Ударная труба

Полезная модель относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использована для получения гиперзвукового потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях с целью обдува моделей гиперзвуковых летательных аппаратов.
Известна импульсная аэродинамическая труба (RU 2439523 [1]) для получения рабочего газа с предельно высокими параметрами торможения потока. Труба содержит форкамеру с электродами, отделенную от газодинамического тракта трубы диафрагмой, и поршень, образующий дифференциальный мультипликатор, надпоршневое пространство которого соединено с источником толкающего газа, а подпоршневое заполнено демпфирующей жидкостью и соединено с дренированной емкостью. Также труба снабжена компенсатором динамической составляющей мультипликатора, быстродействующим клапаном запуска системы стабилизации, контактирующим через поршень мультипликатора с полостью форкамеры. Корпус мультипликатора выполнен с возможностью разъема и при этом его надпоршневое пространство связано с ресивером толкающего газа через быстродействующий клапан запуска системы стабилизации, а подпоршневое пространство через гидравлический канал с регулируемой длиной с подпоршневым пространством компенсатора динамической составляющей мультипликатора. Форкамера снабжена стыковочным узлом и обратным клапаном для подключения соответственно импульсного высокоэнтальпийного адиабатического генератора и блока подачи смеси реагирующих газов и содержит устройство принудительного вскрытия диафрагмы, размещенное на выходе из форкамеры. Недостатком известного устройства является сложность ее эксплуатации. Толкающий газ перемещается в мультипликатор и толкает поршень, а рабочий газ, сильно нагретый вытесняется в сопло, без датчиков динамического давления перед ним, использовать которые в таких условиях затруднительно. Кроме того, вытесняется не «пробка», с постоянными параметрами, за ударной волной, а контактная поверхность (рабочий газ), что не обеспечивает постоянство параметров давления и не контролирует их.
Известно устройство для нагружения объектов воздушной ударной волной, используемое для испытаний, например, приборов на воздействия воздушных ударных волн, реализуемых на различных расстояниях при мощных взрывах (RU 2217723 [2]). Устройство содержит ударную трубу с открытым и закрытым торцами для размещения объекта испытаний, источник ударной волны, экран для гашения ударных волн, выполненный в виде гибких элементов, закрепленных вертикально и горизонтально на открытом торце ударной трубы. Экран для гашения ударных волн дополнительно содержит заслонки, выполненные в виде перекрывающих поперечное сечение ударной трубы прямоугольных листов, закрепленных на гибких горизонтальных элементах с возможностью поворота относительно них снаружи ударной трубы. Каждая верхняя заслонка перекрывает часть поверхности следующей нижней заслонки, а внизу каждой заслонки выполнен утяжеляющий ее продольный элемент. На заданном расстоянии от открытого торца ударной трубы по ходу воздушной ударной волны может быть установлен парус, соединенный стропами через проушины, попарно расположенные на уровне или ниже незакрепленных кромок заслонок, с концами утяжеляющих заслонки продольных элементов. Обеспечивается испытание объектов на непосредственное воздействие воздушными ударными волнами с параметрами, близкими реализуемым на различных расстояниях от мощного взрыва. В устройстве снаружи ударной трубы установлены заслонки, однако датчиками динамического давления ни снаружи, ни внутри ударная труба не снабжена, что свидетельствует о недостаточной точности определения параметров сформированной ударной волны.
Известна ударная труба для формирования цуга воздушных ударных волн, известная из RU 2488085 [3]. Генератор ударной волны выполнен в виде перфорированного диска и мембраны, размещенных в волноводе с возможностью перемещения вдоль него, установленного на торце волновода магазина с пиромеханическими толкателями, расположенными в нем в ряд в вертикальной плоскости и снабженными подвижными звеньями, упора и возвратной пружины. Перфорированный диск с тыльной стороны снабжен штоком, поочередно контактирующим с подвижными звеньями пиромеханических толкателей. Мембрана размещена перед диском по направлению к выходу из волновода с возможностью фиксации ее исходного положения относительно диска и изменения расстояния между ними. При этом она соединена механическими связями, симметрично проходящими через перфорационные отверстия в диске, с одним концом возвратной пружины, другой конец которой соединен с неподвижной опорой. Магазин установлен в направляющих на торце волновода с возможностью перемещения по ним вниз под собственным весом до совпадения осей штока диска и подвижного звена очередного пиромеханического толкателя. Упор установлен на одной из направляющих и выполнен с возможностью ограничения перемещения магазина до срабатывания очередного толкателя. Шток диска со стороны магазина может быть снабжен магнитной вставкой, а контактирующие с ним подвижные звенья пиромеханических толкателей при этом выполнены из ферромагнитного материала. Мембрана может быть выполнена многослойной. Технический результат заключается в возможности проведения в лабораторных условиях исследований реакции различных объектов на воздействие формируемых через заданные интервалы времени воздушных ударных волн. Воздушная ударная волна, пробегая по каналу волновода, нагружает исследуемый объект и продолжает движение до волногасителя, который исключает ее отражение и компенсирует влияние атмосферы. Производя повторные пуски ударной трубы через установленные интервалы времени, получают цуг воздействующих на испытываемый объект воздушных ударных волн.
Недостатком устройства является невозможность инициировать ударную волну на больших скоростях, т.к. инерционность диска со штоком и толкателем не дает такую возможность. Кроме того, отсутствие датчиков динамического давления в тракте ударной трубы свидетельствует о недостаточной точности определения параметров сформированной ударной волны в устройстве.
Известна вакуумная гиперзвуковая аэродинамическая труба (RU 2482457 [4]). Устройство содержит источник газа высокого давления с системой регулирования давления, подогреватель газа, гиперзвуковое сопло, рабочую часть, диффузор, систему охлаждения газа после прохождения рабочей части, вакуумную камеру, насосы предварительной и окончательной откачки газа из вакуумной камеры. Для откачки вакуумной камеры используются крионасосы, в которых газ не выбрасывается из вакуумируемой полости, а конденсируется в твердую фазу на предварительно охлажденных криопанелях. Криопанели выполнены из пористого металла с открытой системой пор. Импульсный режим работы крионасосов, т.е. предварительное замораживание криопанелей перед началом работы и в перерывах между пусками, и пористые криопанели позволяют "утилизировать" практически любой расход газа через гиперзвуковое сопло. Внешняя поверхность гиперзвукового сопла внутри рабочей части аэродинамической трубы снабжена змеевиками для охлаждения стенок сопла, причем система охлаждения высокотемпературного газа, поступающего из рабочей части, размещена внутри вакуумной камеры. Аэродинамическая труба содержит резервуар жидкого газа с насосом для перекачки и детандерно-генераторные агрегаты для получения электроэнергии. Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими числами Маха. Кроме того, конструкцией не предусмотрено наличие датчиков динамического давления перед соплом, позволяющих измерять давление с высокой точностью. Хотя в конструкции не показаны датчик динамического давления внутри установки перед соплом, можно предположить, что высокая температура газа не позволяет установить высокоточные сертифицированные датчики динамического давления.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба, известная из описания к RU 152348 U [5]. Известная гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, гиперзвуковое сопло, вакуумную камеру, и средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом. Труба снабжена высокочастотными датчиками динамического давления, размещенными в камере высокого давления, цилиндрическом канале, вакуумной камере и соединенными с регистрирующей аппаратурой.
Недостатком известной установки является недостаточно высокая точность измерения динамического давления в тракте цилиндрического канала и перед соплом, что влияет на точность измерения параметров ударной волны и расчетных параметров исходящих из сопла гиперзвуковых потоков. Это обусловлено влиянием акустических шумов и распространением волны по металлу при хлопке, сопровождающим срабатыванием системы перекрытия каналов. На датчиках динамического давления при измерении давления, создаваемого ударной волной, бегущей внутри цилиндрического канала, кроме полезной информации появляются шумы, обусловленные собственной высокой частотой датчика, электрическими помехами, паразитными колебаниями в теле цилиндрического канала. При совпадении колебаний по фазе, возникают резонансные выбросы в сигнале внутренних датчиков динамического давления, что искажает истинные значения давления от ударной волны.
Заявляемая ударная труба направлена повышение точности измерения динамического давления, создаваемого ударной волной.
Указанный результат достигается тем, что ударная труба содержит последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом, а также систему наполнения газом камеры высокого давления, систему вакуумной откачки, и датчики динамического давления, установленные на внутренней стороне цилиндрического канала, соединенные с регистрирующей аппаратурой. При этом на наружной поверхности цилиндрического канала, в одной плоскости с датчиками динамического давления, размещенными на внутренней стороне цилиндрического канала, установлены дополнительные датчики динамического давления, соединенные с регистрирующей аппаратурой.
Отличительными от прототипа признаками являются:
- установка дополнительных датчиков динамического давления, соединенные с регистрирующей аппаратурой на наружной поверхности цилиндрического канала;
- размещение дополнительных датчиков динамического давления в одной плоскости с датчиками динамического давления, размещенными на внутренней стороне цилиндрического канала.
Снабжение трубы дополнительными датчиками динамического давления, соединенные с регистрирующей аппаратурой на наружной поверхности цилиндрического канала позволяет обеспечить повышение точности измерения динамического давления, создаваемого ударной волной. При инициации ударной волны, возникают паразитные явления: акустические шумы и распространение волны по металлу. На датчиках динамического давления при измерении давления, создаваемого ударной волной, бегущей внутри цилиндрического канала, кроме полезной информации появляются шумы, обусловленные собственной высокой частотой датчика, электрическими помехами, паразитными колебаниями в теле цилиндрического канала. При совпадении колебаний по фазе, возникают резонансные выбросы в сигнале внутренних датчиков динамического давления, что искажает истинные значения давления от ударной волны. Наличие датчиков динамического давления на наружной поверхности цилиндрического канала соединенных с регистрирующей аппаратурой позволяет устранить этот недостаток. При этом целесообразно обеспечить размещение дополнительных датчиков динамического давления в одной плоскости сдатчиками динамического давления, размещенными на внутренней стороне цилиндрического канала. В результате ударная волна, бегущая по цилиндрическому каналу, в одно и то же время достигает датчиков динамического давления, установленных и внутри и снаружи в одной плоскости. Записанная в компьютер через АЦП (аналого-цифровой преобразователь) база данных в текущий момент времени, связывает амплитуды внутренних и наружних датчиков. Для получения истинного значения динамического давления при одном значении времени производится вычитание из текущей амплитуды сигналов внутренних датчиков амплитуды сигналов наружных датчиков. Если применены датчики различных диапазонов с разничными коэффициентами передач, необходимо перевести их в абсолютные значения.
Сущность заявляемой ударной трубы поясняется примером реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема.
Ударная труба содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные, камеру высокого давления 1, цилиндрический канал 2, средство перекрытия канала 3, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом, систему наполнения газом камеры высокого давления 4, систему вакуумной откачки 5, датчики динамического давления 6, 7, 8, размещенные на внутренней стороне цилиндрического канала. Датчики динамического давления 9, 10, закреплены снаружи цилиндрического канала в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы, с датчиками динамического давления внутренними. Устройство содержит регистрирующую аппаратуру (аналого-цифровой преобразователь) 11, компьютер 12.
Работает предложенное устройство следующим образом. Камера высокого давления 1 заполняется толкающим газом при высоком давлении (десятки атмосфер), цилиндрический канал 2 откачивается до давления 0,1…0,001 атм. Перед соплом (на чертеже не показано), размещаемым перед выходом из цилиндрического канала, устанавливается тонкая мембрана (фольга). Средство перекрытие канала 3, выполненное в виде либо медной мембраны, либо в виде быстродействующего электромагнитного клапана срабатывает и ударная волна распространяется по цилиндрическому каналу к входу в сопло. Датчики динамического давления, расположенные внутри цилиндрического канала и датчики снаружи него, регистрируют прохождение ударной волны. Амплитуды сигналов всех датчиков в текущем времени с высокой частотой регистрируются через АЦП в компьютер, образуя базу данных. В каждой строке с фиксированным временем получены значения амплитуд датчиков динамического давления внутренних и наружных, расположенных в одной плоскости, которые вычитаются, а их разность является уточненным значением динамического давления ударной волны, проходящей через плоскость, перпендикулярную продольной оси трубы в данный момент времени.