Разработка методов моделирования и исследование воздействия плазмы и нагретого воздуха на двигатели летательных аппаратов

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Разработка методов моделирования и исследование воздействия плазмы и нагретого воздуха на двигатели летательных аппаратов Христофоров Б. Д.

Христофоров Борис Дмитриевич /Khristoforov Boris Dmitrievich - доктор технических наук, кандидат физико-математических наук, профессор геофизики, ведущий научный сотрудник, лаборатория литосферно-геосферных связей, Институт динамики геосфер Российская академия наук, г. Москва

Аннотация: разработаны методы моделирования воздействия плазмы и нагретого воздуха на двигатели летательных аппаратов при взрывах и разрядах. Определены уровни энергии, необходимые для нарушения газодинамической устойчивости двигателей при разных режимах их работы на низких высотах и дозвуковых скоростях.

Ключевые слова: электрический разряд, лазерное облучение, плазма, нагретый воздух, газодинамическая устойчивость, двигатели самолетов, моделирование.

Введение

Взрывы ВВ, электрические разряды и лазерное облучение в режимах плазмообразования широко применяются в производстве, научных исследованиях, моделировании динамических процессов взрывного типа в геофизике [1, 2]. Проведены многочисленные разработки, связанные с их моделированием [3, 4]. Возможность направлять и концентрировать действие взрыва, разряда и облучения трубами широко применяется при модельных исследованиях [5, 6]. Меняя состав продуктов взрыва ВВ, можно менять параметры испускаемого излучения для защиты летательных аппаратов от ракет с самонаведением [7, 8]. Разработанные методы моделирования действия молнии и грома электрическим разрядом и лазерным облучением и измерительная аппаратура рассмотрены в [2, 3, 7]. Ниже приведены результаты исследований параметров ударных волн и плазмы при взрывах, разрядах и лазерном облучении на входе и внутри воздухозаборников летательных аппаратов для моделирования воздействия гроз, пожаров на летательные аппараты и определения характерных уровней энергии воздействия необходимой для нарушения газодинамическеой устойчивости реактивных двигателей.

Методика и аппаратура

На рис. 1, 2 показаны типичные установки для отработки методик и проведения модельных исследований, а также фотография ударной волны (УВ), вытекающей из трубы при взрыве в ней ВВ [2]. На рис. 3 показан характерный самолет, применявшийся в модельных исследованиях.

Рис. 1. Исследование действия взрыва ВВ в трубах и фотография УВ вытекающей из трубы после взрыва

Рис. 2. Слева - воздухозаборник летательного аппарата

Справа разряд на конусе у входа в воздухозаборник вид сбоку, время слева направо и сверху вниз, между кадрами 13,5 мкс. Внизу затекание плазмы разряда в воздухозаборник. Вид спереди, время между кадрами 330 мкс. Энергия разряда Еэ = 18 кДж.

Рис. 3. Самолёт похожий на применявшийся в модельных исследованиях

В опытах с разрядом применялась батарея конденсаторов емкостью до 13000 мкФ, напряжением до 5 кВ, запасаемой энергией до 160 кДж. При разряде батареи через плоский проводник возникал электрический взрыв. При облучении преград импульсными лазерами на длине волны 1,315 мкм возникал плазменный факел с параметрами характерными для разряда с той же энергией. При взрывах, разрядах и облучении скоростные фотокамеры с разных направлений регистрировали плазменный факел. Для измерения параметров лазерного излучения применялся специальный измерительный комплекс [1, 2].

Результаты измерений.

В таблицах 1, 2 и рис.4 приведены различные варианты измерений параметров УВ при взрывах ВВ на входе в трубы, где mQ - энергия взрыва, Ь, X - длина труб и расстояние от заряда до датчика, ДРм, т+, 1+, 1+ соответственно приращение максимального давления, длительность, полный и удельный импульс положительной фазы УВ.

Таблица 1. Параметры отраженных УВ на расстоянии Ь в трубах при взрывах ВВ

шО, кДж I, Нсек •I, Пас ЛРм , МПа шО/Э, МДж/м2 шО, кДж I, Нсек I, Пас ЛРм, МПа шО/Э, МДж/м2

L = 1 м, г = 0,075 м, 8 = 0,0177 м2 L = 0,5 м, г = 0,046 м, 8 = 0,00664 м2

Взрывы у открытого конца труб

52,5 27,9 1580 10 2,98 52,5 24,5 3700 62 7,91

76 36,4 2070 13,7 4,3 68,4 31 4700 85 10,4

Взрывы у закрытого конца труб

26,3 27,4 1550 9,1 1,49 26,3 23,6 3550 61 3,96

40,6 40,7 2300 14,8 2,30 38,7 34,4 5180 94 5,83

шО, X, АРм, 1+, шО, X, АРм,

кДж м МПа мск Пас Нс кДж м МПа мск Пас

L = 1 м, г = 0,075м, Б = 0,0177м2 L = 0,5м, г = 0,046м, Б 0,00664м2

Взрывы у открытого конца труб

27,3 0,98 1,3 0,6 280 4,95 3,87 0,48 0,72 0,4 120

27,3 1,0 1,2 0,44 180 3,18 3,87 0,50 0,7 0,35 110

73 1,0 2,01 0,61 520 9,2 73,4 0,50 9,2 0,35 1420

Взрывы у закрытого конца труб

27,4 0,98 1,5 0,65 577 10,2 3,87 0,48 1,5 0,45 223

40,5 0,98 2,2 0,71 904 16,0 26,4 0,48 6,7 0,48 1405

76 0,98 3,7 0,75 1605 28,4 73,1 0,48 17,0 0,58 3530

В таблицах 3, 4 приведены характерные результаты измерений при разряде и облучении на конусе самолета в 10 см от входа в ВЗ после окончания выделения энергии и данные измерений в ВЗ, где Е -полная энергия плазмы с учетом энергии горения инициатора разряда из фольги, Еэ - энергия вложенная в инициатор массой шь И и V! - высота подъема и объем факела на преграде к концу выделения энергии. Тя ик - яркостная температура плазмы в ИК области. Ап0 5, Ап34, Ап64 -безразмерные давления на фронте УВ внутри ВЗ на расстояниях Ь = 0,5; 3,4 и 6,4м от входа в ВЗ.

Таблица 3. Параметры разрядной и лазерной плазмы перед ВЗ летательного аппарата

Разрядная плазма Лазерная плазма

Е, кДж 35 27 19 14 23 19,5 18 30

Еэ, кДж 31 22,7 15 10,4 - - - -

ml, г 0,14 0,14 0,14 0,14 - - - -

VI, литр 52 42 26 20 31 29 - -

Тя ик, кК 27,5 21 22 21 - 23 - 32

Таблица 4. Безразмерное давление на фронте УВ в ВЗ ЛА при разрядах и облучении

Е, кДж 20,8* 24,2 15,7 16,4 18,3 21,4 30,3* 26,7 35,5

АПО,5 1,77 1,9 1,65 2,27 2,27 2,28 3,3 3,19 3,40

АПЗ,4 0,16 0,2 0,14 0,2 0,21 0,21 0,38 0,37 0,41

АП6,4 0,013 0,016 0,011 0,06 0,06 0,07 0,080 0,070 0,090

п% 0 0 0 70 70 70 93 93 93

Обсуждение результатов.

Параметры фронта и условия перехода в трубе сферической УВ в плоскую при взрыве мощных ВВ в трубах разного диаметра приведены в [5, 6]. Разработана методика определения параметров фронта УВ в трубах в ближней зоне и эмпирические формулы (1,2) для их расчета при модельных исследованиях. При взрывах на входе трубы

АРм = (0,79Е/Х + 0,39 (Е/Х)°'5)ехр(-0,004Х/г); т+= X;

1+=1000АРмт+/2

где АРм в МПа, Е = mQ/2S в МДж/м2, т+ в мс, X в м, 1+ в Пас, сечение трубы Б = пг2. Давление отраженной ударной волны определялось по формуле: АРт = Кр(0,79Е/Х + 0,39 (Е/Х)°'5)*ехр(-0,004Х/г);

Кр = 5,48АРМ0,245 (2) На рис. 4 проведено сравнение расчетов и измерений зависимостей I и АРм от энергии взрыва mQ для отраженных УВ при взрывах ВВ у закрытого и открытого концов труб с применением формул (1,2), когда Е = mQ/S и mQ/2S МДж/м2, соответственно. При одинаковых массах ВВ и длинах труб Ь

давление и импульс УВ примерно вдвое выше при взрыве у закрытого конца. При расчетах применялся измеренный коэффициент отражения импульса К = 2.06.

Измерения и расчеты параметров УВ в трубах показали, что при отражении от преграды можно почти вдвое увеличить удельный импульс по сравнению с прямой УВ. Снижение давлений по сравнению с контактным взрывом позволяет отказаться от защитных экранов и прокладок во взрывных двигателях увеличить полезную массу M разгоняемых устройств и КПД действия взрыва [6 - 7].

На рис. 5 показаны зависимости приведенных объемаов от приведенного времени (V/E)(t/E1/3) для различных взрывных процессов. Звезда - характерное значение V1/E для молнии после окончания разряда [2, 3].

10000 8000 6000 4000 2000 0

¿Пас

✓ ✓ ✓

Л *

£ , , — —' А

111(3, к^

20 40 60 80

120

40

; ДРтМРа А У / /

/ /  £ д*

20 40 60 пфы

Рис. 4. Зависимости удельного импульса .7 и максимального давления АРм от энергии взрыва mQ в отраженных УВ при взрывах у открытого и закрытого конца труб соответственно

Рис. 5. Зависимости (¥/Е)(1/Е1,3) для взрывных процессов. Мелкий пунктир - взрыв 11 г смеси 50/50

литого ТГ 50/59 [1]

Крупный пунктир - расчет Броуда взрыва тротила. Сплошная линия - расчет Броуда для изотермы 3 кК взрыва горячей сферы [10]. Квадраты - разряд и облучение на конусе самолета с энергией E = 32 кДж при п1= 0, когда двигатель не работает.

Результаты измерения объемов V плазмы на конусе после окончания разряда приведенных на рис. 5 и таблице 3, можно описать эмпирической формулой V/Eэ = 0,91+29 m1/E. При m1/Eэ ~ 0, V1/Eэ = 0,91, что близко к расчету Броуда [10] для объема ограниченного изотермой 3 кК, для которой V1/E около 0,75 м3/МДж, что характерно для разряда при молнии.

В таблице 4 и на рис. 6 приведены зависимости Дл(г/Е1/2) внутри ВЗ при разных энергиях плазмы и скоростях вращения ротора двигателя от п = 0 до п = 0,93 (г = 0,5; 3,4 и 6,4 м - расстояния от датчиков в ВЗ дот его входа). С увеличением п давление Дп существенно возрастает. Наличие излома на зависимостях Дп(г/Е1/2) на рис. 8, от приведенного расстояния вызвано торможением УВ расширяющимся конусом в ВЗ до расстояния 3 м.

Рис. 6. Зависимость приращения Апмаксимального давления УВ от приведенного расстояния г/Е112 в м/кДж"2 внутри воздухозаборника при частотах вращения двигателя п = 0 - кресты, п = 0,7 — звезды, г—расстояние УВ от разряда, Е — энергия, вложенная в факел

Проведенные наземные исследования показали, что втекание взрывной, разрядной и лазерной плазмы в воздухозаборник ЛА приводит к потере газодинамической устойчивости их газотурбинных двигателей, переход в помпаж и прекращение их работы. Отработанные методы моделирования действия молнии на двигатели ЛА позволили тарировать антипомпажные системы и оценить минимальную энергию плазмы необходимую для поражения ЛА типа МИГ17-23. В условиях опытов антипомпажные системы обычно не успевали восстановить работу двигателя.

С ростом значения п% определяющего скорость продувки двигателя необходимая для срыва его газодинамической устойчивости энергия нагретого газа становилась меньше. При п = 93% затраты энергии плазмы минимальны. Срыв в работе ГТД наступал после прохождения УВ и областью нагретого газа двигателя, носил вероятностный характер и зависел от энергии или объема плазмы и числа оборотов двигателя. Нарушения в его работе сопровождались выбросом нагретого газа из ВЗ, который регистрировался тепловыми датчиками после прохождения области нагретого газа через компрессор и из сопла, который регистрировался фотокамерами.

Рис. 7. Диаграмма, характеризующая энергетические границы срыва (вертикальные линии) работы газотурбинного двигателя при разных частотах п%

Темные и светлые квадраты - нарушение динамической устойчивости двигателя и его отсутствие. Моделирование воздействия молнии на ЛА, летящие на низких высотах и дозвуковых скоростях, проводились также при его встречном обдуве со скоростями до 500 км/час из сопла другого ЛА [2]. Возможно гибель ИЛ - 16 при тушении лесных пожаров связана с нарушением газодинамической устойчивости двигателя при попадании продуктов горения в воздухозаборник. Заключение

Приведены результаты исследований параметров ударных волн и плазменного факела при взрывах, разрядах и лазерном облучении на входе труб, при отработке методов моделирования воздействия плазмы и нагретого газа на летательные аппараты. Измерены параметры УВ и нагретого газа на входе

и внутри воздухозаборников летательных аппаратов при разрядах и лазерном облучении. Определены

минимальные уровни энергии необходимые для нарушения газодинамической устойчивости

авиационных двигателей при разных режимах их работы на низких высотах и дозвуковых скоростях.

Литература

1. Христофоров Б. Д. Параметры радиационных и газодинамических процессов воздушных, приземных и наземных взрывов зарядов массой до 1000 т // Физика горения и взрыва, 2014. Т. 50. № 1. С. 107-114.

2. Христофоров Б. Д. Моделирование газодинамических процессов при грозах мощными электрическими разрядами // Физика горения и взрыва, 2010. Т. 46. № 1. С. 14-19.

3. Христофоров Б. Д. Моделирование параметров молнии и грома мощным электрическим разрядом и излучением // Академический журнал Западной Сибири, 2013. Т. 9. № 5. С. 116-120.

4. Соловьев В. О., Христофоров Б. Д. Моделирование воздействия рентгеновского излучения на ячеистую структуру камеры ЯЭУ // Атомная энергия, 2008. Т. 105. №1. С. 32-38.

5. Khristoforov B. Investigation of shock wave parameters at explosives blasts in the tubes with air // Universal journal of engineering science, 2013.№ 2. P. 28-33.

6. Khristoforov B. The Study of Large Plastic Deformation and Fracture of Plates by Blast of Explosives in the Tubes // Universal Journal of Engineering Science, 2014. № 2. P. 49-53.

7. Соловьёв В. О. Факторы, влияющие на кпд многоимпульсных взрывных устройств с отражателями // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2002. № 3. С. 50-55.

8. Рождественский В. Б., Христофоров Б. Д., Юрьев В. Л. Влияние состава продуктов на радиационные характеристики взрыва ВВ в воздухе // Физика горения и взрыва, 1989. № 5. С. 145-148.

9. Адушкин В. В., Гарнов В. В., Дивнов И. И., Христофоров Б. Д. и др. Моделирование эволюции газо -пылевого облака, вызванное ударами астероидов и комет // ДАН РФ. 332: (1). С. 85-88. Сентябрь, 1993.

10. Броуд Г. Гидродинамика взрывов // Расчеты взрывов на ЭВМ. М.: Мир, 1976.

11. Гельфанд Б. Е., Сильников М. В. Барометрическое действие взрывов // СПб. Издательство Астерион, 2006.

Углекислотная конверсия метана в синтез-газ путем электрофизического

воздействия

Касенова Ж. М.1, Ермагамбет Б. Т.2, Нургалиев Н. У.3, Абылгазина Л. Д.4, Холод А. В.5

'Касенова Жанар Муратбековна /Kasenova Zhanar Muratbekovna — магистр техники и технологии,

заместитель директора;

2Ермагамбет Болат Толеуханулы / Yermagambet Bolat Toleukhanuly - доктор химических наук, профессор,

директор;

3Нургалиев Нуркен Утеуович /Nurgaliyev Nurken Uteuovich - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник; 4Абылгазина Лейля Даулетовна /Abylgazina Leila Dauletovna - бакалавр техники и технологии,

младший научный сотрудник; 5Холод Андрей Владимирович /Kholod Andrey Vladimirovich - бакалавр техники и технологии,

младший научный сотрудник, Институт химии угля и технологии, г. Астана, Республика Казахстан

Аннотация: исследована углекислотная конверсия метана в синтез-газ в плазме барьерного разряда, что позволило выявить специфику протекания реакций разложения метана и диоксида углерода в низкотемпературной плазме, реализации радикально-цепного механизма. Ключевые слова: метан, углекислота, разряд, плазма, конверсия.

В настоящее время выполнено много экспериментальных и теоретических исследований конверсии метана путем электрофизического воздействия в разных видах разряда (барьерный, коронный, искровой и др.) и при воздействии непрерывного и импульсного электронного пучка. Это позволяет выявить специфику протекания реакций разложения метана в низкотемпературной плазме, реализации цепного механизма. Наиболее перспективным способом осуществления конверсии метана является сочетание процессов окисления метана кислородом, паровой и углекислотной конверсии метана [1]. Комбинация двух или трех видов окислительной конверсии метана может привести к повышению