпферному баку подсоединен вакуумметр PM с магнитным электроразрядным датчиком. Вентиль VT позволяет производить смену диафрагм в ударной трубе без напуска атмосферного давления в демпферный бак, тем самым существенно уменьшая время чистовой откачки ударной трубы. Все соединения вакуумной системы выполнены быстроразъемными фланцевыми соединениями. В качестве уплотнений вакуумной системы секций трубы, бака, вентилей и т.п. использованы стандартные уплотнения, изготовленные из высоковакуумной резины.
Камера высокого давления (внутренний диаметр до 50 мм, длина 30-60 диаметров трубы) и камера низкого давления разделены между собой диафрагмой. В случае использования в составе установке КПД, диафрагма расположена на границе раздела КВД и КПД. В общем случае, диафрагма представляет собой медный лист (фольгу) толщиной от 0,3 до 0,7 мм. Предпочтительно, в качестве диафрагмы между камерами используют медную фольгу толщиной 0,3-0,4 мм. Использование такого типа диафрагм позволило в настоящее время достигать скоростей ударной волны 11,4 км/с при начальном давлении воздуха в камере низкого давления 0,25 Торр. По площади диафрагмы со стороны КНД выполнены специальные крестообразные насечки, обеспечивающие облегчение разрыва, полное раскрытие и предотвращение уноса в поток оторванных «лепестков» меди, то есть увлечение в поток обрывков материала диафрагм практически отсутствует. Насечки выполнены равномерно по поверхности диафрагмы. Для каждого режима (давление газов, процентное соотношение газов в смеси, геометрические размеры трубы) выбирается определенная толщина диафрагмы и глубина насечек. Так, наиболее оптимальным является выполнение насечек глубиной 0,2-0,3 мм, при этом длина насечек составляет не более 50 мм. Диафрагма функционально предназначена для отражения плоской ударной волны, формируемой в результате воспламенения гремучей смеси, одновременно с ее раскрытием без разрушения и отрыва лепестков, что приводит к сгоранию основной массы запасенного в камере высокого давления газа в режиме, близком к детонации Чепмена-Жуге.
В торце КВД, расположенном с противоположной от диафрагмы стороны, расположена форкамера, предназначенная для воспламенения гремучей смеси. Форкамера может быть образована торцом и стенками КВД и ограничена перфорированным листом из нержавеющей стали. В другом варианте исполнения форкамера может быть образована вставкой в торец КВД стального «стакана» с перфорированным дном. Таким образом, форкамера имеет диаметр, практически совпадающий с внутренним диаметром КВД, и протяженность около 20 мм. Лист из нержавеющей стали (торец форкамеры), в котором выполнена перфорация, имеет толщину до 4 мм, таким образом, протяженность каналов перфорации также составляет 4 мм. Перфорация представляет собой набор равномерно распределенных по площади торца форкамеры протяженных отверстий (каналов), при этом каждый канал выполнен в виде аналога сопла Лаваля. Диаметр входных и выходных отверстий каналов перфорации отличается, и в общем случае, отношение площадей входных отверстий к площади выходных отверстий перфорации находится в диапазоне 1:2-1:10. Наиболее предпочтительным является соотношение указанных площадей 1:4.  Кромки входных отверстий перфорации выполнены скругленными для того, чтобы обеспечить безотрывное истечение горячих струй продуктов горения гремучей смеси. Перфорация в стенке форкамеры обеспечивает истечение однородных горячих струй и формирование плоской ударной волны на расстоянии нескольких диаметров УТ (не более 3-х диаметров УТ) от торца КВД, вблизи которого сформирована форкамера. В общем случае отношение площади входных отверстий каналов перфорации к площади сечения УТ (или площади торца форкамеры) составляет 20-50%.
В торце КВД также смонтировано средство поджига гремучей смеси, выполненное, например, в виде автомобильной свечи. В каждой камере ударной трубы поддерживается определенное давление. Так, диапазон давлений в КВД составляет 8-10 атм.
Измерение скорости ударной волны в измерительном сечении осуществляют пьезодатчиками. Регистрация сигналов с пъезодатчиков выполняется цифровыми запоминающими осциллографами с шириной полосы 100 мГц.
В камере низкого давления на расстоянии 50 и 60 диаметров УТ от диафрагмы, разделяющей КВД и КНД, друг напротив друга расположены пары оптических окон диаметром 10 мм для наблюдения за излучением исследуемого газа. Через окна в каждом эксперименте производились измерения, как спектрального состава излучения, так и изменения во времени интенсивности излучения.
Заявляемое устройство используют для получения высокоскоростной ударной волны, для чего:
1) на первом этапе в камеру высокого давления подают газы для формирования исходной газовой смеси. В качестве исходной газовой смеси может быть использована смесь гелий/кислород/водород в стехиометрической концентрации кислорода и водорода. При этом концентрация гелия составляет от 50 до 65%. Газы для формирования исходной газовой смеси подают в камеру высокого давления (КВД), при этом сначала КВД заполняют гелием, после чего подают последовательно кислород и водород. Для более быстрого перемешивания газы в КВД могут быть поданы с двух противоположных концов камеры. Затем камеру оставляют для обеспечения перемешивания газов. Время перемешивания для КВД длиной 150 см составляет не менее 60 минут для обеспечения хорошей повторяемости. Возможно предварительное приготовление смеси гелия с кислородом в отдельном резервуаре и подача в КВД готовой смеси гелий/кислород и отдельно водород. В таком случае время несколько снижается и, например, для КВД длиной 150 см составит около 40 минут.
2) в форкамеру подают гремучую смесь для поджига. С использованием автомобильной свечи осуществляют поджиг гремучей смеси в форкамере, искровое воспламенение которой приводит к образованию поперечных волн сжатия, которые выравнивают давление в форкамере. С повышением давления начинается струйное истечение продуктов горения через перфорацию торца форкамеры в основную часть камеры высокого давления, заполненную гремучей смесью с гелием. Близкие по интенсивности и составу струи (поступающие через перфорацию форкамеры и находящиеся в КВД) обеспечивают однородное в поперечном направлении воспламенение газа в камере высокого давления, что позволяет получить формирование плоского фронта ударной волны на небольшом (не более 3-х диаметров ударной трубы) расстоянии, что позволяет более эффективно использовать энергию сгорания. Следует отметить, что отсутствие такой перфорации не позволит сформировать ударную волну с заявленными характеристиками. Ударная волна (УВ) при истечении через, например, одно центральное отверстие форкамеры или щелевые отверстия будет формироваться гораздо позже, что не позволит достичь заявленных скоростей ударной волны.
Возникающий фронт пламени генерирует практически плоскую ударную волну, которая к моменту подхода к диафрагме, разделяющей камеру высокого давления и камеру низкого давления, успевает продвинуться на сравнительно большое расстояние от фронта пламени. Эмпирически подобранные значения давления (8-10 атм в КВД) и состава газа (сочетание гремучей смеси и гелия практически в равном соотношении), а также материал (медная фольга) и толщина диафрагмы (0,3-0,7 мм) приводят к тому, что интенсивности отраженной ударной волны не хватает для разрыва диафрагмы, но достаточно для взрывного воспламенения газа у диафрагмы.
Взрывное выделение энергии повышает давление за отраженной от диафрагмы ударной волной, что становится причиной возникновения пересжатой детонации и разрыва диафрагмы, которая быстро приближается к режиму детонации Чепмена-Жуге и обеспечивает полное сгорание газа в камере высокого давления. Интенсивность ударной волны, формирующейся в камере низкого давления, определяется работой, которую могут совершить продукты горения газа, запасенного в камере высокого давления. Необходимо отметить, что даже при полном сгорании газа продукты дефлаграционного (медленного) горения совершают меньшую работу, чем при горении в режиме детонации Чепмена-Жуге [2].
Для исследования полученной ударной волны в КНД предусмотрены две измерительные секции на расстоянии 50 и 60 диаметров УТ от диафрагмы. Каждая измерительная секция имеет два оптических окна диаметром 10 мм, расположенных друг напротив друга. Окна в измерительной секции расположены между двумя пьезоэлектрическими датчиками Ø 4 мм, измеряющими среднюю скорость ударной волны в момент прохождения ее мимо соответствующего оптического окна. Пьезоэлектрические датчики давления имеют скорость нарастания фронта 0,9 мкс, чувствительность датчиков составляет ~0,3 В/атм. Сигнал с датчиков давления регистрируют цифровым осциллографом и фиксируют в память компьютера. Информацию с датчиков регистрируют цифровым осциллографом и передают для записи в компьютер.
Пример конкретного выполнения
1
Заявляемое устройство в качестве опытного образца реализовано лаборатории "Кинетических процессов в газах" (лаб. 109) НИИ механики МГУ. В камере высокого давления установлены датчики давления, сигнал с которых записывался на компьютер с помощью АЦП L-20-10. Газовое наполнение камеры высокого давления представляет собой смесь гремучей смеси (стехиометрической кислородно-водородной смеси и инертного газа-разбавителя гелия в пропорциях He:H2:O2=3:2:1). Рабочее давление в камере высокого давления (КВД) составляет 9 атм, заполняющий ее газ состоит из 50% гремучей смеси и 50% гелия, для поджига гремучей смеси в форкамере использовалась свеча зажигания с энергией разряда 100 мДж, перфорированный диск расположен в 20 мм от торцевой стенки КВД и имеет 19 микросопловых отверстий входным диаметром 1 мм и выходным 2 мм, медная диафрагма имеет толщину 0,5 мм, с насечками глубиной 0,2 мм протяженностью 40 мм. Камера низкого давления имеет следующие характеристики: р=0,25 Торр; 100% воздух. Смесь указанного состава подают в КВД через систему подачи горючей смеси. В форкамеру подают чистую гремучую смесь и поджигают, после чего гремучая смесь воспламеняется, горячий газ через отверстия перфорации поступает в полость КВД, где формируется плоская ударная волна, которая достигает диафрагмы, отражается от нее, в результате чего достигается режим Чепмена-Жуге и формируется ударная волна со скоростью 11,4 км/с. При этом энергетические затраты составляют 84,4 кДж, что существенно ниже энергетических затрат для получения высокоскоростных ударных волн в соответствии с прототипом (более, чем в сорок раз).
На фиг. 3 представлен образец осциллограммы сигналов датчиков давления (расстояние между датчиками P9 и P10, которые регистрируют скорость ударной волны в камере низкого давления ударной трубы, равно 100 мм).
Таким образом, заявляемое устройство позволяет получать скорости ударной волны равные 2-й космической и выше, при начальных давлениях равных 0,25 Торр в ударной трубе с длиной КВД не превышающей 1,5 м, при сжигании фактически любой горючей смеси, в частности, смеси кислород/водород/гелий, что соответствует самому важному участку спуска космических аппаратов.