ИМПУЛЬСНАЯ 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 1200-2000К 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 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). Однако на данной установке невозможно проводить исследования возникновения и разрушения кумулятивных ударных волн.
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.
7
На установке плазменный фокус (ПФ) амплитуда разрядного тока составляла 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 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 движение плазменных потоков 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 и возникновения кумулятивных ударных волн ввиду ограниченного объема рабочей камеры конструкции, ограниченных числом М и времени проведения эксперимента.
Известна газодинамическая установка (см. патент на полезную модель №81327 G01М 9/02, 2008.04.01, взятая за прототип), включающая гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГAT), в которой расположены баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель с электрическими обмотками, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитогидродинамический (МГД) ускоритель с управляющими электрическими обмотками, вторичное сопло, Z-образное колено трубы с оптическим окном и линзой, рабочая часть ГАТ, внутри которой размещены исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА), диагностический электрический зонд (ДЭЗ) потока с регистратором, лазер с ядерной накачкой (ЛЯН) с ускорителем заряженных частиц (УЗЧ), инжектором и мишенью, сопряженной с выходом пучка ЛЯН, выходное сопло, вакуумная камера, а также цифровую вычислительную машину (ЦВМ), соединенную входами через преобразователи сигналов с управляющими обмотками МГД ускорителя, электродугового нагревателя, регистратором зондирующих сигналов ДЭЗ, блоком управления УЗЧ.
Однако, данная установка не позволяет создавать физическую модель обтекания тел в неравновесной разряженной газовой среде. Данный метод не пригоден для измерений при возникновении кумулятивных сходящихся ударных волн в гиперзвуковых потоках.
Технический результат, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, состоит в построении системы гиперзвуковой аэродинамики для исследования в свободномолекулярном потоке течения плазмы, обнаружения и визуализации сходящихся кумулятивных ударных волн.
Существенные признаки.
Для получения указанного технического результата в импульсную газодинамическую установку (ИГУ), включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГAT), в которой расположены баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель с электрическими обмотками, 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), диагностический электрический зонд (ДЭЗ) плазменного потока, лазер с ядерной накачкой (ЛЯН) с электроядерным устройством, ускорителем заряженных частиц (УЗЧ), связанным с инжектором заряженных частиц (ИЗЧ), блоком управления, между вторичным соплом и рабочей частью ГАТ установленный в виде Z-образного колена отрезок трубы, в передней нижней части которого по оси находится оптическое окно с оптической линзой, сопряженной с выходом пучка ЛЯН, мишень ЛЯН которого сопряжена с пучком частиц УЗЧ и связанным с пучком ИЗЧ, выходное сопло, вакуумная емкость и цифровую вычислительную машину (ЦВМ), в ГАТ введены кольцевой высоковольтный разрядник, установленный перед моделью ГЛА на токоизолированной державке и соединенной одним электродом генератора высокого напряжения, а другим - с токоизолированной державкой модели ГЛА, теневая аппаратура регистрации ударных волн с источником света, нейтронный детектор, а ЦВМ первым, вторым, третьим входами соединена через преобразователи сигналов с управляющими электрическими обмотками МГД - генератора, электродугового подогревателя, ДЭЗ-а, а четвертым, пятым, шестым входами через преобразователи сигналов - с блоком управления УЗЧ, теневой аппаратурой регистрации ударных волн, нейтронным детектором.
Перечень фигур на чертежах.
Для пояснения сущности полезной модели на фиг.1 приведена функциональная схема импульсной газодинамической установки, где изображены:
1 - баллон с высоким давлением газа; 2 - регулирующий дроссель; 3 - электродуговой подогреватель с электрическими обмотками; 4 - дозирующее устройство; 5 - первичное сверхзвуковое сопло; 6 - магнитогидродинамический (МГД) - ускоритель Фарадея с управляющими электрическими обмотками; 7 - Z-образное колено трубы ГАТ; 8 - вторичное сопло; 9 - рабочая часть гиперзвуковой аэродинамической трубы (ГАТ); 10 - источник излучения теневой аппаратуры; 11 - исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА); 12 - выходное сопло; 13 - вакуумная емкость; 14 - кольцевой разрядник; 15, 16 - токоизолированные державки; 17 - генератор высоковольтного напряжения (ГВН); 18, 19, 21, 24 26 - преобразователи сигналов; 20 - цифровая вычислительная машина (ЦВМ); 22 - блок управления укорителя заряженных частиц (УЗЧ); 23 - диагностический электрический зонд (ДЭЗ); 25 - радиатор нейтронного детектора; 27 - инжектор заряженных частиц (ИЗЧ); 28 - нейтронный детектор; 29 - теневая аппаратура регистрации (ТАР) ударных волн; 30 - лазер с ядерной накачкой (ЛЯН), электрический реактор - лазер (РЛ); 31 - лазерные каналы; 32 - замедлитель нейтронов; 33 - отражатель нейтронов; 34 - корпус; 35 - ускоритель заряженных частиц; 36 - внутренние оптические элементы, резонаторы; 37 - система прокачки газа; 38 - теплообменник; 39 - внешние оптические элементы; 40 - волоконно-оптические линии; 41 - мишень, установленная в ЛЯН; 42 - первая (I) критическая зона РЛ; 43 - вторая (II) критическая зона РЛ; 44 - ввод светового излучения; 45 - линза.
На фиг.2 изображена ударная волна в плазменном фокусе.
На фиг.3 изображена тороидальная ударная волна.
На фиг.4 изображен процесс кумуляции сходящейся нецилиндрической ударной волны.
На фиг.5 Изображен процесс возникновения поперечных ударных волн при возмущении осесимметричной сходящейся ударной волны.
Импульсная газодинамическая установка (ИГУ) включает гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ) 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, Z-образное колено трубы ГАТ - 7 вторичное сопло - 8, рабочая часть ГАТ - 9, внутри которой размещена исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) - 11, выходное сопло - 12, вакуумная емкость - 13. В рабочей части ГАТ - 9 установлены перед моделью ГЛА диагностический электрический зонд (ДЭЗ) - 23. Поток плазмы после прохождения области модели ГЛА - 11 проходит выходное сопло - 12 и попадает в вакуумную емкость - 13. В рабочей части - 9 ГАТ перед моделью ГЛА - 11, закрепленной на токоизолированной державке, установлен высоковольтный разрядник - 14, также на токоизолированной державке - 15. Генератор высокого напряжения - 17 одним электродом соединен с разрядником - 14, а другим - с моделью ГЛА - 11. Теневая аппаратура регистрации (ТАР) - 29 ударных волн, включающая источник излучения - 10, установлена в оптических окнах снаружи рабочей части - 9 ГАТ впереди конической части модели - 11. ЦВМ - 20 соединена первым, вторым входами через преобразователи сигналов измерения электромагнитных полей - 19, - 21 с управляющими обмотками МГД - ускорителя - 6, электрическими обмотками электродугового подогревателя - 3, третьим входом ЦВМ - 20 связана через преобразователь сигналов - 26 с ДЭЗ - 23, а блок управления - 22 ускорителя заряженных частиц УЗЧ - 35 соединен с четвертым входом ЦВМ. Пятый и шестой входы ЦВМ - 20 через преобразователи сигналов - 18, 24 соединены с ТАР - 29 и детектором нейтронов - 28.
Лазер с ядерной накачкой (ЛЯН) - 30 с электроядерным устройством включает ускоритель заряженных частиц (УЗЧ) - 35, связанный с инжектором - 27, блоком управления - 22. Между вторичным соплом - 8 и рабочей частью - 9 ГАТ установлен в виде Z-образного колена отрезок трубы - 7 ГАТ, в передней нижней части которого по оси установлено оптическое окно с оптической линзой - 45 и сопряженное с выходом пучка ЛЯН - 30, мишень которого - 41 сопряжена с пучком УЗЧ - 35, связанного с инжектором - 27 заряженных частиц (ИЗЧ).
Импульсная 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 К. 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 МГД - ускорителя 6.
δ
В гидродинамических течениях процесс кумуляции проявляется в виде резкого возрастания локальных плотностей энергии в некоторой точке. В течениях плазмы возникают сходящиеся ударные волны, кумулятивные течения, приводящие к возрастанию температуры плазмы. Кумуляция происходит за счет уплотнения собственной энергии течения. Распространение ударной волны в среде определяется зависимостью плотности ρ от координаты X (ρ~X, δ=const) и сопровождается быстрым ростом температуры за фронтом, когда координата фронта волны стремится к нулю. Эффект кумуляции при X→0 перестает зависеть от внешних воздействий (от начальных и граничных условий), поэтому в гидродинамических кумулятивных процессах рост плотности энергии имеет чисто гидродинамическую природу и обусловлен перераспределением энергии среды при ее движении. Кумулятивное течение в ИГУ - сходящиеся ударные волны возникают от двух источников энергии - в плазменном фокусе от ЛЯН - 30 лучей (фиг.2), идущих к модели ГЛА - 11 и от кольцевого разрядника - 14 (фиг.3), полярно заряженного относительно модели ГЛА - 11 генератором 17 высокого напряжения.
Ввиду универсального характера поведения ударной волны вблизи точки кумуляции закономерности поведения возмущенной цилиндрической волны в плазменном фокусе и концевой волны близи оси полностью аналогичны, фиг.4. Кольцевая сходящаяся ударная волна в плазменном фокусе порождает струю плазмы в осевом направлении, скорость которой в несколько раз превышает скорость сходящейся волны. Появление такого плазменного потока связан с выходом нейтронов, регистрируемых детектором - 28. Отражение кольцевой волны от оси симметрии обнаруживает такую струю. Появление струй связано с «маховским» характером отражения кольцевой осесимметричной ударной волны от оси. Температура струи за маховской ударной волной примерно в 2-3 раза превышает температуру за отраженной ударной волной.
Возникновение неоднородных кумулятивных волн вызывает нелинейный эффект образования ударных волн, поперечных к основному фронту сходящейся волны, фиг.5. Поскольку скорость ударной волны относительно среды за ее фронтом является дозвуковой, то за фронтом могут распространяться волны сжатия и разряжения в направлении поперечном к фронту. Поэтому рост искажений к фронту кумулятивной волны приводит к распространению волны сжатия и разряжения поперек фронта, и опрокидывания волн сжатия - формирует ударные фронты поперечные к основной волне. Образуются нелинейные структуры с формой сходящегося фронта, близкой к многогранной призме. Образование поперечных ударных фронтов является фактором, сильно стабилизирующим неустойчивость сходящейся ударной волны относительно возмущений.
Интенсивный луч лазера - 30 с ядерной накачкой (ЛЯН) фокусируется линзой - 45 вблизи точки энерговыделения модели ГЛА, связанного с возникновением ударной волны. Лазерный факел фотографируется с помощью ТАР - 29.
Используя в ЛЯН электроядерное устройство (В.Ф.Колесов, Н.В.Завьялов, В.Т.Пунин. Электроядерные устройства с бланкетами каскадного типа. Журнал «Атом», №22/03, ВНИИЭФ), подкритичный реактор переводится в работу в комплексе с ускорителем - 35 протонов. В нем устраняется опасность неконтролируемого разгона мощности и облегчается задача управления. В устройстве находятся ускоритель - 35 протонов и мишень - 41 из материала с высоким атомным номером (свинец, вольфрам), протоны преобразуются в нейтроны, и глубоко подкритичный бланкет - 33-34 защитный экран, размножает поставляемые мишенью нейтроны.
Использование ускорителя - 35 дает возможность уменьшить глубину подкритичности бланкета и увеличить коэффициент умножения нейтронов источника. Это определяет двухсекционный реактор с односторонней нейтронной связью секций - бланкета каскадного типа. В двухсекционном реакторе активная часть состоит из двух частей I (42) и II (43) разделенных пространственно. В этом случае нейтроны одной секции I влияют не процессы в другой (II) секции, нейтроны другой секции на процессы в первой секции не влияют. В системе каскадного типа создается возможность предварительного размножения нейтронов источника нейтронов в первой секции I и использования затем усиленного источника нейтронов во второй II секции, имеющей большие размеры и большую энергоемкость
ЛЯН 30 совмещает функции лазерной системы и ядерного реактора (А.А.Синявский энергетические реакторы-лазеры. Журнал «Атом» №22/03 стр.36-41. ФГУПРФЯЦ). 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 включаются блок управления - 22, 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 c 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.
Для выравнивания нейтронных потоков активная зона окружена отражателем нейтронов 33 из бериллия. Вся конструкция размещена в корпусе 34 с элементами оптики 36, 39. Блок управления реактивностью - 22 связан с шестым входом ЦВМ 20.
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 излучения используется параллельное сложение излучения каналов.
i,e
p
i,e
p
-5
С целью измерения скорости плазменного потока и распределения частиц газа по скоростям в гиперзвуковом потоке разреженного газа ГАТ снабжена диагностическим электрическим зондом (ДЭЗ) - 23. Диагностика плазменных потоков - средство измерения электрофизических параметров плазмы в условиях газодинамического эксперимента с высокими требованиями к пространственному и временному разрешению с большим диапазоном изменения измеряемых величин. Электрический зонд - 23 используется в диагностике разреженного потока плазмы при выполнении условия λ>r, где λ - длина свободного пробега ионов и электронов в плазме, r - характерный размер зонда. В режиме сбора измеряется ионный и электронный токи (положительный потенциал на зонде) с точностью 10 равновесного значения электронной концентрации.
2
Нейтронный детектор (НД) - 28 служит для регистрации и определения энергетического спектра нейтронов. Т.к. нейтроны не обладают электрическим зарядом и не оставляют после себя следов (треков) из ионизированных и возбужденных частиц, появление которых вызывает срабатывание детектора частиц, для чего используется радиатор - 25 (конвертер), ядра которого при взаимодействии с нейтронами порождают заряженные частицы или γ-кванты. Нейтроны, упруго рассеивающиеся на ядрах, передают им кинетическую энергию (энергию отдачи). Для регистрации ядер отдачи в 28 применяется пропорциональный счетчик, наполненный H до давлений p в несколько атмосфер.
В ИГУ используется теневой метод (шлирен-метод) обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах. Пучок лучей от точечного источника света - 10 системой линз и зеркал направляется на исследуемый объект - модель ГЛА-11 и фокусируется на непрозрачный преграде с острой кромкой (нож Фуко, решетки, растры), так, что изображение источника проецируется на самом краю преграды. Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все идущие от него лучи задерживаются преградой. При наличии оптической неоднородности лучи будут рассеваться ею и часть из них, отклонившись, пройдет выше преграды. С помощью проекционного объектива на экране получается изображение неоднородностей. Просвечивание объекта ГЛА-11 двумя оптическими системами, установленными под углом друг к другу, позволяет получить стереоскопическую картину распределения неоднородностей кумулятивных сходящихся ударных волн.