Газодинамическая установка

Газодинамическая установка, содержащая гиперзвуковую аэродинамическую трубу (АДТ), в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением воздуха, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство первичное сверхзвуковое сопло, магнитно-гидродинамический (МГД) ускоритель Фарадея с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочая часть АТД с исследуемой моделью и державкой, выходное сопло, многоступенчатая система эжекторов, датчики давления и температуры, соединенные через преобразователь с входом ЭВМ, аппаратура скоростной киносъемки, спектрограф, причем в ее состав введен лазер на свободных электронах, содержащий линейный индукционный ускоритель электронов, инжектор электронов, электромагнитный ондулятор, управляющая катушка которого через преобразователь соединена с первым выходом ЭВМ, а второй выход через преобразователь соединен с управляющими обмотками МГД-ускорителя Фарадея

Полезная модель относится к области гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики и предназначена для изучения физических процессов генерации сильных ударных волн и теплового широкополосного излучения в средах конечного давления.

Известна крупноразмерная гиперзвуковая аэродинамическая труба (АТД) Т-117 (Г.С.Бюшгенс, Е.П.Бержицкий, ЦАГИ - центр авиационной науки, М. «Наука», 1993), позволяющая проводить исследования аэродинамических и тепловых характеристик моделей различных гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) при достаточно полном геометрическом подобии моделей и натуры. Аэродинамический контур трубы Т-117 содержит электродуговой подогреватель, рабочую часть -круг диаметром d=1 м, теплообменник, вакуумную емкость, отсечные задвижки, эжекторы, сверхзвуковое сопло, сверхзвуковой диффузор.

Гиперзвуковая труба Т-117 - труба периодического действия, использующая сжатый воздух высокого давления (до 320 атм.), аккомулированный в баллонах емкостью 10 м ³ каждый. 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 ступени эжекторов или вакуумной емкости объемом 3000 м ³ с начальным разрежением до 0,01 мм рт.ст., создающих необходимое разрежение за одним из трех нерегулируемых сверхзвуковых диффузоров.

Продолжительность одного испытания при работе с системой эжекторов - до 3 мин., с вакуумной емкостью 1,5 мин.

Труба имеет набор профилированных осисимметричных, сверхзвуковых сопл с выходным диаметром 1,0м, рассчитанных на реализацию чисем М на выходе из сопла в диапазоне от 10 до 20. Диапазон чисел Rе - от 0,15·10⁶ до 4,8·10 ⁶ (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 1200-2000 К с помощью электродугового подогревателя мощностью 25000 кВт.

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 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 особенности гиперзвукового диапазона скоростей полета: разнообразие физических эффектов и невозможность полевого моделирования в наземных условиях всех необходимых характеристик с учетом резонансного поглощения энергии затупленного конца модели.

Известна АДТ с магнитно-гидродинамическим (МГД) - ускорители Фарадея (см. Брюшгене Г.С., Сычев В.В., Берджицкий Е.Л. и др. ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1968-1993 гг., 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, параметры в форкамере установки р₀ и Т₀ величин полных и статических давлений в потоке в месте расположения моделей, энтальпии торможения и степени возможного отклонения от термодинамического равновесия состояния газа на выходе из сопла.

Собственное свечение газа фиксируемся 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 модель обтекания тел в возбужденной газовой среде - не учитывает свойство реальных физических систем, имеющих внутренние степени свободы, определять резонансные частоты поглощения

Цель разработки полезной модели - построение системы гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики для исследования термодинамического состояния газа в потоке, среды, имеющей внутренние степени свободы, и исследования картины обтекания моделей с учетом резонансных свойств системы.

Для решения указанной цели в газодинамическую установку, включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу (АДТ), в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением воздуха, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитно-гидродинамический (МГД) ускоритель Фарадея с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочую часть АДТ с исследуемой моделью и державкой, выходное сопло, многоступенчатую систему эжекторов, датчики давления и температуры, соединенные с первым входом ЭВМ, аппаратуру скоростной киносъемки, спектограф, в ее состав введен лазер на свободных электронах, включающий линейный индукционный ускоритель электронов, инжектор электронов, электромагнитный ондулятор, управляющая катушка которого через преобразователь соединена со вторым входом ЭВМ, а третий вход ЭВМ через преобразователь соединен с управляющими обмотками МГД-ускорителя Фарадея.

Для пояснения сущности полезной модели на фиг.1 приведена функциональная схема газодинамической установки, где изображены:

1 - баллон с высоким давлением;

2 - регулирующий дроссель;

3 - электродуговой подогреватель;

4 - дозирующее устройство;

5 - первичное сверхзвуковое сопло;

6 - магнитно-гидродинамический МГД-ускоритель Фарадея;

7 - вторичное сопло;

8 - лазер перестраиваемой частоты;

9 - рабочая часть аэродинамической трубы;

10 - державка;

11 - модель;

12 - сопло;

13 - многоступенчатая система эжекторов;

14 - аппаратура скоростной киносъемки;

15 - спектограф;

16 - датчики температуры и давления;

17 - блок изменения электромагнитных полей (частоты) ондулятора;

18 - преобразователи температуры и давления потока;

19 - блок изменения электромагнитных полей;

20 - ЭВМ;

21 - лазер на свободных электронах;

22 - линейный ускоритель электронов;

23 - сердечник индуктора;

24 - возбуждающие обмотки;

25 - фокусирующие катушки;

26 - ондулятор;

27 - инжектор электронов.

Газодинамическая установка (ГУ) включает гиперзвуковую аэродинамическую трубу (АДТ), в которой последовательно расположены баллон (1) с высоким давлением воздуха, регулирующий дроссель (2), электродуговой подогреватель (3), дозирующее устройство (4), первичное сверхзвуковое сопло (5), магнитно-гидродинамический ускоритель Фарадея (6) с управляющими обмотками, вторичное сопло (7), рабочая часть АДТ (9) с исследуемой моделью (11) и державкой (10), выходное сопло (12), многоступенчатая система эжекторов (13), датчики давления и температуры (16), которые соединены через преобразователи с первым входом ЭВМ (20).

В составе АДТ установлены аппаратура (14) скоростной киносъемки и спектрограф (15). В состав ГУ введен лазер (21) на свободных электронах, который включает линейный индукционный ускоритель с инжектором (27) электронов, электромагнитным ондулятором (26), управляющая катушка которого соединена через преобразователь электромагнитных полей - блок изменения частоты (17) - со вторым входом ЭВМ (20); третий вход ЭВМ (20) соединен через преобразователь электромагнитных полей (19) с управляющими обмотками МГД-ускорителя (6).

Газодинамическая установка работает следующим образом. Моделирование гиперзвукового полета требует воспроизведения в АДТ давлений торможения от долей до сотен МПА и температур торможения до 10⁴К. При гиперзвуковых числах Маха интенсивно растут потери полного давления при торможении потока и, соответственно, потребные перепады давления в АДТ. При числах М>4,5 воздух в АДТ необходимо нагревать для предотвращения его конденсации. Так, при М=10 нагревать до 10 ³К, при М=20 до (2,5-2,8)·10³ К. Максимальное давление в АДТ с дуговым подогревателем (3) равно 18-20 мПа, что позволяет моделировать полет гиперзвуковых летательных

аппаратов (ЛА) только на небольших высотах. Большой перепад давлений, необходимый для гиперзвуковых АДТ, обеспечивается системой эжекторов (13).

Область интенсивной конденсации (фазового перехода газ - жидкость), возникающая в ускоряющемся потоке газа, параметры термодинамического состояния которого перешли через кривую фазового равновесия, характеризуется скачком конденсации (СК). СК является следствием запаздывания конденсации из-за недостаточного количества центров конденсации в объеме газа, поэтому АДТ оборудуется установкой для осушения воздуха. В гиперзвуковой АДТ с гиперзвуковыми потоками конденсация основных компонентов воздуха устраняется установкой подогревателя (3) рабочего газа. Газодинамическое проявление СК зависит от скорости расширения потока и теплофизических параметров среды. В гиперзвуковом потоке однокомпонентного газа СК проявляется в изменении градиентов давления, плотности и скорости.

При значительных колебаниях тока и напряжения разряда в нагревателе, связанных с неустойчивостью его токопроводящего канала (3), обеспечивается невысокое качество нагреваемого потока. Поэтому принципиальным моментом становится требование о стабилизации разряда. Это обеспечение равномерности движения токопроводящего канала в кольцевом зазоре, определенности формы разряда и его положения в осевом направлении. В этом случае для стабилизации разряда применяется внешнее магнитное поле со специальной топологией. Эффект обеспечивается электромагнитными силами, действие которых распространяется на каждый элемент плазмы разряда.

В токопроводящем канале в зазоре между коаксиальными электродами во внешнем осесимметричном магнитном поле радиальная составляющая магнитной индукции изменяется вдоль оси электродов. Под действием осевой составляющей магнитной индукции (Вх) канал разряда между электродами будет вращаться между электродами относительно продольной оси. Но взаимодействие разряда с Вх не может привести к появлению осевых сил, действующих на него. Поэтому с точки зрения стабилизации положения разряда Вх должен быть связан с радиальной составляющей магнитной индукции Вг.

Лазер на свободных электронах (21) включает линейный ускоритель (22), инжектор электронов (27), электромагнитный ондулятор (26).

В линейной индукционном ускорителе (22) ускорение частиц происходит в электрических полях, возникающих при изменении магнитной индукции. В линейном индукционном ускорителе (22) силовые линии электрического поля (с напряженностью Е) направлены вдоль оси ускорителя. Электрическое поле индуцируется изменяющимся во времени магнитным потоком, проходящим через расположенные друг за другом кольцевые ферритовые индукторы (23). Магнитный поток возбуждается в них короткими (десятки или сотни НС) импульсами тока, пропускаемыми через одновитковые обмотки (24), охватывающие индукторы. Фокусировка производится продольным магнитным полем, которое создается катушками (25), расположенными внутри индукторов. Линейный индукционный ускоритель позволяет получать в импульсе килоамперные токи при тока 10 кА, длительность бокового импульса 50 НС.

В ускорителе увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием внешних продольных (направленных вдоль скорости ускоряемых частиц) электрических полей. Ускоритель включает источник (27) ускоряемых частиц, генератор электрических или электромагнитных ускоряющих полей, вакуумную камеру, в которой движутся частицы в процессе ускорения, устройство впуска - инжекции и выпуска (эжекции) пучка из ускорителя, фокусирующее устройство; обеспечивающее длительное устройство для коррекции положения; конфигурации ускоряемых пучков. Воздействие локального подвода энергии на структуру сверхзвукового потока и режимы обтекания моделей существенно изменяет

газодинамическую структуру течений и режимы сверхзвукового обтекания в зависимости от мощности, размеров и местоположения области выделения энергии перед обтекаемым телом. Условия и режимы энерговыделения в заданной области потока осуществляется в газодинамической установке при помощи энергии излучения (22). Используется лазерный дистанционный способ ввода энергии в сверхзвуковой поток. Распространение интенсивных лазерных лучей в поглощаемом потоке газа приводит к образованию нагретых локальных областей. Параметры среды в области эффективного поглощения излучения зависят от области спектра, рабочих режимов (импульсный, непрерывный) источника излучений, а также способа подвода (тонкий протяженный луч, короткая или длинная фокусировка) энергии. При превышении пороговых значений интенсивности излучения происходит оптический пробой с образованием локализованной плазмы в потоке газа. Свойства нагретых областей и плазмы влияют, в свою очередь, на распространение и поглощение излучения и на динамику формирования энергоисточника модели ЛА. Диссипативные процессы приводят к охлаждению (рекомбинации) плазмы и деструкции плазменного энергоисточника через некоторое время после ввода в поток импульса энергии.

Основные закономерности и взаимосвязь газодинамических процессов и механизмов поглощения энергии излучения, определяющих тепловое самовоздействие лазерного луча в потоке, «световое горение» образование лазерной искры высокоскоростных режимов - лазерной волны детонации распространения оптических разрядов. В гиперзвуковых потоках газа в зависимости от условий фокусировки и при интенсивности излучения выше порога пробоя может формироваться локализованная лазерная плазма только в импульсных режимах лазерной искры или светодетонационной волны. При «острой» фокусировке со значительной протяженностью плазмы пробоя формируется распространяющаяся с гиперзвуковой скоростью светодетонационная волна, за фронтом которой в узкой зоне происходит поглощение излучения.

Однако при уменьшении интенсивности излучения или наличии причин, резко ее уменьшающих вблизи области фокусировки, светодетонационная волна не формируется. В этом случае динамика лазерной плазмы соответствует режиму лазерной искры, при котором изменение параметров определяется радиальным размером плазмы. В случае короткой длительности лазерного импульса выполняется условие «мгновенного» выделения энергии. Поэтому для сферической и цилиндрической лазерной искры газодинамическая структура соответствует модели точечного взрыва.

Квазистационарный режим энергоподвода излучения в сверхзвуковой поток реализуется при применении излучения лазера (21). Внешний энергоподвод оказывается эффективным при определении коэффициентов сопротивления геометрии тел С_х, стабилизации пограничного слоя, интенсификации горения в гиперзвуковом потоке и др., осуществляется «тепловая коррекция» - путем создания нагретых областей для управления потоками. Исследование резонансных свойств процессов взаимодействия потоков АДТ и подвода энергии к модели ЛА реализуется путем изменения скорости плазменной частоты излучения лазера на свободных электронах (21) Это выполняется с помощью ЭВМ (20), которая через преобразователи - блоки (17) и (19) применения частоты электромагнитных полей соединена с обмотками МГД-ускорителя (6) и обмотками ондулятора (26) лазера на свободных электронах. В ЭВМ (20) определяется соответствие скоростей потока плазмы и частоты излучения лазера в соответствии с сигналами датчиков параметров потока (16), поступающих через преобразователи (18).

Процессы, идущие в экстремально сильных световых полях, относятся к типу квазирезонансных, а поляризационные свойства рассеянного излучения оказываются аномальными. Атомные ядра проявляют себя в процессе взаимодействия со световыми

пучками интенсивностью 10²⁰ Вт/см² и более. В процессе возможно появление комбинационного рассеяния излучения видимого диапазона на переходах между состояниями составного ядра. Эффекты взаимодействия сверхсильных оптических полей проявляются на фоне эффектов квазистационарного рассеяния света: в сильно возбужденной газовой среде всегда присутствуют электроны плазмы и ионы с заселенными возбужденными состояниями.

В АДТ с электродуговыми подогревателями газа при температурах торможения Т₀200К газ в этих трубах интенсивно светится как в потоке, набегающем на модель, так и за ударной волной перед моделью.

Для визуализации газодинамических течений использованы оптические методы визуализации, основанные на явлении отклонения света при прохождении его через неоднородности плотной прозрачной среды и интерферометрии для количественных исследований плотности прозрачной среды. При иитерферометрической регистрации поля течения картина распределения полос интенсивности света отражает пространственное распределение показателя преломления среды. Интерференционная картина представляет собой систему полос, расстояние между максимумами которых при заданной длине волны определяется углом схождения интерференционных волн. В ГУ использован интерференционный метод аномальной дисперсии - Крюков-Рождественского, где установлены «скрещенные» спектральные аппараты - интерферометр Жамена и спектограф. Для спектрометра (15) со скрещенными призмами вблизи полос поглощения вещества наблюдается уменьшение показателя преломления в зависимости от частоты. При взаимодействии мощного излучения с веществом нарушается основное допущение теории дисперсии о пропорциональности поляризации действующему полю; возникает добавка к показателю преломления, пропорциональная интенсивности света, приводящая к самовоздействию световых импульсов и пучков. Наблюдается насыщение поглощения.

Для измерения скорости потока в АДТ используются газодинамические методы. С помощью устройства для прямого измерения скорости, основанные на эффекте Доплера. Для этого в потоке с помощью перестраиваемого лазера (8) возбуждаются резонансные линии атомов с помощью интерферометра.

Используется датчик (16) теплового потока на основе монокристаллического висмута высокой частоты. Принцип действия датчика основан на поперечной эффекте Зеебека. Выходной сигнал (термоЭДС) линейно связан с тепловым потоком в поверхностном слое висмута, а вектор напряженности электрического поля нормален вектору падающего теплового потока.

Для определения природы свечения газа в невозмущенном потоке перед моделью проводятся спектроскопические исследования с помощью спектрографа (15) Спектр излучения газа из зоны за скачком уплотнения перед моделью отличается от спектра невозмущенного потока только интенсивностью, но не составом.

Положения фронта скачка уплотнения перед моделью с помощью теневой съемки с использованием в качестве источника света лазера позволяет уменьшить влияние на результат визуализации собственного свечения потока из зоны перед фронтом скачка уплотнения. В области за скачком уплотнения при обтекании затупленных тел температура и плотность газа резко возрастают, образуется источник мощного излучения, которое обеспечивает дополнительное резонансное возбужден не атомов и молекул вверх по потоку за пределы фронта скачка.

Газодинамическая установка, содержащая гиперзвуковую аэродинамическую трубу (АДТ), в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением воздуха, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство первичное сверхзвуковое сопло, магнитно-гидродинамический (МГД) ускоритель Фарадея с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочая часть АТД с исследуемой моделью и державкой, выходное сопло, многоступенчатая система эжекторов, датчики давления и температуры, соединенные через преобразователь с входом ЭВМ, аппаратура скоростной киносъемки, спектрограф, отличающаяся тем, что в ее состав введен лазер на свободных электронах, содержащий линейный индукционный ускоритель электронов, инжектор электронов, электромагнитный ондулятор, управляющая катушка которого через преобразователь соединена с первым выходом ЭВМ, а второй выход ЭВМ через преобразователь соединен с управляющими обмотками МГД-ускорителя Фарадея.