ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель - газодинамическая установка относится к области гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики, в частности, к технике, связанной с получением горячей плазмы при изучении физических процессов в гиперзвуковых аэродинамических трубах.
Известна крупноразмерная гиперзвуковая аэродинамическая труба (ГАТ) 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.
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 Re 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 1200-2000К 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 на поверхности моделей;
- визуализация картины обтекания с помощью интерферометра сдвига;
- физические исследования.
Однако, состав и возможности данной экспериментальной базы не отражают особенности гиперзвукового диапазона скоростей полета -невозможность моделирования в наземных условиях свободномолекулярного неравновесного течения высокотемпературной плазмы.
Известна газодинамическая установка, 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).
Амплитуда разрядного тока 3 МА, рабочий газ - неон при давлении 0,5-1 Торр. Фарфоровый цилиндр диаметром 40 см и высотой 40 см установлен на верхней крышке разрядной камеры 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.
7
Экспериментальные условия на ПФ позволили обеспечить бесстолкновительное движение плазменных потоков со скоростью ~10 см/с.
Однако, установка ПФ не дает возможность проводить исследования -моделирование процессов обтекания моделей ЛА высокотемпературным плазменным потоком ввиду ограниченных чисел М и времени проведения эксперимента.
Известна гиперскоростная АДТ с магнитогазодинамическим ускорителем Фарадея потока воздуха (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, магнитогазодинамический ускоритель, вторичное сопло, рабочую часть, эжекторы.
Выходное сечение вторичного сопла 0,025×0,025-0,1×0,18 м, скорость потока до 8 км/с.
3/2
Однако, данная установка не позволяет создавать физическую модель обтекания тел в неравновесной разряженной высокотемпературной газовой среде. Данный метод не пригоден для измерений в пограничных гиперзвуковых потоках. Способ нагрева плазмы - джоулев нагрев - не эффективен при высокой температуре плазмы, т.к. частота столкновений между электронами и ионами плазмы, определяющая энерговыделение, падает с ростом температуры как Т.
Технический результат, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, состоит в построении системы гиперзвуковой аэродинамики для исследования в свободномолекулярном потоке течения высокотемпературной плазмы.
Существенные признаки.
Для получения указанного технического результата в газодинамическую установку (ГУ), включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ), в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением воздуха, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитогидродинамический (МГД) ускоритель с управляющими электрическими обмотками, вторичное сопло, рабочая часть ГАТ с исследуемой моделью летательного аппарата (ЛА), выходное сопло, вакуумная емкость, и цифровую вычислительную машину (ЦВМ), соединенную входами через преобразователи электрических сигналов с ионным зондом, с управляющими электрическими обмотками МГД ускорителя и электродугового подогревателя, введены установка электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы на основе гиротрона с источником питания и системой управления, подключенной через преобразователь электрических сигналов к входу ЦВМ, квазиоптический тракт, состоящий из медных зеркал с цилиндрическими поверхностями,
оптически соединяющий патрубок области ГАТ перед МГД-ускорителем с гиротроном, и интерферометр миллиметрового диапазона с источником излучения - лазером, зеркалами, двумя детекторами, фазометром, при этом плазменное плечо оптической линии интерферометра проходит через рабочую часть ГАТ к первому детектору, а опорное плечо - через линию задержки ко второму детектору, выходы которых связаны с входами фазометра, выход которого через преобразователь электрических сигналов связан с входом ЦВМ.
Перечень фигур на чертежах.
Для пояснения сущности полезной модели на фиг.1 приведена функциональная схема газодинамической установки, где изображены:
1 - баллон с высоким давлением;
2 - регулирующий дроссель;
3 - электродуговой подогреватель с управляющими электрическими обмотками;
4 - дозирующее устройство, отсечная задвижка;
5 - первичное сверхзвуковое сопло;
6 - магнитогидродинамический (МГД) ускоритель Фарадея с управляющими электрическими обмотками - 7;
8 - вторичное сопло;
9 - рабочая часть гиперзвуковой аэродинамической трубы;
10 - державка для подвески модели ЛА;
11 - модель ЛА;
12 - выходное сопло;
13 - вакуумная емкость;
14-гиротрон;
15 -ионный зонд;
16, 17, 18, 19, 45 - преобразователь электрических сигналов;
20 - цифровая вычислительная машина (ЦВМ);
21 - источник излучения (лазер);
22, 24, 27, 30 - зеркало;
23, 25, 28, 29, 31 - полупрозрачное зеркало - кварцевые пластины;
26 - оптическая линия задержки;
32, 34 - детектор;
33 - фазометр;
35 - электрические обмотки гиротрона;
36 - адиабатическая пушка;
37 - сужение волновода;
38 - волновод;
39 - коллектор;
40 - выходное окно для вывода излучения СВЧ мощности, волновод;
41, 42 - медные зеркала;
43 - патрубок ввода излучения в ГАТ, диэлектрическое окно;
1
2
44 - электрические обмотки создания двухзаходных винтовых полей. На фиг.2 изображен отсчет набега фазы D-D в плазменном и опорном плечах интерферометра.
Газодинамическая установка включает ГАТ, в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением воздуха 1, регулирующий дроссель 2, электродуговой подогреватель 3 с управляющими электрическими обмотками, дозирующее устройство 4, первичное сверхзвуковое сопло 5, магнитогидродинамический ускоритель 6 с управляющими электрическими обмотками 7, вторичное сопло 8, рабочая часть 9 ГАТ с исследуемой моделью ЛА 11, укрепленной на державке 10, выходное сопло 12 и вакуумная емкость 13, и цифровую вычислительную машину (ЦВМ) 20, соединенную входами через преобразователи электрических сигналов 17, 18, 19 с ионным зондом 15, с управляющими электрическими обмотками МГД-ускорителя 7 и дугового подогревателя 3. В ГУ введены установка электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы на основе гиротрона 14 с источником питания и системой управления, подключенной через преобразователь электрических сигналов
16 к входу ЦВМ, квазиоптический тракт, состоящий из медных зеркал 41, 42 с цилиндрическими поверхностями, оптически соединяющий патрубок 43 области ГАТ перед МГД-ускорителем 6 с гиротроном 14, и интерферометр миллиметрового диапазона с источником излучения - лазером 21, зеркалами 22, 24, 27, 30, полупрозрачными зеркалами 23, 25, 28, 29, 31, двумя детекторами 32, 34, фазометром 33. Интерферометр используется для диагностики плазмы и имеет два оптических плеча. При этом плазменное плечо проходит через рабочую часть ГАТ к детектору 34, а опорное плечо - через линию задержки 26 к детектору 32. Выходы детекторов 32 и 34 связаны с входами фазометра 33. Выход фазометра 33 через преобразователь электрических сигналов 45 связан с входом ЦВМ 20.
4
3
3
Газодинамическая установка работает следующим образом. Моделирование гиперзвукового полета требует воспроизведения в ГАТ давлений торможения от долей до сотен МПа и температур торможения до 10К. При гиперзвуковых числах Маха интенсивно растут потери полного давления при торможении потока и соответственно потребные перепады давления в ГАТ. При числах Маха>4,5 воздух в ГАТ необходимо нагревать для предотвращения его конденсации, так при М=10-нагревать до 10К, при М=20 до (2,5÷2,8)-10К. Максимальное давление в ГАТ с электродуговым подогревателем 3 равно 18-20 МПа, что позволяет моделировать полет гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) только на больших высотах. На больших высотах большой перепад давлений обеспечивается с помощью вакуумной емкости 13. Конденсация основных компонентов воздуха устраняется электродуговым подогревателем 3 рабочего газа, в котором для стабилизации разряда применяется внешнее магнитное поле.
Взаимодействие потоков в ГАТ реализуется путем изменения скорости плазменного потока в МГД - ускорителе 6. Этим процессом управляет ЦВМ 20, которая через преобразователь электрических сигналов 19 соединена с электрическими обмотками 7 МГД - ускорителя 6, через преобразователь
электрических сигналов 17 - с электрическими обмотками электродугового подогревателя 3, а через преобразователь электрических сигналов 18 связана с ионным зондом 15. Ионный зонд 15 используется для определения концентрации и температуры электронов путем измерения силы тока, идущих на электроды, погруженных в плазму при различных подаваемых на него напряжениях. Конструктивно ионный зонд 15 выполнен в виде отдельных датчиков или гребенок для измерения профиля концентрации ионов.
Дальнейший нагрев плазмы - процесс передачи энергии внешних источников в энергию хаотического движения частиц плазмы - происходит с использованием электронно-циклотронного резонансного нагрева (ЭЦРН).
ц
e
ц
ф
e
ц
ЭЦРН основан на близости частоты электромагнитной волны со к электронной циклотронной частоте ω (или ее гармонике), что соответствует электромагнитным волнам длиной 1-2 мм. ЭЦРН позволяет управлять распределением мощности нагрева по сечению плазмы. Применение мощного ЭЦРН в открытых объемах позволяет создавать в них «надтепловые» электроны, что необходимо для функционирования в них тепловых барьеров. В ЭЦРН циклотронные волны - периодические возмущения плотности пространственного заряда, а также стационарной траектории и скорости электронов, распространяющихся в электронном потоке в продольном магнитном поле, возникают в результате периодического изменения перпендикулярной к магнитному полю составляющей скорости электронов под действием внешних сил в каком-либо сечении потока. Перенос возмущений происходит в результате движения электронов со скоростью V вдоль магнитного поля при одновременном вращательном движении с циклотронной частотой ω. Фазовая скорость циклотронной волны равна V=V(1±ω/ω), где ω - частота периодических возмущений (± быстрой или медленной волны).
ц
ц
0
Циклотронный резонанс - избирательное воздействие СВЧ - электромагнитного поля с заряженными частицами, движущимися в постоянном магнитном поле, сопровождающееся резким увеличением или уменьшением энергии частиц. В плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, частица (при наличии поперечной составляющей скорости) совершает периодическое движение по круговой траектории под действием силы Лоренца. Циклотронная частота равна ω=QB/m, где Q - заряд, m - масса частицы, В - магнитная индукция поля. Явление циклотронного резонанса происходит при частоте электромагнитного поля, равной или кратной ω. В ГУ применены двухзаходные винтовые поля. Рост давления плазмы приводит в такой магнитной конфигурации к появлению магнитной ямы и соответственно к улучшению устойчивости плазмы. Напряженность магнитного поля на оси В≥1,5 Тл. Двухзаходная обмотка совершает N=5÷7 шагов на заданной длине ГАТ. Поглощение высокочастотного пучка в плазме ГАТ при наличии циклотронного резонанса, в случае достаточно горячей плазмы, проявляется в виде заметной доли вводимой мощности уже при одном проходе пучка через плазму. Импульсы гиротрона 14 не превышают 8-10 мс, и определяются постоянной времени магнитного поля ГАТ. Электрические обмотки 35 запитываются от конденсаторной батареи квазисинусоидальной полуволной тока общей длительностью 90 мс.
0
ЭЦРН бестоковой плазмы связан с использованием второй гармоники электронной циклотронной частоты (ЭЦЧ) гиротрона с частотой равной f=75 ГТц. Поглощение плазмой волны на второй гармонике (ЭЦЧ) происходит при однопроходном коэффициенте поглощения. Полное формирование плазменного шнура заканчивается через 1.5 мс после включения СВЧ - импульса, причем основной рост плотности происходит за время порядка 0,5 мс. Выбор амплитуды, длительности и момента включения импульса питания пьезокристаллического клапана напуска рабочего газа дозирующего устройства 4 поддерживает постоянство плазмы в течение
всего импульса нагрева. К моменту выключения импульса СВЧ - нагрева в электронной компоненте накоплена энергия, достаточная для поддержания эффективного процесса ионизации поступающего в плазму газа.
При включении СВЧ происходит пробой газа и очень быстрое (за время 0,1-1,2 мс) формирование плотности плазмы, затем нагрев с выходом на стационарные значения основных параметров плазмы. Зависимость нагрева от величины магнитного поля носит выраженный резонансный характер.
ц
0
0
e
0
Гиротрон 14 - мазер на циклотронном резонансе (МЦР), электровакуумный СВЧ - прибор, работа которого основана на взаимодействии потока электронов, движущихся в постоянном магнитном поле по винтовым траекториям, с высокочастотными полями резонаторов и волноводов на частотах, близких к циклотронной частоте электронов. Усиление электромагнитных волн в МЦР осуществляется посредством индуцированного излучения, получаются когерентные СВЧ - колебания от ансамбля вращающихся с циклотронной частотой электронов. В потоке электронов с винтовыми траекториями под действием электромагнитной волны с частотой ω, близкой к циклотронной частоте электронов ω=eHc/ε (где  - энергия электрона, m, e, V - масса покоя, заряд и скорость электрона соответственно, с - скорость света, Н - напряженность однородного статического магнитного поля), возникает поперечная по отношению к магнитному полю группировка электронов (сгусток), обусловленная релятивистской зависимостью циклотронной частоты от энергии электронов. Излучение образовавшихся сгустков приводит к усилению волны.
Электронный поток в гиротроне 14 формируется с помощью адиабатической пушки 36 (АП), которая служит для формирования трубчатого электронного потока с винтовыми траекториями электронов и малым разбросом электронов по скоростям. АП 36 содержит асимметричные
катод и анод, имеющие форму усеченных конусов и расположенные в нарастающем краевом поле соленоида. В АП 36 вылетающие из катода электроны под действием скрещенных электрических и магнитных полей приобретают осцилляторное (колебательное) движение и угловой дрейф, а под действием продольной составляющей электрического поля - смещение вдоль оси. По мере продвижения электронов в осевом направлении электрическое поле и угловой дрейф уменьшаются и траектории электронов преобразуются в винтовые линии. Гиротрон 14 содержит волновод 38 в виде достаточно длинного (по сравнению с рабочей длиной волны) отрезка металлической трубы с сужениями 37 на концах (открытый резонатор); за сужениями труба плавно расширяется в сторону катода и коллектора 39. Вывод СВЧ мощности из пространства взаимодействия осуществляется за счет того, что сужение трубы со стороны коллектора 39 меньше, чем со стороны катода. При этом мощность из пространства взаимодействия «просачивается» в сторону коллектора 39, функции которого выполняет другой (выходной) волновод 40. Диэлектрическое окно вывода энергии СВЧ располагается в выходном волноводе 40 за коллектором.
Транспортировка высокочастотной мощности от гиротрона к камере осуществляется с помощью квазиоптического тракта, состоящего из двух медных зеркал 41, 42. Для подфокусировки микроволнового пучка зеркала имеют цилиндрические поверхности, попарно ориентированные в перпендикулярных плоскостях.
е
e
Зондирование плазмы как макроскопической среды, влияющей на распространение электромагнитной волны, дает возможность определить плотность плазмы n и частоты столкновения электронов с тяжелыми частицами ν. Зависимость диэлектрической проницаемости плазмы от частоты выражается в виде:
c
р
р
р
р
2
2
n=mω/4πe- критическая концентрация, при которой ω=ω (где ω- резонансная частота) и Reε=0. При ω>ω сигнал проходит через плазму, при ω<ω происходит отражение волн.
е
с
e
Интерферометрический способ исследования нестационарной плазмы основан на зависимости разности фаз между опорным излучением и излучением, прошедшим через плазму, от плотности плазмы. Если же плотность плазмы n<n и длина волны λ≪Λ - характерного размера неоднородности, то Rε определяет разность фаз волны, прошедшей через плазму и опорной:
e
где L - длина зондирования. Мнимая часть ε определяет экспоненциальное затухание волны с коэффициентом , затем вычисляется ν.
12
16
-3
Диагностика плотности плазмы производится с помощью одноканального 2-х - миллиметрового интерферометра. Зондирование плазмы миллиметровыми и субмиллиметровыми волнами дает возможность на основе интерферометрических измерений определять концентрацию электронов в широком диапазоне 10-10 см и наблюдать за ее изменением с требуемым временным разрешением (при L=20 cm - длина пути зондирования). Ввод зондирующей волны в плазму и ее прием осуществляется с помощью источника излучения пучков, размеры которых определяются из условия, чтобы область локализованной волны в плазме была существенно меньше размеров плазмы. Поляризация возбуждаемой волны должна быть параллельной магнитному полю, а направление распространения - перпендикулярно полю. Угловая расходимость возбуждаемой волны достаточно малая, чтобы удовлетворить условию квазиперпендикулярного распространения.
В интерферометрической схеме осуществляется индикация изменяющегося во времени фазового набега, фиг.2. Продектектированный
интерференционный сигнал детектора 32 позволяет определить изменение фазового набега по положению максимумов или минимумов (расстояние между ними соответствует изменению Δφ на π). При индикации различают знак изменения фазы и амплитуды сигнала, флюктуации концентрации.
-2
Схема основана на применении пилообразной модуляции разности фаз между плазменным и опорными каналами интерферометра с периодом «пилы», много меньшим характерного времени изменения концентрации электронов. Она осуществляется путем модуляции частоты генератора, которая превращается в фазовую модуляцию при наличии разности хода в плазменном и опорном плечах. Необходимая разность хода (создающая модуляцию разности фаз, превышающую измеряемый фазовый набег) достигается введением в одно из плеч интерферометра оптической линии задержки 26, которая обеспечивает задержку электромагнитных сигналов на некоторый заданный промежуток времени. Интерференционный сигнал на детекторе 32 позволяет провести сравнение изменения фазы волны в плазме с изменением, вызванным модуляцией фазы в пределах каждого периода пилообразных колебаний. Это сравнение осуществляется в фазометре 33 путем определения сдвига частоты, фиг.2. Смешивание волн со сдвинутой частотой приводит к выделению сигнала разностной низкой частоты. Сдвиг фазы между опорной волной и волной, прошедшей через плазму, определяется при этом по временному смещению нулей интерференционного сигнала. В качестве источника применен лазер 21 на переходе молекул между колебательными и вращательными уровнями λ=330 мкм, Р=150 мв. Разделение лучей проводится с помощью кварцевых пластин 23, 25, 28, 29, 31. Отражатели и фокусирующие элементы выполнены из алюминированных стеклянных зеркал 22, 24, 27, 30. Детектирование в 32, 34 осуществляется пьезоэлектрическими элементами, фазовый сдвиг находится по временному сдвигу минимума продетектированных сигналов с погрешностью 10. Фазометр 33 измеряет угол сдвига фаз между векторами электрического напряжения, действующими в электрической цепи. Электронная схема его,
использующая показания двух периодических процессов, электрические величины которых определяют измеримое отношение; создается состояние синхронизма. Сигналы фазового сдвига, поступающего из фазометра 33 через преобразователь электрических сигналов 45, передаются на вход ЦВМ 20.