ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

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).
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
7
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 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 бесстолкновительных 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 в неоднородных магнитных полях, обнаружения, визуализации и разрушения бесстолкновительных ударных волн (БУВ).
Существенные признаки.
Для получения указанного технического результата в газодинамическую установку, включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ), в которой расположены баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, 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), при этом снаружи на рабочей части ГАТ установлены перед моделью ГЛА ионизационный калориметр на основе полупроводникового детектора и фотоэлектронного усилителя (ФЭУ), у первого оптического окна - рентгеновская установка, содержащая электронную пушку с генератором высоковольтных импульсов, оптически связанную с электронной ловушкой, а через сцинтилляционный счетчик - с ФЭУ, у второго оптического окна ГАТ - спектрометр комбинационного рассеяния света (КРС), 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 входом через преобразователь сигналов со спектрометром КРС, вторым и третьим входами - через преобразователи сигналов блоков измерения электромагнитных полей с управляющими электрическими обмотками МГД - ускорителя и с контрольными электрическими обмотками СЭМП соответственно, четвертым и пятым входами через анализаторы импульсов - с рентгеновской установкой и с ионизационным калориметром соответственно, дополнительно снаружи в передней области рабочей части ГАТ перед моделью ГЛА у третьего оптического окна установлен лазер с ядерной накачкой (ЛЯН), оптически связанный через второе окно ГАТ со
спектрометром КРС, при этом органы управления реактивностью ЛЯН через согласующий блок управления связаны с шестым 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 газа;
2 - регулирующий дроссель;
3 - электродуговой подогреватель;
4 - дозирующее устройство;
5 - первичное сверхзвуковое сопло;
6 - магнитогидродинамический (МГД) - ускоритель Фарадея с управляющими электрическими обмотками - 7;
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 - ионизационный калориметр;
15 - электронная пушка;
16 - генератор высоковольтных импульсов;
17 - спектрометр комбинационного рассеяния света (КРС);
18 - преобразователь сигналов;
19, 24 - преобразователь сигналов блока измерения электромагнитных полей;
20 - цифровая вычислительная машина (ЦВМ);
21, 41 - анализатор импульсов (преобразователь сигналов);
22 - согласующий блок управления;
23 - фотоэлектронный усилитель (ФЭУ);
25, 26, 42 - окна ввода-вывода излучений;
26 - сцинтилляционный счетчик;
28 - контрольные электрические обмотки СЭМП;
29 - коллектор электронов - электронная ловушка;
30 - лазер с ядерной накачкой (ЛЯН), реактор - лазер (РЛ);
31 - лазерные каналы;
32 - замедлитель нейтронов;
33 - отражатель нейтронов;
34 - корпус;
35 - органы управления реактивностью;
36 - внутренние оптические элементы, резонаторы;
37 - система прокачки газа;
38 - теплообменник;
39 - внешние оптические элементы;
40 - волоконно-оптические линии.
Газодинамическая установка (ГУ) включает гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ) с оптическими окнами 25, 27, 42 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 7, вторичное сопло 8, рабочая часть ГАТ 9, внутри которой размещена исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) 11, выходное сопло 12, вакуумная емкость 13. При этом снаружи на рабочей части ГАТ 9 установлены перед моделью ГЛА 11 ионизационный калориметр 14 на основе полупроводникового детектора и фотоэлектронного усилителя (ФЭУ). У первого оптического окна 25 - рентгеновская установка, содержащая электронную пушку 15 с генератором высоковольтных импульсов 16, оптически связанную с электронной
ловушкой 29, а через сцинтилляционный счетчик 26 - с ФЭУ 23. У второго оптического окна 27 ГАТ - спектрометр комбинационного рассеяния света 17 (КРС). А вокруг модели ГЛА 11 - система электромагнитной подвески модели (СЭМП) с силовыми 10 и контрольными 28 электрическими обмотками. ЦВМ 20 соединена первым входом через преобразователь сигналов 18 со спектрометром КРС 17, вторым и третьим входами - через преобразователи сигналов блоков измерения электромагнитных полей 19, 24 с управляющими электрическими обмотками 7 МГД - ускорителя бис контрольными электрическими обмотками СЭМП 28 соответственно, четвертым и пятым входами через анализаторы импульсов 21, 41 - с рентгеновской установкой и с ионизационным калориметром 14 соответственно. Дополнительно в ГУ снаружи в передней области рабочей части ГАТ 9 перед моделью ГЛА 11 у третьего оптического окна 42 установлен лазер с ядерной накачкой (ЛЯН) 30, оптически связанный через второе окно 27 ГАТ со спектрометром КРС 17, при этом органы управления реактивностью 35 ЛЯН 30 через согласующий блок управления связаны с шестым входом ЦВМ 20.
Газодинамическая установка работает следующим образом.
4
3
3
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 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 K. 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 7 МГД - ускорителя 6. Характеристики плазмы (скорость потока, распределение частиц плазм по скоростям) определяется с помощью рентгеновской установки (15, 16, 29, 26, 23).
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 бесстолкновительной ударной волны, распространяющейся поперек магнитного поля, возбуждаются интенсивные ионно-звуковые колебания, обнаруживаемые с помощью использования спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), ЛЯН 30 на турбулентных флюктуациях плазмы.
Ионизационный калориметр 14 - спектрометр полного поглощения, устройство для измерения электронов и фотонов, основанное на полном поглощении в толстом слое вещества энергии, как первичной частицы, так и всех частиц, образующихся при ее взаимодействии с веществом. В результате взаимодействия с веществом первичная частица быстро растрачивает всю энергию на образование большого числа вторичных частиц, и, в конечном счете, на ионизацию (число пар ионов), обнаруживаемой детектором. В качестве детектора применены полупроводниковые детекторы. Для съема сигналов с них в структуре ионизационного калориметра 14 используется ФЭУ, с которого электрические сигналы через анализатор импульсов 41 поступают на пятый вход ЦВМ 20.
Спектроскопия КРС - дает возможность определить преобразование первичного светового потока, сопровождающееся переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни. При этом в спектре рассеяния, помимо несмещенной линии, содержатся новые линии, частоты которых представляют собой комбинации из частоты падающего света и частот колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул.
Интенсивный пучок света ЛЯН 30 концентрируется на потоке плазмы в рабочей части ГАТ. Рассеянный свет наблюдается под углом рассеяния 6 к направлению падающего луча. При КРС изменение частоты первичного излучения сопровождается переходом рассеивающих молекул на другие колебательные или вращательные уровни: происходит поглощение кванта ℏω первичного света частоты ω и испускание кванта ℏω′ частоты ω′.
i
i
s
i
s
i
s
i
Если в плазме существуют флюктуации с частотой ω и волновым вектором К, то при падении на нее электромагнитной волны с частотой ω и волновым вектором К возникает рассеянная волна с частотой ω=ω±ω и волновым вектором К=К±К. Сдвиг частоты при рассеянии лазерного света очень мал, и поэтому , так что , где θ - угол между К и К. Фиксируя направление наблюдения с помощью спектрометра 17, определяется значение вектора К. При наблюдении рассеяния в определенном направлении можно указать на флюктуацию, с каким волновым вектором она будет происходить.
Измеряемый сдвиг частоты , соответствует частоте ионно-звуковых колебаний с вектором  (температура электронов в середине фронта). Спектральное разложение рассеянного света осуществляется спектрометром 17, регистрация света в нем осуществляется фотоэлектрическим методом - с помощью ФЭУ.
ЛЯН 30 совмещает функции лазерной системы и ядерного реактора (см. Синянский А.А. Энергетические реакторы - лазеры. Журнал «Атом»
№22/03 стр.36-41. ФГУП РФЯЦ, ВНИИЭФ). 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 включены органы управления 35, 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<0,1 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 ЛЯН 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 ⌀2 м обеспечивают мощность лазерного излучения около 200 квт. В центральном канале размещаются органы управления реактивностью 35, которые через согласующий блок управления 22 связаны 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 фокусированием (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.
При исследованиях газовых потоков излучение, индуцируемое электронным пучком, маскируется собственным излучением плазмы или фоновым свечением. Используется рентгеноэлектронный метод измерения локальной плотности разреженного газа, основанный на линейной зависимости интенсивности тормозного рентгеновского излучения, генерируемого в зоне прохождения электронного пучка, от плотности плазмы в зоне. Высокое пространственное разрешение обеспечивается регистрацией излучения из малой области, ограниченной сечением пучка и апертурой прибора. При взаимодействии быстрых электронов с атомами происходит генерация рентгеновского излучения вследствие ударной ионизации с внутренних оболочек атома с последующим испусканием γ - квантов. В рабочей части ГАТ 9 установлен металлический фланец под углом θ=90° к оптическому окну 25 с отверстием для ввода электронного пучка, генерируемого электронной пушкой 15. Газоразрядная импульсная электронная пушка 15, герметично соединенная с рабочей частью ГАТ 9, способна давать электронный пучок силой до 10А. Пучок пронизывает рабочую часть ГАТ 9 в поперечном направлении, по вертикали.
Для регистрации рентгеновского излучения используются сцинтилляционные счетчики, имеющие большую скорость счета. Амплитуда выходного сигнала счетчика пропорциональна энергии квантов. Основными элементами сцинтилляционного счетчика 26 являются: прозрачный сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 23, оптическая система
-7
для сочленения сцинтиллятора и ФЭУ 23. Счетчик выполнен на основе йодистого натрия, активизированного таллием, и имеет время высвечивания 2,5·10 c.
Рентгеноэлектронная методика измерения плотности газа в гиперзвуковых потоках отличается отсутствием зависимости от температуры газа, применимостью в самосветящихся потоках. Регистрируется тормозное рентгеновское излучение, генерируемое зондирующим электронным пучком, и связанное с местной плотностью газа. Применение импульсной электронной пушки 15 и сцинтилляционного счетчика 26 на базе ФЭУ 23 позволяет достичь высокого временного разрешения.