СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗГОНА МАССИВНЫХ ТЕЛ ДО ВЫСОКОЙ СКОРОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR GAS-DYNAMIC ACCELERATION OF MASSIVE BODIES TO HIGH SPEED

Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам для газодинамического разгона массивных тел до высокой скорости и может быть использовано в составе установок для исследования динамики высокоскоростного движения массивных тел, для исследования взаимодействия массивных тел с преградами и др.
Предшествующий уровень техники
Известны способ и устройство для газодинамического разгона массивного тела до высокой скорости, предложенные в патенте US 5,578,783 F41F 1/00, 26.11.1996. Согласно изобретению, способ разгона включает в себя предварительное ускорение тела, введение тела в канал ускорителя, содержащий горючую смесь под давлением, воспламенение горючей смеси путем впрыска жидкого или газообразного топлива из разгоняемого тела в пространство между разгоняемым телом и стенкой канала ускорителя и сжигание горючей смеси в дефлаграционном или детонационном режиме в области тыльной части тела, что обеспечивает толкающую силу, разгоняющую тело до высоких скоростей.
Предложенный способ реализован в устройстве, которое включает стартовый ускоритель, разгоняемое тело, снабженное системой подачи жидкого или газообразного топлива и стартовой капсулой, буферный объем для отделения газов, возникающих при срабатывании стартового ускорителя и удаления стартовой капсулы, канал ускорителя, заполненный горючей смесью под давлением.
Общие недостатки перечисленных выше способа и устройства заключаются, во-первых, в использовании дефлаграционного (медленного) режима сгорания горючей смеси на начальных стадиях разгона тела, что увеличивает продолжительность процесса ускорения тела, а во-вторых, в принципиальной необходимости большой начальной скорости тела, что означает обязательное использование буферного объема, желательно вакуумируемого, между стартовым ускорителем и каналом ускорителя, т.е. усложнение конструкции и, как следствие, снижение ее надежности.
Известен способ для разгона массивного тела до высокой скорости, предложенный в патенте US 5,121,670 F41A 1/04, 16.06.1992. Согласно изобретению способ разгона тела включает в себя заполнение ускоряющей секции горючей смесью под давлением, стартовое ускорение тела и введение его в ускоряющую секцию, воспламенение горючей смеси и формирование фронта пламени за тыльной частью тела, обеспечивающие толкающую силу, при этом продукты горения выходят через открытый конец секции, расположенной со стороны тыльной части тела, а горючая смесь поступает через кольцевой зазор между боковыми стенками ускоряющей секции и тела под действием перепада давления перед и за телом. Повышение давления горючей смеси в области перед движущимися телом обеспечивается либо ударными волнами, формирующимися под действием движущегося тела, либо за счет заполнения ускоряющей секции горючей смесью под давлением. Недостаток данного способа - использование дефлаграционного (медленного) режима сгорания горючей смеси, что ограничивает максимально достижимую скорость тела.
Известны способ и устройство для разгона массивного тела из состояния покоя до высокой скорости, предложенные в патенте US 5,097,743 F41F 1/00, 24.03.1992. Согласно изобретению способ разгона тела из состояния покоя включает в себя: предварительное заполнение секции ускорения горючей смесью под высоким давлением, а стартовой секции с размещенным в ней телом - газом под низким давлением; формирование скоростного потока горючей смеси из секции ускорения в стартовую секцию, а затем в область за телом; формирование отраженной ударной волны в области за телом; зажигание горючей смеси и формирование зоны горения в области за телом, обеспечивающей толкающую силу. При этом продукты горения покидают область за телом через открытое сечение стартовой секции, а горючая смесь поступает из секции ускорения из-за разности давлений в объеме до и после тела. Предложенный способ реализован в устройстве, включающем стартовую секцию и отделенную от нее разрывной мембраной секцию ускорения. В стартовой секции со стороны входного сечения, сообщающегося с атмосферой, последовательно установлены отражающий диск и на некотором расстоянии от него - ускоряемое тело. В выходном сечении секции ускорения установлена разрывная мембрана, обеспечивающая возможность заполнения секции горючей смесью под давлением, превышающем атмосферное. Кроме того, устройство содержит систему подачи горючей смеси в секцию ускорения и систему вакуумирования стартовой секции. Недостатки данных способа и устройства заключаются, во-первых, в использовании дефлаграционного (медленного) режима сгорания горючей смеси, что ограничивает максимально достижимую скорость тела, а во-вторых, в необходимости использования системы вакуумирования, что приводит к усложнению конструкции и, как следствие, к снижению ее надежности.
Известно устройство, предложенное в патенте US 4,726,279 F41A 1/04, 23.02.1988. Согласно изобретению устройство включает секцию ускорения и размещенное в ней коническое массивное тело. В выходном сечении секции ускорения (с тыльной стороны конического тела) установлен затвор, а во входном сечении - насадок, которые могут содержать разрывные мембраны. Форма конической части массивного тела подбирается таким образом, чтобы избежать формирования прямого скачка уплотнения. В результате при движении массивного конического тела в тыльной области формируется фронт сверхзвукового горения, обеспечивающего толкающую силу. Недостаток данного способа -использование дефлаграционного дозвукового или сверхзвукового режима сгорания горючей смеси, что ограничивает максимально достижимую скорость снаряда.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности являются способ и устройство, предложенные в патенте US 4,938,112 F41F 1/00, 03.07.1990. Согласно изобретению способ разгона тела до сверхзвуковой скорости включает в себя предварительное ускорение тела до сверхзвуковой скорости и его последующее ускорение в трубе, частично заполненной газообразным топливом для запуска управляемой пересжатой детонационной волны и частично заполненной газообразным водородом, что обеспечивает максимальное ускорение снаряда. Поверхность тела и внутренняя поверхность трубы образуют прямоточный воздушно-реактивный двигатель, имеющий диффузор, камеру сгорания и сопло. Стабилизатор пламени, выполненный в днище тела, обеспечивает воспламенение и горение горючего в дефлаграционном режиме, что приводит к образованию толкающей силы, разгоняющей тело. Затем тело поступает в зону запуска волны детонации, в которой дальнейшее ускорение тела выполняется толкающей силой, образующейся при сгорании газообразного топлива в режиме управляемой пересжатой детонации, возникающей при воспламенении газообразного топлива. Далее тело поступает в секцию трубы, заполненную газообразным водородом. При этом происходит взрывное воспламенение водорода в зоне между внутренней поверхностью трубы и наружной поверхностью тела. Взрывное самовоспламенение вызвано ударной волной, образованной при движении тела. В результате достигается максимальное ускорение тела.
Согласно изобретению предлагаемое устройство включает секцию стартового ускорения и трубу, разделенную на секции зажигания (формирования дефлаграции), формирования управляемой пересжатой детонации и взрывного воспламенения, а также само ускоряемое тело, содержащее носовую часть, выполненную в виде диффузора, цилиндрическую часть, плавно соединенную с носовой частью, а также хвостовую часть (стабилизатор горения), выполненную в виде конуса, вершина которого ориентирована вниз по потоку (прототип). Основные недостатки способа-прототипа и устройства-прототипа: использование сложной двухтопливной схемы.
В перечисленных изобретениях-аналогах и изобретении-прототипе сила, толкающая тело при высокой сверхзвуковой скорости его движения, образуется благодаря организации горения или детонации горючей смеси в тыльной стороне разгоняемого тела. При этом, когда речь идет о детонации, рассматривается исключительно «стоячая» детонационная волна, присоединенная к местному сужению сечения кольцевого зазора. С возрастанием скорости набегающего потока наклон такой детонационной волны к продольной оси разгоняемого тела уменьшается, устойчивость детонации ухудшается, а аэродинамическое сопротивление тела, вызванное местным сужением сечения кольцевого зазора, возрастает. Чтобы избежать подобных эффектов, можно использовать другие известные режимы с «бегущими» детонационными волнами, такие как режимы с импульсной детонацией и режимы с непрерывной спиновой детонацией горючей смеси в сверхзвуковом потоке, не требующие местного сужения сечения кольцевого зазора (Фролов С.М., Аксенов B.C., Дубровский А.В., Иванов B.C., Шамшин И.О. Энергоэффективность непрерывно-детонационных камер сгорания. Физика горения и взрыва, 2015, т. 51, №2, с. 102-117).
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа газодинамического разгона массивных тел до высокой скорости с помощью организации импульсной детонации или непрерывной спиновой детонации горючей смеси в тыльной части массивного тела, обеспечивающей толкающую силу.
Задача изобретения - создание устройства, которое обеспечит газодинамический разгон массивных тел до высокой скорости с помощью организации импульсной детонации или непрерывной спиновой детонации горючей смеси в тыльной части массивного тела, обеспечивающей толкающую силу.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом газодинамического разгона массивного тела, помещенного в ствол с горючей смесью, до высокой скорости с помощью стартового ускорения массивного тела и последующей организации детонационного режима горения горючей смеси в тыльной части тела, обеспечивающего толкающую силу, в котором после достижения массивным телом требуемой скорости, происходит зажигание горючей смеси с тыльной стороны массивного тела и формирование импульсной детонации или непрерывной спиновой детонации, обеспечивающей дальнейший разгон массивного тела до высоких скоростей.
Кольцевой зазор между стволом и разгоняемым телом может иметь постоянное или переменное, предпочтительно, уменьшающееся сечение, что обеспечит возможность газодинамического разгона массивного тела до предельной скорости, при которой горючая смесь самовоспламеняется в системе скачков уплотнения перед телом.
- устройством, включающим ствол с разгоняемым массивным телом, системы подачи горючего и окислителя, систему зажигания и систему ускорения массивного тела, в котором разгоняемое тело имеет специальную форму в виде комбинации соосных переднего и заднего конусов, соединенных основаниями, причем максимальный внешний диаметр разгоняемого тела меньше калибра ствола, так что между стволом и разгоняемым телом имеется кольцевой зазор, а само тело центрируется в стволе с помощью направляющих.
Внутренняя поверхность ствола может иметь форму цилиндра или сужающегося конуса, что обеспечит уменьшение сечения кольцевого зазора между внутренней поверхностью ствола и наружной поверхностью разгоняемого тела по мере увеличения скорости его движения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства. На фиг. 1 обозначено: 1 - ствол, 2 - разгоняемое тело, СНДВ - спиновая непрерывная детонационная волна, ИД - импульсная детонация.
Осуществление изобретения
Устройство состоит из ствола (1), разгоняемого тела (2), а также систем подачи горючего газа, окислителя, зажигания и стартового ускорения (на фиг. не показаны). Разгоняемое тело (2) имеет специальную форму в виде комбинации соосных переднего и заднего конусов, соединенных основаниями, причем максимальный внешний диаметр разгоняемого тела (2) меньше калибра ствола (1), так что между стволом (1) и разгоняемым телом (2) имеется кольцевой зазор, а само разгоняемое тело (2) центрируется в стволе (1) с помощью направляющих (на фиг. не показаны). В начальный момент времени объем ствола заполняется горючей смесью. В разгоняемом теле (2) встроено зажигающее устройство (на фиг. не показано), срабатывающее в заданный момент времени.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Разгоняемое тело (2) приводится в движение при помощи любой известной системы стартового ускорения, например, при помощи пороховой пушки. При этом за счет поршневого действия давление газов перед разгоняемым телом (2) повышается. Вследствие разности давлений перед и за разгоняемым телом происходит перетекание горючей смеси из объема перед разгоняемым телом (2) в объем за разгоняемым телом (2). По достижении заданной скорости в разгоняемом теле (2) срабатывает зажигающее устройство, которое инициирует спиновую детонацию (СНДВ) или импульсную детонацию (ИД) горючей смеси на заднем конусе разгоняемого тела (2). Момент зажигания выбирается так, чтобы скорость горючей смеси в минимальном сечении кольцевого зазора между разгоняемым телом (2) и внутренней поверхностью ствола превышала местную скорость звука, а течение в кольцевом зазоре, образованном задним конусом разгоняемого тела и внутренней поверхностью ствола, было сверхзвуковым. При этом в случае реализации режима импульсной детонации на заднем конусе разгоняемого тела ударная волна, в которую трансформируется волна импульсной детонации, бегущая вверх по потоку, не приводит к газодинамическому «запиранию» набегающего потока горючей смеси и образованию «выбитой» ударной волны на переднем конусе разгоняемого тела (2). В случае реализации режима непрерывной спиновой детонации ударная волна, присоединенная к волне спиновой детонации и бегущая вверх по потоку, также не приводит к газодинамическому «запиранию» набегающего потока горючей смеси и образованию «выбитой» ударной волны на переднем конусе разгоняемого тела (2).
Приводим пример осуществления изобретения в части организации непрерывной спиновой детонации в тыльной части массивного тела на опытном образце устройства для газодинамического разгона массивных тел до высокой скорости. В качестве горючей смеси использовалась водородно-воздушная смесь.
Ствол диаметром 310 мм с размещенным в нем массивным телом весом 80 кг, имеющим специальную форму в виде комбинации соосных переднего и заднего конусов, соединенных основаниями, располагался в импульсной аэродинамической трубе «Транзит-М» Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук. Импульсная аэродинамическая труба обеспечивала скорость набегающего потока воздуха в диапазоне чисел Маха от 4 до 8 при температуре торможения 293 К. Газообразный водород подавался в радиальном направлении из заднего конуса тела через кольцевой пояс из 200 равномерно распределенных отверстий диаметром 0,8 мм, расположенный на расстоянии 10 мм вниз по потоку от минимального сечения кольцевого зазора между телом и внутренней стенкой ствола. Для инициирования рабочего процесса использовался водородно-кислородный детонатор, представляющий собой камеру зажигания диаметром 20 мм и длиной 30 мм с присоединенной детонационной трубкой диаметром 10 мм и длиной 200 мм. Для зажигания смеси в детонаторе использовалась стандартная автомобильная свеча. Детонатор устанавливался на внешней стенке ствола на расстоянии 150 мм вниз по потоку от минимального сечения кольцевого зазора.
Система регистрации рабочего процесса включала ионизационные зонды, датчики статического и полного давления в передней и тыльной частях тела, а также тензодатчик для измерения толкающей силы. При числах Маха набегающего потока воздуха от 5 до 8 в экспериментах наблюдались непрерывный спиновый режим детонации и режим импульсной детонации, обеспечивающие положительную толкающую силу.
Таким образом, в результате испытаний подтверждена работоспособность базовой концепции устройства для газодинамического разгона массивных тел от низкой стартовой скорости до высокой скорости при помощи толкающей силы, возникающей при непрерывной спиновой или импульсной детонации горючей смеси в тыльной части массивного тела.