СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В УДАРНОЙ ТРУБЕ
METHOD FOR GENERATION OF HIGH-SPEED SHOCK WAVE IN IMPACT PIPE

Область техники
Заявляемое изобретение относится к физике сильных ударных волн, физике горения и взрыва и может быть использовано для инициирования ударных волн, распространяющихся 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, заявляемое изобретение может быть использовано для верификации физико-химических моделей неравновесных процессов диссоциации и ионизации различных газов в экстремальных условиях.
Уровень техники
В классических устройствах инициирования детонации либо 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. Knystautas and 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 не превышает 10 км/с.
Из уровня техники известен способ инициирования детонации в трубе с горючей смесью (патент РФ №2672244), включающий формирование турбулентного фронта пламени, его ускорение и усиление образовавшейся ударной волны, при этом формирование турбулентного фронта пламени осуществляется в высокоскоростном турбулентном потоке горючей смеси, образованной за счет турбулентного смешения перекрестных сверхзвуковых струй горючего и окислителя, при помощи форкамерно-факельного зажигания, при этом форкамера заполняется горючей смесью, поступающей из детонационной трубы, а зажигание горючей смеси в форкамере осуществляется при помощи слабого источника зажигания.
Однако известный способ также характеризуется низкой скоростью распространения ударной волны. 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.
2
2
1
1
Известен также способ инициирования импульсной детонации топливно-воздушной смеси (патент РФ №2659415) заключающийся в том, что генерируют первичную ударную волну и затем оказывают малое энергетическое воздействие на топливно-воздушную смесь перед фронтом лидирующей ударной волны. В качестве малого энергетического воздействия используют воздействие селективным лазерным излучением, при поглощении которого молекулы кислорода смеси переходят в состояние синглет-дельта O(aΔg) и ускоряют химические реакции горения топлива, причем воздействуют лазерным излучением на топливно-воздушную смесь в локальных областях перед фронтом лидирующей ударной волны с опережением по времени меньшим, чем время релаксации кислорода в состоянии синглет-дельта O(aΔg), в момент, когда скорость лидирующей ударной волны меньше скорости детонации в режиме Чепмена - Жуге в топливно-воздушной смеси, а энергию лазерного излучения устанавливают из условия достаточности для увеличения скорости лидирующей ударной волны с переходом к нестационарному колебательному режиму детонации. Технический результат - снижение докритической энергии инициирования импульсной детонации в топливно-воздушной смеси ниже, чем при последовательном зажигании горючей смеси электрическими разрядами.
В данном источнике установлено, что максимальное снижение энергии инициирования детонации в рассматриваемой смеси достигается при воздействии селективного лазерного излучения в момент, когда скорость волны составляет около 1700 м/с, что является довольно низким показателем для обеспечения возможности использования данного способа для инициирования сильных ударных волн.
Из 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) известна ударная труба, включающая 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 источников 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 использовались лавсановые (полиэтилентерефталат) диафрагмы, которые при разрыве существенно ограничивают поток, летят в трубу, создают углеводородные примеси и оседают на стенки.
Экспериментально подтверждено, что скорость детонации постоянна для конкретной горючей смеси газов. Состояние Чепмена - Жуге является наиболее устойчивым состоянием детонации.
Spectral measurements of hypervelocity flow in an expansion tunnel. Acta Mechanica Sinica.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ инициирования высокоскоростных ударных волн, раскрытый в работе (Yuan C.K., Zhou K., Liu Y.F., Hu Z.M., Jiang, Z.L. (2018).  doi:10.1007/s10409-018-0806-8). В двухдиафрагменной детонационной трубе JF16 высокоскоростная ударная волна формируется в результате детонационного сжигания водородно-кислородной смеси, в камере высокого давления. Для получения скорости ударной волны 7.9 км/с при начальном давлении воздуха 0.15 Торр энергетические затраты на единицу площади составляют порядка 74 кДж/см2.
Однако максимальная скорость, достигаемая с использованием известного способа, на составляет 10.2 км/с, при этом для получения такой скорости затрачивается энергия в 4 МДж, что является крайне высоким показателем для успешного применения способа.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу за счет создания способа генерации высокоскоростных ударных волн, обеспечивающего повышенную эффективность ударной трубы.
Краткое раскрытие сущности заявляемого изобретения
Технический результат, достигаемый благодаря заявляемому изобретению, состоит в возможности генерации ударной волны, распространяющейся в камере низкого давления ударной трубы со второй космической (и более) скоростью и уменьшении энергетических затрат для получения высокоскоростных ударных волн за счет наиболее полного использовании энергии горения разбавленной гелием кислородно-водородной смеси в камере высокого давления (КВД) за счет обеспечения 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 способ генерации высокоскоростной ударной волны в ударной трубе, содержащей камеру высокого давления (КВД), с одного торца снабженную форкамерой с перфорированным торцом, обращенным в направлении распространения волны, а с другого торца через диафрагму соединенную с камерой низкого давления (КНД), включает подачу гелия и гремучей смеси в КВД, подачу и воспламенение в форкамере гремучей смеси, в результате сжигания которой обеспечивают инжекцию горячих струй газа из форкамеры через отверстия перфорации в полость КВД, которые на расстоянии не более 3-х калибров от торца КВД приводят к формированию плоской падающей ударной волны, разрушающей диафрагму с 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. Диафрагма выполнена из медного листа толщиной от 0,3 до 0,7 мм, снабженного крестообразными насечками размером от 0,2 до 0,3 мм, обеспечивающими предотвращения разлета ее частиц при разрушении. 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%. После подачи гелия и гремучей смеси в КВД обеспечивают перемешивание компонентов смеси выдерживанием в течение 30-80 минут. Длина КВД не превышает 1,5 м.
Воспламенение и сгорание гремучей смеси в форкамере обеспечивает инжекцию горячих струй продуктов горения в полость КВД через отверстия перфорации, что приводит к формированию плоской падающей ударной волны в КВД на расстоянии не более 3-х калибров от торцевой стенки КВД. Падающая ударная волна воспламеняет газ в КВД. Возникающее пламя поддерживает интенсивность падающей ударной волны, но быстро отстает от ударного фронта.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, где
на фиг. 1 представлена схема камеры высокого давления с расположенными в ней датчиками давления и форкамерой,
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, равно 100мм),
на фиг. 4 представлена схема установки, посредством которой реализуют заявляемый способ (ударная труба).
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 устройства, посредством которого реализуют заявляемый способ, 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 изобретения
Заявляемый способ реализуют с использованием устройства, представляющего собой ударную трубу (УТ), в общем случае состоящую из трех секций: камеры высокого давления (КВД) длиной не более 1.55 м, промежуточной камеры (КПД) длиной не более 3.5 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 секциям приварены воротниковые фланцы, изготовленные, например, из стали 12Х18Н9Т методом горячего прессования. Длина секций выбиралась с учетом наличия свободного места в помещении лаборатории, толщина стенок трубы выбиралась из соображений возможности ручного монтажа и обслуживания ударной трубы двумя сотрудниками лаборатории. Каждая секция размещена на двух юстировочных столиках, закрепленных на стальных стойках, закрепленных к полу. Между фланцами соседних секций расположены кассеты с диафрагмами. Фланцы стянуты четырьмя болтами 20 мм. Заявляемое изобретение может быть реализовано и при ее отсутствии, при непосредственном соединении КВД и КНД. КПД выполняет вспомогательную функцию, не является обязательным элементом ударной трубы 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 (Ду 10 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 ∅3х0.5 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 (Ду 30 мм) к вакуумной трассе, проложенной вдоль всей трубы, и вентилей V3, V5 и V7 осуществляется форвакуумная откачка всех секций 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 образцовым 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 (Ду 60 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 диаметром 50 мм, длина 30-60 калибров) 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 0,2 до 0,7 мм. 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 выполнены специальные крестообразные насечки, обеспечивающие облегчение ее разрыва, полное раскрытие и предотвращение уноса в поток оторванных «лепестков» меди, то есть увлечение в поток обрывков материала диафрагм практически отсутствует. Для каждого режима выбирается определенная толщина диафрагмы и глубина насечек. Диафрагма 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 образована вставкой стального «стакана» с перфорированным дном в торец КВД. Таким образом, форкамера имеет диаметр, совпадающий с внутренним диаметром КВД, и протяженность порядка 20 мм. Перфорация выполнена равномерной, при этом каждое отверстие выполнено в виде аналога сопла Лаваля. Отношение площадей перфорации к площади сечения УТ находится в диапазоне: 20-100. Перфорация в стенке форкамеры обеспечивает истечение однородных горячих струй и формирование плоской ударной волны на расстоянии нескольких калибров (3-и калибра) от торца КВД, вблизи которого сформирована форкамера.
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 калибров от диафрагмы 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.
На первом этапе реализации способа 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 50до 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.
Гремучую смесь для поджига подают в форкамеру. 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 из форкамеры и находящиеся в КВД) обеспечивают однородное в поперечном направлении воспламенение газа в камере высокого давления. 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 калибров 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 ∅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. КПД (в случае ее использования) снабжена двумя аналогичными пьезоэлектрическими датчиками давления, расположенными со стороны, обращенной к камере низкого давления на расстоянии 11 и 21 см от диафрагмы. Датчики давления КПД позволяют контролировать скорость ударной волны в буферном газе и получать информацию о процессе раскрытия диафрагмы между КПД и КНД. Информацию датчиков регистрируют цифровым осциллографом и передают для записи в компьютер.
Пример конкретного выполнения
1
Заявляемый способ в рамках опытной эксплуатации реализован на экспериментальном комплексе "Ударная труба" 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. 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. Проведенные эксперименты подтверждают заявленное изобретение. При этом энергетические затраты составляют 84.4кДж, 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 100мм).
Таким образом, заявляемый способ позволяет в традиционной ударной трубе с длиной КВД не превышающей 1.5м, при сжигании фактически любой горючей смеси, в частности, смеси кислород/водород/гелий, получать скорости ударной волны равные 2-й космической и выше, при начальных давлениях равных 0,25Торр, что соответствует самому важному участку спуска космических аппаратов.