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.
Труба имеет набор профильных осесимметричных сверхзвуковых сопл с выходным диаметром 1,0 м, рассчитанных на реализацию чисел М на
e
6
6
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 25000квт.
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, процессов ионизации около гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА).
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
Эксперименты выполнены на установке плазменный фокус (ПФ), где амплитуда разрядного тока составляла 3 МА; рабочий газ - неон при давлении 0,5-1 Торр. Фарфоровый цилиндр диаметром 40 см и высотой 40 см был 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 регистрации изменения магнитного поля во фронте ударной волны использовался магнитооптический зонд. Экспериментальные условия на ПФ позволили обеспечить бесстолкновительное 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. Показано сжатие магнитного поля во фронте ударной волны и диссипация энергии плазменного потока.
Однако, установка ПФ не позволяет проводить исследования -моделирование процессов обтекания моделей ГЛА плазменным потоком в виду ограниченного объема рабочей камеры конструкции, ограниченных числах М и времени проведения эксперимента.
Известна АДТ с магнитогидродинамическим (МГД)-ускорителем Фарадея (см. Г.С.Бюшгенс, В.В.Сычев, Е.Л.Берджицкий и др., ЦАГИ -основные этапы научной деятельности 1968-1993 г, стр.396.), взятая за прототип. АДТ содержит последовательно расположенные электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, МГД - ускоритель, вторичное сопло, рабочую часть, эжекторы.
В гиперзвуковой АДТ определяются распределение давления по поверхности моделей, величина отхода и форма ударной волны, величины помех и статических давлений в потоке в месте расположении моделей, энтальпии торможения и степени возможного отклонения от термодинамического равновесия состояния газа на выходе из сопла. Собственное свечение газа фиксируется через интерференционные светофильтры. Для определения положения ударной волны в условиях сильного собственного свечения газа используется теневая установка, основанная на использовании эффекта аномальной дисперсии.
Однако, данная установка не позволяет создавать физическую модель обтекания тел в термодинамически неравновесной разряженной газовой среде. Данный метод не пригоден для измерений в потоках при возникновении бесстолкновительных ударных волн и ионизации около ГЛА.
Технический результат, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, состоит в построении системы гиперзвуковой аэродинамики для исследования в свободномолекулярном потоке течения плазмы в неоднородных магнитных полях, обнаружения и визуализации бесстолкновительных ударных волн (БУВ), дальних ионизированных следов за моделью ГЛА.
Существенные признаки.
Для получения указанного технического результата в газодинамическую установку, включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ) с оптическими окнами, в которой
установлены баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитогидродинамический (МГД)-ускоритель с управляющими электрическими обмотками, вторичное сопло, рабочая часть ГАТ, внутри которой размещена исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА), система электромагнитной подвески модели (СЭМП) с силовыми (электропитанием) и контрольными электрическими обмотками, установленными снаружи на рабочей части ГАТ над моделью ГЛА, выходное сопло, вакуумная камера, и цифровую вычислительную машину (ЦВМ), соединенную первыми входами через блок формирования импульсов с ионными зондами, установленными в рабочей части ГАТ, вторыми входами - через преобразователь сигналов блока измерения электромагнитных полей с управляющими электрическими обмотками МГД - ускорителя, третьими входами - через преобразователь сигналов и преобразователь сигналов блока измерения электромагнитных полей с контрольными электрическими обмотками СЭМП, снаружи на рабочей части ГАТ установлены перед моделью ГЛА установка сильноточных ускорителей, а за моделью ГЛА у первого оптического окна ГАТ - установка комбинационного рассеяния света (КРС), содержащая лазер видимого диапазона излучения, оптически связанный с зачерненной трубой, а через спектрограф - с фотоэлектронным усилителем (ФЭУ), подключенным к анализатору импульсов, а у второго оптического окна ГАТ - рентгеновская установка, содержащая электронную пушку с генератором высоковольтных импульсов, оптически связанную с электронной ловушкой, а через сцинтилляционный счетчик - с ФЭУ, подключенным к анализатору импульсов, причем установка КРС и рентгеновская установка через анализаторы импульсов соединены соответственно с четвертыми и пятыми входами ЦВМ, шестые входы которой связаны через преобразователь сигналов и высоковольтный выпрямитель с сильноточными ускорителями.
Перечень фигур на чертежах.
Для пояснения сущности полезной модели на фиг.1 приведена функциональная схема газодинамической установки, где изображены:
1 - баллон с высоким давлением газа;
2 - регулирующий дроссель;
3 - электродуговой подогреватель;
4 - дозирующее устройство;
5 - первичное сверхзвуковое сопло;
6 - магнитогидродинамический (МГД)-ускоритель Фарадея с управляющими электрическими обмотками - 7;
8 - вторичное сопло;
9 - рабочая часть гиперзвуковой аэродинамической трубы (ГАТ);
10 - силовые электрические обмотки системы электромагнитной подвески модели (СЭМП);
11 - исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата;
12 - выходное сопло;
13 - вакуумная емкость;
14 - лазер видимого диапазона излучения;
15 - электронная пушка с генератором высоковольтных импульсов;
16,18 - сильноточные ускорители;
17 - ионные зонды;
19, 25 - преобразователь сигналов блока измерения электромагнитных полей;
20 - цифровая вычислительная машина (ЦВМ);
21, 22 - анализатор импульсов (преобразователь сигналов);
23, 27 - фотоэлектронный усилитель (ФЭУ);
24 - блок формирования импульсов;
26 - сцинтилляционный счетчик;
28 -спектрограф;
29 - электронная ловушка (коллектор электронов);
30 - зачерненная труба;
31 - контрольные электрические обмотки СЭМП;
32 - преобразователь сигналов;
33, 34 - первое и второе оптические окна в рабочей части ГАТ;
35 - высоковольтный выпрямитель;
36 - схема Аркадьева - Маркса - генератор высоковольтных импульсов;
37 - промежуточный накопительный элемент;
38 - электроды двойной формирующей линии;
39 - трансформирующая линия передачи;
40 - катод высоковольтного вакуумного диода;
41 - анод высоковольтного вакуумного диода;
42 - камера вывода-ввода пучка;
43 - преобразователь сигналов.
На фиг.2 изображен механизм рассеяния лазерного луча на фронте бесстолкновительной ударной волны. Фронт волны изображен в виде цилиндрического слоя 44.
Газодинамическая установка (ГУ) включает гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ) с оптическими окнами и цифровую вычислительную машину (ЦВМ) 20. В ГАТ установлены 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 7, вторичное сопло 8, рабочая часть ГАТ 9, внутри которой размещена исследуемая модель гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) 11, система электромагнитной подвески модели (СЭМП) с силовыми 10 и контрольными 31 электрическими обмотками, установленными снаружи на рабочей части ГАТ 9 над моделью ГЛА 11, выходное сопло 12, вакуумная камера 13. При этом ЦВМ 20 соединена
первыми входами через блок формирования импульсов 24 с ионными зондами 17, установленными в рабочей части ГАТ 9, вторыми входами -через преобразователь сигналов блока измерения электромагнитных полей 19 с управляющими электрическими обмотками 7 МГД- ускорителя 6, третьими входами - через преобразователь сигналов 32 и преобразователь сигналов блока измерения электромагнитных полей 25 с контрольными электрическими обмотками 31 СЭМП. В ГУ снаружи на рабочей части ГАТ 9 установлены перед моделью ГЛА 11 установка сильноточных ускорителей 16,18, а за моделью ГЛА 11 у первого оптического окна ГАТ 33 - установка комбинационного рассеяния света (КРС), а у второго оптического окна ГАТ 34 - рентгеновская установка. При этом КРС содержит лазер видимого диапазона излучения 14, оптически связанный с зачерненной трубой 30, а через спектрограф 28 - с фотоэлектронным усилителем (ФЭУ) 27, подключенным к анализатору импульсов 21. Рентгеновская установка содержит электронную пушку 15 с генератором высоковольтных импульсов, оптически связанную с электронной ловушкой 29, а через сцинтилляционный счетчик 26 - с ФЭУ 23, подключенным к анализатору импульсов 22. Причем установка КРС и рентгеновская установка через анализаторы импульсов 21, 22 соединены соответственно с четвертыми и пятыми входами ЦВМ 20, шестые входы которой связаны через преобразователь сигналов 43 и высоковольтный выпрямитель 35 с сильноточными ускорителями 16,18.
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 10K. 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 10K, при М=20 - до (2,5÷2,8)·10К. 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 гиперзвуковых АДТ, обеспечивается вакуумной камерой 13.
Взаимодействие потоков в ГАТ при визуализации реализуется путем изменения скорости плазменного потока в МГД-ускорителе 6. Этим процессом управляет ЦВМ 20, которая через преобразовательный блок 19 соединена с управляющими электрическими обмотками 7 МГД-ускорителя 6, а через блок 24 связана с ионными зондами 17. Ионные зонды 17 используются для определения концентрации и температуры электронов путем измерения силы тока, идущего на электроды, погруженные в плазму при различных подаваемых на него напряжениях. Конструктивно ионный зонд выполнен в виде отдельных датчиков или гребенок для измерения профиля концентрации ионов.
Встречные пучки (ВП) сильноточных ускорителей электронов 16,18, ускоренные до заданной энергии, движутся под малым углом 2-3° навстречу друг другу, взаимодействуя на участке встречи. Максимальная энергия реакции при столкновении встречных частиц с одинаковыми значениями импульсов равна сумме энергий обеих частиц.
r
1
2
1,2
1,2
2
ε=ε+ε, при ε≫mc
r
0
1
2
0
ε=2рc, где m, m- массы покоя сталкивающихся частиц, p - импульсы.
Эффект встречи пучков ограничен действием пространственного заряда пучка и внутренним рассеянием. В режиме встречи двух пучков появляются эффекты взаимодействия частиц одного пучка с электромагнитными полями другого пучка.
Эффективность установок с ВП характеризуется высокой светимостью L, величиной, равной числу событий, происходящих в единицу времени при столкновении двух пучков и единичном сечении взаимодействия, что дает
возможность получения данных о структуре дальнего ионизированного следа за моделью ГЛА.
5
Сильноточные ускорители (СУ) 16,18 - установки для получения сильноточных пучков (электронов), создающих ток I>10 эв. СУ 16,18 содержат источник импульсов высокого напряжения, высоковольтный выпрямитель 35 и высоковольтный вакуумный диод 40-41, на который это напряжение подается и в межэлектродном промежутке которого происходит ускорение. СУ является ускорителем прямого действия, в котором частицы получают весь прирост энергии за один проход через ускоряющий промежуток - высоковольтный вакуумный диод 40-41, на электроде которого они и образуются.
5
Источником электронов или отрицательных ионов служит плазма, образующаяся за несколько нс на катоде в результате взрывной электронной эмиссии, когда при достижении средней напряженности поля на катоде ~10 в/см происходит тепловой взрыв его микронеоднородностей.
6
к
Образовавшиеся на катоде 40 и аноде 41 слои плазмы расширяются со скоростью V=(2÷3)·10 см/с, межэлектродный промежуток (d - от нескольких мм до нескольких см) сокращается в течение импульса. В высоковольтном вакуумном диоде 40-41 с электродами в виде двух плоских дисков радиуса R течет равномерно распределенный ток I. Через время t=d/2V оба слоя плазмы соединяются и диод закорачивается.
Сильноточный пучок (СП) - энергоноситель в данной схеме с быстрой кумуляцией энергии, длительность импульса от 10 нс до 10 мкс. Источником энергии электронного СП является высоковольтный вакуумный диод 40-41, работающий в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Длительность импульса определяется временем перекрытия диодного промежутка 40-41 приэлектродной плазмы. При повышении анодного напряжения на электродах размером d/R, диод переходит в режим сильного сжатия потока собственным магнитным полем - пинча («шнура»).
В генераторе мощных высоковольтных импульсов 35-36 первичное накопление энергии осуществляется в высоковольтном выпрямителе 35 в конденсаторах при напряжении до ~100 кв, после чего следует увеличение напряжения коммутацией конденсаторной батареи из параллельного соединения в последовательные - в схеме Аркадьева - Маркса 36. При длительности импульса больше времени работоспособного состояния диода 40-41 введен усилитель мощности в канале, выполненном в виде отрезков линии передачи 37-38-39, погруженных в диэлектрик для увеличения удельной энергоемкости. Для этого используется жидкий диэлектрик - трансформаторное масло, не «запоминающее» пробоев тока и имеющее высокую электрическую прочность при длительности импульса меньше 1 мкс. Для большого напряжения и больших токов используется двойная линия 38 (линия Блюмляйна), создающая удвоение напряжений на нагрузке, которой служит диод 40-41.
Установка КРС (14-33-30-28-27-21) дает возможность определить и зафиксировать параметры бесстолкновительных ударных волн (БУВ) на фоне засветки потока плазмы, характеристики которой (скорость потока, распределение частиц плазмы по скоростям и др.) определяются с помощью рентгеновской установки (15-34-29-26-23-22).
Взаимодействие между потоком газа из баллона 1 и магнитным полем СЭМП 10, 31 характеризуется произведением магнитного числа Рейнольдса и отношения плотности магнитной энергии к кинетической. Когда эта величина становится достаточно большой, то изменяется скорость при проникновении волны в поле. Образовавшаяся в ГАТ ударная волна проходит через область с полем и с большой скоростью двигается вдоль трубы. На фронте бесстолкновительной ударной волны, распространяющейся поперек магнитного поля, возбуждаются интенсивные ионно-звуковые колебания, обнаруживаемые с помощью использования спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) рубинового лазера (λ≅7000A°) на турбулентных флюктуациях плазмы.
Спектроскопия КРС - исследование колебательного и вращательного КРС, при которых акт преобразования первичного светового потока сопровождается переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни. При этом в спектре рассеяния, помимо несмещенной линии, содержатся новые линии, частоты которых представляют собой комбинации из частоты падающего света и частот колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул.
e
эо
э1
Интенсивный пучок света лазера концентрируется на потоке плазмы в рабочей части ГАТ и попадает для гашения переотражений в зачерненную трубу 30. Рассеянный свет наблюдается под углом рассеяния θ (обычно θ=90°) к направлению падающего луча. При КРС изменение частоты первичного излучения сопровождается переходом рассеивающих молекул на другие колебательные или вращательные уровни. При КРС происходит поглощение кванта ℏω первичного света частоты ω и испускание кванта ℏω' частоты ω'. При этом система под действием кванта с энергией ℏω не переходит в возбужденное электронное состояние даже на очень короткое время, поэтому энергия ℏω первичного кванта может быть значительно меньше энергии ℏω кванта, способного перевести молекулу из основного электронного состояния ε в возбужденное электронное состояние ε.
i
i
s
i
s
i
s
i
Если в плазме существуют флюктуации с частотой ω и волновым вектором К, то при падении на нее электромагнитной волны с частотой ω и волновым вектором К, возникает рассеянная волна с частотой ω=ω±ω и волновым вектором К=К±К, фиг.2, где показана часть фронта цилиндрической ударной волны и направление падающей и рассеянной волны. Сдвиг частоты при рассеянии лазерного света очень мал, и поэтому , так что , где θ - угол между К и К. Фиксируя направление наблюдения с помощью детекторов, можно тем самым фиксировать значение вектора К. При наблюдении рассеяния в определенном направлении можно указать на флюктуацию, с каким волновым вектором она
будет происходить. Измеренный сдвиг частоты  хорошо соответствует частоте ионно-звуковых колебаний с вектором . Большая ширина линии рассеяния обусловлена тем, что радиус падающего луча сравним с толщиной фронта ударной волны. В спектре присутствует либо только красный, либо только фиолетовый сателлит - спектральная линия. Это значит, что колебания, распространяющиеся навстречу движению электронов, отсутствуют (не возбуждаются).
Спектральное разложение рассеянного света осуществляется спектрографом 28 - прибором с большой светосилой и достаточно большой дисперсией. Регистрация спектров осуществляется фотоэлектрическим методом - ФЭУ 27. В спектрографе 28 световой сигнал вырезается щелью диафрагмы и далее разлагается в спектр. Рабочая длина волны попадает на фотокатод ФЭУ - 27, где преобразуется в электрический сигнал в блоке 21 и проходит в ЦВМ - 20.
При исследованиях газовых потоков излучение, индуцируемое электронным пучком, маскируется собственным излучением плазмы или фоновым свечением. Рентгеноэлектронный метод измерения локальной плотности разреженного газа, основан на линейной зависимости интенсивности тормозного рентгеновского излучения, генерируемого в зоне прохождения электронного пучка, от плотности плазмы в зоне. Высокое пространственное разрешение обеспечивается регистрацией излучения из малой области, ограниченной сечением пучка. При взаимодействии быстрых электронов с атомами происходит генерация рентгеновского излучения вследствие ударной ионизации с внутренних оболочек атома с последующим испусканием γ - квантов. В рабочей части ГАТ 9 установлен металлический фланец - электронная ловушка 29 - под углом θ=90° к оптическому окну 34 с отверстием для ввода электронного пучка, генерируемого электронной пушкой 15. Газоразрядная импульсная электронная пушка 15, герметично
соединенная с рабочей частью ГАТ 9, способна давать электронный пучок силой до 10 А. Пучок пронизывает трубу в поперечном направлении, по вертикали.
-7
Для регистрации рентгеновского излучения используются сцинтилляционные счетчики, имеющие большую скорость счета. Амплитуда выходного сигнала счетчика пропорциональна энергии квантов. Основными элементами сцинтилляционного счетчика 26 являются: прозрачный сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 23, оптическая система для сочленения сцинтиллятора и ФЭУ 23. Счетчик 26 имеет удовлетворительную величину светового и энергетического выхода, спектральный состав излучения люминесценции. Счетчик выполнен на основе йодистого натрия, активизированного таллием, и имеет время высвечивания 2,5·10 с. Квантовый выход фотокатода, спектральная характеристика, интегральная и общая чувствительность ФЭУ 23 приемлемы для счетчика 26. Электронная пушка 15 - источник излучения - и сцинтилляционный счетчик 26 разделены окном 34. Счетчик 26 монтируется в светонепроницаемом корпусе с окном, закрытым алюминиевой фольгой толщиной 0,1 мм.
Измерение плотности газа в гиперзвуковых потоках отличается отсутствием зависимости от температуры газа, применимостью в самосветящихся потоках, использованием простых градуированных зависимостей. Регистрируется тормозное рентгеновское излучение, генерируемое зондирующим электронным пучком, и связанное с местной плотностью газа. Применение импульсной электронной пушки 15 и сцинтилляционного счетчика 26 на базе ФЭУ 23 позволяет достичь высокого временного разрешения.