СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ УДАРНО-СЖАТОГО СЛОЯ В УСЛОВИЯХ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
METHOD FOR SIMULATION OF A SHOCK-COMPRESSED LAYER IN ARC DISCHARGE CONDITIONS

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к способам и устройствам с управляемой плазмой, и может быть использовано для решения технических задач при разработке оптических систем наблюдения, а также при испытаниях конструкционных и теплозащитных материалов.
6
7
2
7
7
Под ударно-сжатым слоем (УСС) понимают область нагретого излучающего газа, возникающую в окрестности объектов, движущихся в атмосфере с гиперзвуковой скоростью (гиперзвуковых объектов), с числом Маха >5. Тепловые потоки, создаваемые УСС на поверхности объектов при их движении в атмосфере со скоростями вплоть до орбитальной (~8 км/с), составляют 10-3,5⋅10 Вт/м, давление в слое достигает 10 Па, энтальпия потока доходит до 4⋅10 Дж/кг.
Задача моделирования УСС представляется актуальной в связи с разработкой оптических методов обнаружения и селекции гиперзвуковых объектов, а также при испытаниях теплозащитных материалов, способных выдержать воздействие УСС.
9
2
При моделировании условий входа тел в атмосферу использовались два типа процессов: создание течения газов с небольшой длительностью на гиперскоростных установках (ударные трубы, импульсные аэродинамические установки), или создание горячих потоков газа с большой продолжительностью существования течения (аэродинамические трубы с электродуговыми нагревателями, плазмотроны, ракетные двигатели). Время эксперимента в ударных трубах составляет величину порядка 100 мкс. Такие же времена реализуются в опытах, когда исследуемая модель выстреливается из легкогазовой пушки. Из-за малой продолжительности эксперимента для установления стационарного режима разрушения исследуемого материала необходимы тепловые потоки порядка 10 Вт/м [1].
Невозможность создания с помощью ударных труб и легкогазовых пушек высокоэнтальпийных стационарных потоков привело к возникновению нового типа аэродинамические процессов с электродуговым нагревом рабочего газа, в настоящее время являющихся наилучшим способом получения высокотемпературных потоков в течение продолжительного времени.
Известен выбранный нами в качестве прототипа способ моделирования УСС [В. Уоррен, Н. Диаконис. Моделирование гиперзвуковых условий с помощью воздушной электрической дуги. Исследование гиперзвуковых течений. Пер. с англ. М.: Мир, 1964. с. 470-499], включающий инициирование разряда, формирование плазмы в форкамере нагреванием газа электрическим дуговым разрядом и создание гиперзвукового потока нагретого газа. Установки, созданные по такому способу, используются при испытаниях теплозащитных материалов и воспроизводят энтальпию торможения и конвективные тепловые потоки на поверхность материала. Радиационная составляющая нагрева при использовании этого способа не воспроизводится. Кроме того, газовый поток в таких установках загрязнен продуктами эрозии электродов, в струе имеются пульсации температуры, плотности, скорости [2].
Воспроизведение всего комплекса параметров УСС на моделирующих установках в настоящее время является технически нерешенной задачей.
Задача воспроизведения излучения УСС, выходящего во внешнюю среду, до настоящего времени даже не рассматривалась.
Нами предложен способ моделирования УСС с характерными для УСС значениями энтальпии, давления и излучения УСС, выходящего во внешнюю среду.
Такой технический результат получен нами, когда в способе моделирования ударно-сжатого слоя в условиях дугового разряда, включающем инициирование разряда, формирование плазмы и создание давления на плазму, новым является то, что формирование плазмы осуществляют в условиях магнитоприжатого разряда в канале, выполненном в виде диэлектрического лотка с открытыми торцами с покрытием из материала покрытия испытуемого гиперзвукового объекта, а разряд осуществляют при условиях, найденных из следующих соотношений:
I - сила тока, А;
В - индукция внешнего магнитного поля, А/м;
b - ширина канала разряда, м;
3
ρ - плотность воздуха на высоте полета, кг/м;
ν - скорость полета объекта, создающего моделируемый ударно-сжатый слой, м/с;
I - сила тока, А;
U - напряжение, В;
- скорость разрушения материала покрытия, кг/с;
ν - скорость полета объекта, создающего моделируемый ударно-сжатый слой, м/с;
U - напряжение, В;
0
Е=2850 В/м;
I - сила тока, А;
В - индукция внешнего магнитного поля, А/м;
- длина канала разряда, м;
b - ширина канала разряда, м;
- длина канала разряда, м;
b - ширина канала разряда, м.
Подходы к инициированию разряда и конструкции инициатора разряда и его блока питания известны.
Подходы к решению задачи создания магнитоприжатого разряда известны [3].
Подходы к решению системы уравнений известны.
Нами было установлено, что возможно смоделировать параметры УСС в условиях магнитоприжатого разряда (МПР) при выполнении строго определенных, найденных нами соотношений для нахождения габаритов канала разряда, величины тока разряда, напряжения на плазменном канале, индукции магнитного поля.
В процессе исследований нами было показано, что движение плазмы в МПР подобно обтеканию затупленного тела УСС. В отличие от других способов моделирования УСС в МПР плазма с характерными параметрами УСС создается не при торможении высокоскоростных струй на испытываемом материале, а при разряде вдоль его поверхности и прижимается к ней внешним магнитным полем. Разряд растекается по поверхности, к которой его прижимает магнитное поле, и проявляется в различных конфигурациях, задаваемых формой этой поверхности. В центре разрядного промежутка, соответствующего критической точке УСС, движение плазмы отсутствует. По мере продвижения к электродам скорость течения плазмы вдоль поверхности исследуемого материала возрастает.
Габариты канала разряда, величины тока разряда, напряжения на плазменном канале, индукции магнитного поля найдены нами так, что их комбинация определяет требуемое давление ударно-сжатого слоя, а вкладываемая в разряд электрическая мощность обеспечивает требуемую энтальпию ударно-сжатого слоя, плазмообразующее покрытие подложки, изготовленное из материала, аналогичного материалу гиперзвукового объекта, обеспечивает характерное для УСС излучение.
усс
усс
2
2
Найденные нами соотношения обеспечивают соответствие между параметрами УСС, определяемыми скоростью ν гиперзвукового объекта и плотностью воздуха ρ на высоте его полета: давлением торможения Р=ν/2, энтальпией торможения ΔН=ρν/2 и параметрами плазмы МПР, определяемыми величинами I, В, U, b,  и характеристиками плазмообразующего материала: пондеромоторным давлением плазмы МПР  и энтальпией плазмы МПР .
усс
пнд
усс
пл
Первое соотношение вытекает из условия Р=Р, второе - из условия ΔН=ΔН. Третье условие описывает вольт-амперную характеристику МПР и устанавливает зависимость U от  Четвертое соотношение устанавливает связь между  и b [6]. С помощью второго и четвертого соотношения выбираются  для определенных с помощью первого и второго уравнений I, B, U. Для получения требуемого значения  при моделировании УСС с помощью МПР плазмообразующая подложка должна изготавливаться из материала, аналогичного материалу покрытия испытуемого гиперзвукового объекта.
Решение системы уравнений (1)-(4) осуществляется численным методом последовательных приближений. Подходы к решению системы уравнений методом последовательных приближений известны.
Заявленный способ обеспечивает моделирование УСС, возникающего при движении объектов в атмосфере со скоростями до 12 км/с на высотах 30-60 км.
На фиг. 1 представлен общий вид плазменного имитатора УСС на основе МПР и мгновенная фотография канала разряда.
На фиг. 2 представлена система электропитания плазменного имитатора УСС, где тиристорный выпрямитель 1 питания МПР, МПР 2, блок 3 запуска и управления, емкостной накопитель 4 энергии, дополнительное сопротивление 5, обмотки 6 электромагнита, тиристорный выпрямитель 7 питания обмоток электромагнита.
На фиг. 3 представлены ток I разряда и напряжение U на плазменном канале при питании МПР от тиристорного выпрямителя.
я
2
На фиг. 4 представлены яркостная температура Т, К и энергетическая светимость W, Вт/см плазмы МПР.
2
На фиг. 5 представлена яркость В, Вт/см МПР с подложкой из стеклофенольного пластика.
2
На фиг. 6 - яркость В, Вт/см МПР с подложкой из углефенольного пластика.
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
Инициирование разряда. Электроды соединяются между собой узкой полоской алюминиевой фольги, служащей инициатором разряда. К электродам подключается автономный блок питания инициатора разряда, выполненный в виде высоковольтного емкостного накопителя небольшой емкости.
Формирование магнитоприжатого разряда. Магнитоприжатый разряд формируют известным способом: в разрядной камере с диэлектрическим лоткомс открытыми торцами с покрытием из материала аналогичного гиперзвуковому объекту. Для этого лоток помещают, например, в зазор ярма электромагнита. При использовании электромагнита удается относительно малыми токами (~100 А) создать магнитное поле с высокой индукцией в значительном объеме. Благодаря размещению лотка в зазоре ярма электромагнита образуется устойчивая во времени и пространстве конфигурация плазменного канала. В открытых торцах лотка размещаются графитовые электроды. Для получения МПР электроды подключают к мощному тиристорному выпрямителю. Вследствие этого возникает возможность пропускания через разрядный канал тока большой величины при относительно низких, характерных для дуговых разрядов напряжениях в течении длительного времени. Используя тиристорный выпрямитель, появляется возможность регулирования величины и временной формы тока разряда. Сечение ярма электромагнита в области зазора выбирается таким, что магнитное поле в объеме лотка однородно. Выводы обмотки электромагнита подключают к отдельному тиристорному выпрямителю. Благодаря этому появляется возможность регулирования индукции магнитного поля в лотке и изменения величины давления в плазме.
Рабочий цикл начинают с подачи напряжения от тиристорного выпрямителя на обмотку электромагнита. После достижения током обмотки амплитудного значения на графитовые электроды одновременно подается высокое напряжение от емкостного накопителя и напряжение от тиристорного выпрямителя основного разряда. Под действием тока разряда емкостного накопителя происходит электрический взрыв полоски фольги. По образовавшемуся плазменному каналу в течение заданного времени протекает ток от тиристорного выпрямителя. Под действием джоулева нагрева током тиристорного выпрямителя плазменный канал разогревается и прижимается магнитным полем к плазмообразующей подложке, изготовленной из материала, аналогичного материалу гиперзвукового объекта. Продукты испарения материала покрытия дна и стенок лотка непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют УСС. Регулирование амплитуды и временной формы тока разряда осуществляется подачей на вход тиристорного выпрямителя управляющего напряжения соответствующей формы. (Подходы к управлению тиристорными выпрямителями известны.)
Для реализации заявленного способа моделирования УСС в нашей организации изготовлен макет квазинепрерывного плазменного генератора
Общий вид плазменного имитатора УСС на основе МПР приведен на фиг. 1.
В его состав входит разрядное устройство и электромагнит, в зазор сердечника которого вставляется разрядное устройство.
Электромагнит создает однородное прижимающее магнитное поле в зазоре размерами 80×40×40 мм индукцией до 2.2 Тл при токе обмоток до 500 А.
-2
7
Система электропитания плазменного имитатора УСС (см. Фиг. 2) обеспечивает протекание тока тиристорного выпрямителя 1 силой до 6 кА в течение времени ~1 с через разрядный канал МПР 2 и обеспечивает получение плазмы при относительно невысокой температуре и давлении плазмы. В этом режиме работы МПР воспроизводятся параметры УСС для объектов, движущихся в атмосфере со скоростями 3-8 км/с на высотах 30-60 км. Протекание тока емкостного накопителя энергии 4 амплитудой в десятки килоампер в течение времени ~10 с через разрядный канал обеспечивает получение температуры плазмы до 20000 К и давления в разрядном канале ~10 Па, что позволяет воспроизводить параметры УСС, возникающего при движении объектов со скоростями до 12 км/с. Прижимающее магнитное поле создается при протекании через обмотки электромагнита 6 тока тиристорного выпрямителя 7. Регулирование амплитуды и временной формы тока разряда осуществляется подачей на вход тиристорного выпрямителя 1 питания МПР управляющего напряжения соответствующей формы от блока управления и запуска 3 и изменением величины зарядного напряжения емкостного накопителя 4 и величины дополнительного сопротивления 5 в цепи разряда емкостного накопителя.
эл
Ток разряда I и напряжение U на плазменном канале при питании МПР от тиристорного выпрямителя приведены на фиг. 3. Амплитуда тока в этом режиме достигает 6000 А, напряжение на плазменном канале U=300 В. Максимальная электрическая мощность разряда W достигает 1,8 МВт.
max
max
max
я
изл
2
Временные зависимости параметров излучения плазменного имитатора на основе МПР приведены на фиг. 4. Измерение параметров излучения МПР проводилось с помощью калиброванных фотоэлементов в трех спектральных интервалах: УФ Δλ=300÷400 нм (λ=360 нм), видимом Δλ=400÷650 нм (λ=555 нм) и ИК Δλ=650÷1100 нм (λ=730 нм). Яркостные температуры Т в этих спектральных диапазонах близки по значениям и составляют 5000 К. Энергетическая светимость W в Δλ=300÷1100 нм 1500 Вт/см.
Для сопоставления параметров МПР и УСС оценены энтальпия плазмы, эквивалентная высота и скорость полета, а также габариты объекта, при движении которого возникает УСС с параметрами, реализованными в МПР.
5
7
пл
пл
Для режима разряда с I=6000 А, индукцией внешнего магнитного поля B=6⋅10 А/м, b=2 см, =7 см, =0.1 кг/с ΔН=3.6⋅10 Дж/кг. Считая ΔH энтальпией торможения  определяем скорость полета ν=6 км/с.
пнд
5
3
Давление в плазме МПР в этом режиме Р=2⋅10 Па. Приравнивая это давление к скоростному напору , находим плотность воздуха на высоте полета ρ=0.01 кг/м, что соответствует высоте полета 35 км.
Оценка излучения УСС проводилась по формуле, приведенной в [7]:
Δλ
Δλ
w
x
0
0.3
5
I=AGcs(ρ/ρ)ν, кВт/ср., где
Δλ
A - коэффициент, значение которого определяется выбранным спектральным интервалом;
w
G - скорость уноса массы объекта, кг/сек;
х
с -коэффициент аэродинамического торможения;
2
s - площадь миделевого сечения объекта, м;
Δλ
х
Δλ
Считая для спектрального интервала 300-1100 нм А=0.2, для сферического объекта с=0.15, можно определить, что интенсивность излучения МПР в эксперименте совпадает с I УСС, возникающего при движении сферического тела радиусом 0.4 м на высоте 35 км со скоростью 6 км/с.
Спектральные зависимости яркости МПР с подложками из стеклофенольного и углефенольного пластиков приведены на рисунках 5 и 6. Спектральные яркости В измерены спектрометром Ocean Optics. В УФ области спектра наиболее контрастными являются линии SiI λ=288.1 нм для стеклофенольного пластика и CI λ=247.8 нм для углефенольного пластика.
Таким образом, предложенный способ позволяет воспроизводить энтальпию торможения, конвективные тепловые потоки на поверхность материала, радиационную составляющую нагрева, а также излучение УСС, выходящее во внешнюю среду для объектов, движущихся на высотах 30-60 км со скоростями 3-12 км/с.
Источники информации
1. С. Георгиев. Сравнение различных экспериментальных установок с точки зрения моделирования процессов теплового разрушения материалов при гиперзвуковых скоростях. Техника гиперзвуковых исследований: Пер. с англ. - М.: Мир, 1964, с. 484-521.
2. Ю.В. Полежаев, Ф.Б. Юревич. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976. 392 с.
3. Бедрин А.Г., Миронов И.С. Патент на изобретение №2370002 «Способ получения плазменного источника излучения и устройство для его осуществления». Бюллетень изобретений №28, 10.10.2009 г.
4. Горшкова Л.Д., Горшков В.А., Подмошенский И.В. Получение плазмы в разряде, прижатом к стенке магнитным полем // ТВТ, 1968. - Т. 6. - №6. - С. 1130-1132.
5. Горшкова Л.Д. Миронов И.С., Подмошенский И.В. Электромагнитные характеристики и баланс энергии Н-прижатого разряда // ТВТ, 1978. - Т. 16. - №6. - С. 1130-1133.
6. Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ, 1986, Т. 24, №5, с. 837-843.
7. Бедрин А.Г., Миронов И.С. Экспериментальный стенд для воспроизведения параметров ударно-сжатого слоя. Труды XII Международной конференции «Прикладная оптика - 2016». СПб., 2016 г. Т. 2, с. 197-201.