УСТРОЙСТВО ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫЕ ОБЛАКА
PYROTECHNIC GENERATOR APPARATUS FOR IMPACT ON SUPERCOOLED CLOUDS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и устройствам для изменения атмосферных условий, а именно к пиротехническим аэрозолеобразующим системам, предназначенным для активного воздействия на переохлажденные облака.
Уровень техники
Известны пиротехнические генераторы, предназначенные для воздействия на облака, которые состоят из корпуса генератора, снаряженного пиротехническим составом, содержащим льдообразующе-активные соединения. Выход продуктов горения пиротехнического состава производится из открытого торца генератора (европейские и североамериканские патроны воздействия), из отверстия диафрагмы, размещенной в торце генератора (российские патроны воздействия ПВ-26, самолетные авиационные генераторы САГ, наземные аэрозольные генераторы НАГ), из отверстий в корпусе генератора (например, головная часть ракеты линейки «Алазань»), либо через сопло маршевого двигателя. Например, патенты RU 2705677 С2 (пиротехнический патрон для стимулирования осадков), RU 2269738 С2 (генератор аэрозоля для воздействия на облака), RU 2129354 C1 (ракета для воздействия на облака), RU 2715665 C1 (ракета для воздействия на облака). Во всех перечисленных случаях выход продуктов сгорания генератора льдообразующего аэрозоля в атмосферу сопряжен с попаданием кислорода воздуха в высокотемпературную зону газовых продуктов горения пиросостава, вследствие чего имеет место либо частичное окисление льдообразующих компонентов, либо полное их выгорание вследствие воспламенения струи. Также имеет место зависимость свойств образованного аэрозоля от скорости движения генератора в атмосфере и давления в месте применения изделия, что может приводить к появлению ошибок при прогнозировании результата воздействия вследствие различия условий в момент применения изделия в условиях реального полета и при наземном испытании генератора.
Известные способы и генераторы обеспечивают генерирование аэрозоля, попадание которого в облако приводит к нарушению его термодинамического равновесия и способствует выпадению осадков или предотвращению выпадения града с различной степенью эффективности.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому можно отнести RU 2705677 С2 «Пиротехнический патрон для стимулирования осадков» представляющий конструкцию генератора, снабженного телескопическим соплом, через которое реализуется выход продуктов горения генератора. Целью использования соплового блока в данном изобретении состоит увеличение дальности полета пиротехнического патрона и увеличение зоны засева вследствие увеличения угла раскрытия струи истекающих газов. В результате использования конического сопла с большим углом раскрытия создается расходящийся поток газа - продуктов сгорания пиротехнического состава.
Однако авторам данного изобретения не уделяется должного внимания вопросам температуры газовой струи и процессам смешения компонентов газовой струи с окружающим воздухом, вследствие чего имеет место как частичное окисление льдообразующе-активных компонентов факела генератора, так и вторичное его воспламенение. В последнем случае происходит практически полное выгорание компонентов, способных к горению (например, йодистого аммония) и значительное разложение йодпроизводных серебра. При этом регистрируемые спектры частиц аэрозоля по размерам могут значительно измениться, а льдообразующая активность аэрозоля уменьшиться на два и более порядка величины.
Сущность изобретения
Целью предполагаемого изобретения является повышение льдообразующей эффективности образующегося аэрозоля и стабилизации процесса его образования.
Для достижения заявленной цели генератор, содержащий известный пиротехнический состав для воздействия на облака, снабжается профилированным соплом Лаваля, функционирующем в сверхзвуковом нормальном режиме расширения (давление на срезе сопла равно атмосферному) с углом конусности на срезе сопла 0 рад. При этом профиль дозвуковой части сопла Лаваля (конфузор) рассчитывается по уравнению Витошинского [Юренев В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник. М., Энергия, 1976, изд. 2, 896 с.]:
где
х - координата вдоль продольной оси сопла,
R - радиус входного сечения конфузора (радиус камеры сгорания);
r - радиус критического сечения сопла;
l - длина конфузора, большая или равная удвоенному радиусу входного сечения конфузора.
Параболический профиль сверхзвуковой части рассчитывается по уравнению (2)
где
х - координата вдоль продольной оси сопла,
β - предельный угол отклонения радиального течения в зоне критического сечения;
R - радиус среза сопла;
l - длина сверхзвуковой части сопла.
3
3
3
При этом основное понижение температуры газового потока происходит непосредственно в пределах сверхзвуковой части сопла, а температурная зона начала конденсации высококипящих составляющих плазменного потока, соответствующая температурам кипения основных льдообразующих компонентов 1779 К и 1593 К (AgI и CuI соответственно), находится в непосредственной близости от критического сечения сопла (чертеж 1А). Из-за значительного охлаждения газового потока в тракте сопла, вторичное воспламенение газовой струи невозможно, поскольку на срезе сопла Лаваля температура газового потока значительно ниже температуры самовоспламенения газовой смеси даже при стехиометрическом соотношении продуктов горения и кислорода воздуха (в реальности на срезе сопла кислорода воздуха в газовой смеси нет). Для сравнения на чертеже 1Б приведен расчет истечения продуктов горения аналогичного пиротехнического состава в открытом корпусе генератора. При этом в открытом корпусе генератора имеет место значительный объем температурной зоны, соответствующей температурам кипения высококипящих льдообразующих компонентов, - 14917 мм против 5 мм для случая сопла Лаваля, а также значительный объем (148641 мм) зоны, в которой термодинамически возможно возникновение вторичного пламени (реализуется ситуация вхождения достаточного количества кислорода воздуха, обдувающего генератор потока при достаточно высокой температуре).
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами 1-3.
Чертеж 1 - Расчетная визуализация температурных полей при горении пиросостава патента RU 125262 при истечении газовой струи через сопло Лаваля (чертеж 1А) и из открытого торца генератора (чертеж 1Б).
Чертеж 1А - истечение газовой струи через сопло Лаваля с геометрией поверхности, рассчитанной по формулам 1 и 2 в пределах тракта сопла и непосредственно за срезом сопла.
3
3
Рабочее давление в сопле Лаваля - 5 МПа, температура горения пиросмеси 2077 К, скорость обдувающего потока 10 м/с, диаметр камеры сгорания 0,02 м, длина сопла 0,076 м, диаметр среза сопла 0,027 м, диаметр критического сечения 0,004 м. Расчетный объем зоны конденсации высококипящих льдообразующих компонентов 5 мм. Объем зоны возможного воспламенения выходящего газа 0 мм (на выходе из сопла температура ниже температуры воспламенения газовой смеси, вторичное воспламенение газов невозможно).
3
3
Чертеж 1Б - истечение газовой струи из открытого торца генератора. Открытый генератор: рабочее давление 0,1 МПа (равно атмосферному давлению), температура горения пиросмеси 1860К (пиросмесь та же, но с падением давления температура уменьшается), скорость обдувающего потока 10 м/с, диаметр камеры сгорания 0,02 м, Расчетный объем зоны конденсации высококипящих льдообразующих компонентов - 14917 мм, Объем зоны возможного воспламенения выходящего газа - 148641 мм.
Цифрой 1 на чертежах 1.А и 1.Б отмечена температурная зона конденсации высококипящих компонентов (AgI, CuI), цифрой 2 - область температур возможного воспламенения газовых продуктов в ситуации попадания в газовую струю кислорода воздуха. Цифрами 3,4 на чертеже 1А показана температурная шкала, где 3 - Т = 2077°К, 4 - Т = 293°К. Цифрами 3,4 на чертеже 1Б показана температурная шкала, где 3 - Т = 1860°К, 4 - Т = 293°К. Информация, приведенная на чертежах 1.А и 1.Б, обозначает объемы зон конденсации и возможного воспламенения газовых продуктов в куб. мм. По осям абсцисс и ординат указаны линейные пространственные размеры в мм.
Чертеж 2 - Распределение температуры по тракту сопла Лаваля в зависимости от исходной температуры в корпусе генератора: 1-Т = 2500 K; 2 - Т = 2300 K; 3 - Т = 2100 K; 4 - Т = 1800 K; 5 - Т = 1779 K - температура кипения AgI; 6 - Т = 1593 K - температура кипения CuI.
На чертеже 2 показано изменение температуры вдоль оси газового потока, образованного при горении состава по патенту RU 125262 по тракту и за пределами сопла Лаваля в зависимости от давления в камере сгорания (от 0,5 МПа до 10 МПа). Температуры кипения основных компонентов льдообразующей композиции 1779 К (AgI) и 1593 К (CuI) отмечены горизонтальными линиями 5 и 6 соответственно.
Чертеж 3 - Результаты испытаний пиротехнических генераторов с различными вариантами истечения высокотемпературной плазменной струи.
Чертеж 3 А - профилированное сопло с геометрией поверхности по уравнению 1 и 2 (сверхзвуковой нормальный режим истечения), чертеж 3Б - открытая поверхность пиросостава (генератор типа САГ), чертеж 3В, чертеж 3Г - головные части ракеты «Алазань-6» и «Алазань-9» соответственно. На чертежах 3В, 3Г зафиксирован момент воспламенения газов, выходящих из головной части и соплового блока (как из носовых отверстий, так и из сопла Лаваля нерасчетной конфигурации). В случае наличия сопла Лаваля, но не отвечающего условиям, перечисленным в патенте (наличие конфузора правильной формы, функционирование сопла в сверхзвуковом режиме, параболический профиль сверхзвуковой части с углом конусности на срезе сопла 0 рад) сохраняется возможность воспламенения газовых продуктов и выгорания основных льдообразующих компонентов газово-аэрозольной фазы.
Осуществление изобретения
Технический результат в предлагаемом решении достигается за счет того, что при организации истечения высокоскоростной плазменной струи через профилированное сверхзвуковое параболическое сопло с геометрией поверхности, рассчитанной по формулам 1 и 2, функционирующее в нормальном режиме расширения, конденсация льдообразующего аэрозоля происходит в пределах объема сопла, причем на срезе сопла выходящий газ охлаждается до температуры более низкой, чем температура воспламенения газовой смеси. При этом условия конденсации аэрозоля не зависят от условий среды функционирования генератора - скорости обдува, давления на высоте применения и температуры.
Как показали эксперименты, проведенные в ФБГУ «НПО «Тайфун», в случае возникновения вторичного пламени льдообразующая активность аэрозоля уменьшается на два и более порядка величины по сравнению с льдообразующей активностью аэрозоля, образованного тем же пиротехническим составом, но при горении без образования вторичного пламени. В связи с этим пиротехнический генератор со специальным соплом образует льдообразующий аэрозоль с большей льдообразующей эффективностью. Дополнительно фиксируется большее постоянство свойств аэрозоля вне зависимости от условий применения: скорости движения генератора, температуры и давлении в целевой области воздействия, что и способствует достижению цели предполагаемого изобретения.