Газодинамическая установка

Предполагаемая полезная модель относится к области аппаратуры исследования физических процессов генерации сильных ударных волн и теплового широкополосного излучения в средах конечного давления. Цель разработки полезной модели - построение системы гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики для исследования термодинамического состояния газа в потоке среды, имеющей внутренние степени свободы до температуры 50000К. Газодинамическая установка (ГУ), включающая гиперзвуковую аэродинамическую трубу (АДТ) типа Людвига, в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением газа, форкамера - длинный канал высокого давления, сопло Лаваля, рабочая часть с поддерживающими модель механизмами, диффузор и вакуумная полость, три быстродействующих клапана, расположенных после баллона высокого давления, перед форкамерой, после рабочей части, блоки, управления которых соединены с цифровой вычислительной машиной (ЦВМ), лазер на свободных электронах (ЛСЭ), включающий: линейный индукционный ускоритель электронов, инжектор электронов, электромагнитный ондулятор, управляющая обмотка которого включена к блоку управления ЛСЭ и далее - к ЦВМ, ионные зонды с блоком преобразования параметров потока плазмы, голографический интерферометр, связанные с ЦBМ, аппаратура скоростной киносъемки, в состав ГУ после быстродействующего клапана баллона высокого давления введена замкнутая магнитная ловушка типа токамак, включающая первичную обмотку железного сердечника, катушки тороидального магнитного поля, лайнер выравнивания электрического поля, вакуумную камеру, которая через переходный соединительный патрубок и быстродействующий клапан соединена с форкамерой АДТ, а с помощью волновода - с иcтoчникoм электромагнитного излучения нагрева плазмы, соединенного с ЦВМ.

Предполагаемая 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 гиперзвуковая аэродинамическая труба (АДТ) с магнитно-гидродинамическим (МГД) - ускорителем Фарадея (Бюшгенс Г.С., Сычев В.В., Берджицкий Е.Л. и др. «ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1968-1993 гг.», M. "Наука", 1996, стр.396). АДТ содержит последовательно расположенные электродуговой подогреватель, осуществляющий нагрев газа до 2000К, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, МГД-ускоритель, вторичное сопло, рабочую часть, эжекторы.

Однако данная установка не позволяет создавать модель обтекания тел в возбужденной газовой среде при сверхвысоких температурах - не учитывает свойство реальных физических систем, имеющих внутренние степени свободы, определять резонансные частоты поглощения.

Известна также ударная труба с конической электродуговой камерой (JPL) NASA, где энергия для создания ударной волны обеспечивается емкостной аккумулирующей системой, состоящей из 100 конденсаторов с запасом энергии 290 кДж при напряжении 20000 В. W.A.Menard. - A Higher Perfomance Electric-ARC-Driven Shook Tabe. JPL, Passadena California - AIAA Jornal, 1971, v.9. N10. Скорости ударных волн достигали значений от 10 до 32 км/с, температуры для воздуха 31000К, время 11 мс.

Но более высокие значения температур при использовании электродуговой камеры для гиперзвуковых исследований не достигаются.

Известна «Газодинамическая установка» (RU 46356 U, опубл. 28.06.2005 г.), содержащая гиперзвуковую аэродинамическую трубу, в которой последовательно расположены: баллон с высоким давлением, МГД-ускоритель Фарадея с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочая

часть АДТ с исследуемой моделью и державкой, выходное сопло, многоступенчатая система эжекторов, датчики давления и температуры, соединенные через преобразователь с первым входом ЭВМ, лазер на свободных электронах, включающий линейный 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, спектрограф, аппаратуру скоростной киносъемки.

Однако, в проектах возвращения космических аппаратов (КА) на Землю, например, в проекте доставки на Землю образцов грунта с Марса, рассматриваются траектории входа в атмосферу Земли со скоростью свыше 11 км/с. В этих условиях непосредственно за фронтом головной ударной волны около аппарата температура газа может достигать значений свыше 50000К. При таких температурах за ударной волной на смену возбуждению колебательных степеней свободы молекул газа и процессам диссоциации, в значительной степени определяющим термодинамические параметры обтекания КА при скорости их полета до 8 км/с, происходит процесс ионизации атомов электронным ударом. При скорости свыше 10 км/с, начинают главенствовать атомарные процессы. При этом большую роль начинает играть взаимосвязь ионизационных и излучательных процессов. (В.А.Горелов, А.Ю.Киреев. Аэротермофизика входа в атмосферу Земли со сверхорбитальной скоростью. Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений. Международная научно-техническая конференция. ЦАГИ. 2004.)

Цель разработки полезной модели - построение системы гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики для исследования термодинамического состояния газа в потоке среды, имеющей внутренние степени свободы до температуры торможения 50000К.

Для решения указанной задачи в газодинамическую установку (ГУ), включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу типа Людвига, в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением газа, форкамера - длинный канал высокого давления, сопло Лаваля, рабочая часть с

поддерживающими модель механизмами, диффузор и вакуумная полость, три быстродействующих клапана, расположенных после баллона высокого давления, перед форкамерой, после рабочей части, блоки, управления которых соединены с цифровой вычислительной машиной (ЦВМ), лазер на свободных электронах (ЛСЭ), включающий линейный индукционный ускоритель электронов, инжектор электронов, электромагнитный ондулятор, управляющая обмотка которого включена к блоку управления ЛСЭ и далее к ЦВМ, ионные зонды с блоком преобразования параметров потока плазмы, голографический интерферометр, связанные с ЦВМ, аппаратура скоростной киносъемки, в состав ГУ, после быстродействующего клапана баллона высокого давления, введена замкнутая магнитная ловушка типа токамак, включающая первичную обмотку железного сердечника, катушки тороидального магнитного поля, лайнер выравнивания электрического поля, вакуумную камеру, которая через переходный патрубок и быстродействующий клапан соединена с форкамерой АТД с помощью волновода - с источником электромагнитного излучения нагрева плазмы, соединенного с ЦВМ.

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

1 - первичная обмотка трансформатора;

2 - катушки тороидального магнитного поля;

3 - вакуумная камера;

4 - катушка магнитного поля;

5 - лайнер - тонкостенная камера для выравнивания тороидального магнитного поля;

6 - железный сердечник (магнитопровод трансформатора);

7 - соединительный патрубок;

8, 17, 34 - быстродействующий клапан;

9 - форкамера (труба длинной l) аэродинамической трубы;

10 - сопло Лаваля;

11 - ионные зонды - электрические зонды ионизированного потока;

12 - лазер перестраиваемой частоты;

13 - рабочая часть аэродинамической трубы;

14 - аппаратура скоростной киносъемки;

15 - исследуемая модель летательного аппарата;

16 - державка модели;

18 - диффузор;

19 - вакуумная полость;

20, 32, 33 - блоки управления быстродействующими клапанами 17, 34;

21 - лазер на свободных электронах (ЛСЭ);

22 - линейный индукционный ускоритель;

23 - сердечники индукторов;

24 - одновитковые возбуждающие обмотки;

25 - катушки;

26 - электромагнитный ондулятор;

27 - инжектор электронов;

28 - блок управления ЛСЭ;

29 - голографический интерферометр;

30 - цифровая электронно-вычислительная машина (ЦВМ);

31 - преобразователь параметров потока плазмы;

35 - баллон с высоким давлением газа;

36 - источник электромагнитного излучения с волноводом.

На фиг.2 изображено вспомогательное устройство - голографический интерферометр, где последовательно расположены:

37 - стеклянное окно в стенке трубы;

38 - кювета с нитробензолом;

39 - кристалл KDP фосфата калия KH₂PO₄;

40 - полупрозрачное зеркало (отражатель);

41 - первый фоторегистратор;

42 - второй фоторегистратор;

43 - линза;

44 - зеркало.

ГУ включает гиперзвуковую АДТ типа Людвига, где последовательно расположены баллон с высоким давлением газа (35), форкамера (9) - длинный канал высокого давления длинной l, сопло Лаваля (10), рабочая часть с поддерживающими модель механизмами (13), диффузор (18), вакуумная полость (19). Три быстродействующих клапана (34, 8, 17) расположенных после баллона высокого давления (35), перед форкамерой (9), после рабочей части (13), блоки управления (33, 32, 20) быстродействующих клапанов соединены с ЦВМ (30). Лазер на свободных электронах (21) включает: линейный индукционный ускоритель электронов (22), инжектор электронов (27), электромагнитный ондулятор (26), управляющая обмотка которого включена к блоку управления ЛСЭ (28) и далее подключена к ЦВМ (30). Ионные зонды (11) через блок преобразования параметров потока плазмы (31) и голографический интерферометр (12, 29) связаны с ЦВМ (30). Аппаратура скоростной киносъемки (14) фиксирует быстро протекающие процессы в ГУ. После быстродействующего клапана (34) баллона (35) высокого давления расположена замкнутая магнитная ловушка типа токамак, включающая первичную обмотку (1) железного сердечника (магнитопровода) (6), катушки (2) тороидального магнитного поля, лайнер (5) выравнивания электрического поля, вакуумную камеру (3), которая через переходный соединительный патрубок (7) и быстродействующий клапан (8) соединена с форкамерой (9) АДТ. Кроме, того, вакуумная камера (3) с помощью волновода соединена с источником (36) электромагнитного излучения нагрева плазмы, соединенного с ЦВМ (30).

ГУ работает следующим образом.

Для получения высоких значений параметров потока плазмы в форкамере 9, газ нагревают в замкнутой магнитной ловушке типа токамак.

Токамак - тороидальная камера с магнитными катушками - устройство для удержания высокотемпературной плазмы с помощью сильного магнитного поля. Плазма создается в тороидальной вакуумной камере (3), которая служит единственным замкнутым витком вторичной обмотки трансформатора (6). При пропускании нарастающего во времени тока в первичной обмотке (1)

трансформатора внутри камеры (5) создается вихревое продольное электрическое поле. При малой начальной плотности газа происходит электрический пробой и камера (3) заполняется плазмой с последующим нарастанием большого продольного тока I_p. Он создает собственное полоидальное (в плоскости поперечного сечения плазмы) магнитное поле В. Для стабилизации плазмы используется сильное магнитное поле В, создаваемое с помощью обмоток (2) тороидального магнитного поля. Именно комбинацией тороидального и полоидального магнитных полей обеспечивается устойчивое удержание высокотемпературной плазмы. Плазма токамака подогревается за счет Джоулева тепла от протекающего по ней тока. Выделение его достаточно для высоких температур. Токамак дополняется системой нагрева плазмы. Для этого используется аппаратура высокочастотного нагрева резонансного типа, резонансы которой отвечают внутренним колебательным процессам в плазме. Нагрев ионной компоненты осуществляется в диапазоне гармоник циклотронных частот ионов плазмы, нагрев электронов осуществляется при электронно-циклотронном резонансе от источника излучения (36) с помощью антенн СВЧ-диапазона и коаксиальных электродов. Первоначально плазма в плазменной камере создается методом инжекции ионов или электронов или пучков нейтральных атомов - предварительный разогрев газа током. В камере поддерживается (не ниже атмосферного) давление рабочего газа. Возможность нагрева плазмы до высоких температур связана с тем, что в сильном магнитном поле траектории частиц выглядят как спирали, навитые на линии магнитного поля. Поэтому электроны и ионы длительное время удерживаются внутри плазмы. И только за счет столкновений и флюктуации электрического и магнитного полей энергия выделяется в виде теплового потока. Эффективность магнитной термоизоляции характеризуется энергетическим временем жизни, необходимым для поддерживания ее в стационарном состоянии. Плазма из токамака (1, 2, 3, 4, 5, 6) через систему напуска - соединительный патрубок (7) и быстродействующий клапан (8) поступает в АДТ.

Моделирование гиперзвукового полета требует воспроизведения в АДТ давлений торможения от долей до сотен МПА и температур торможения до 30000-50000К. При гиперзвуковых числах М 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. Область интенсивной конденсации в потоке газа характеризуется скачком конденсации (СК). 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. В гиперзвуковой АДТ с гиперзвуковыми потоками конденсация основных компонентов воздуха устраняется подогревом рабочего газа.

В АДТ - ударной трубе Людвига (ТЛ) импульсного типа проводятся испытания моделей ЛA при высоких числах Рейнольса (до 10⁹ ) в широком диапазоне скоростей чисел М, до М=30. ТЛ приводится действие открытием клапанов 33, 8, 17. Картина течения в рабочей части (13) сохраняется практически неизменной в течение промежутка времени, за который волны разряжения распространяясь по форкамере (9), достигают торцевой стенки, и отраженные от нее возвращаются в сопло. Продолжительность стационарного (рабочего) течения в основном определяется длинной l канала и скоростью звука а в газе, которым заполнен канал . Время стационарной работы исчисляется несколькими десятками (до 10^-5) долями мс. Волна разряжения - это распространение бесконечно малого конечного возмущения давления р0 в покоящейся или движущейся среде. Если имеется непрерывная последовательность бесконечно малых возмущений, то каждое последующее возмущение распространяется в среде с меньшей скоростью из-за понижения температуры и постепенно отстает от предыдущего, первоначальный крутой фронт волны становится более пологим.

Газ с низкой молекулярной массой и находящийся под высоким давлением

разгоняется в волне разряжения, сжимая и нагревая в ударной волне газ. Образуются друг за другом две области с квазистационарными параметрами. Время испытаний определяется продолжительностью движения рабочего газа через рабочую часть ТЛ. Он сжимается в падающем и отраженном от сопла скачках уплотнения. Начальные параметры газа в форкамере (9) выбирают так, чтобы устранить появление вторичных волн при пересечении отраженного скачка контактного разрыва.

Квазистационарный режим энергоподвода излучения в сверхзвуковой поток реализуется при применении лазера (21). Внешний энергоподвод оказывается эффективным при определении коэффициентов сопротивления геометрии тел С_Y , стабилизации пограничного слоя, интенсификации горения в гиперзвуковом потоке, 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 ЦВМ (30), которая через блок управления (28) связаны с ЛСЭ (21). В ЦВМ (30) определяется соответствие скоростей потока плазмы и частоты излучения лазера в соответствии с сигналами датчиков параметров потока ионных зондов (11), поступающих через преобразователи потока плазмы (31). Лазер (ЛСЭ) (21) включает линейный ускоритель (22), инжектор электронов (27), электромагнитный ондулятор (26).

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.

В линейном индукционном ускорителе (22), ускорение частиц происходит в мгновенных электрических полях 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 импульсами тока, пропускаемыми через одновитковые обмотки (24), охватывающие индукторы. Фокусировка производится продольным магнитным полем, которое создается катушками (25), расположенными внутри индукторов.

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 при температурах торможения Т₀2000К газ в этих трубах интенсивно светится как в потоке, набегающем на модель, так и за ударной волной перед моделью.

Электрический зонд (31) как средство диагностики плазменных образований дает возможность определить локальные значения концентрации и температуры электронов в заданной точке ионизированного потока с разрешающей способностью, определяемой размерами чувствительного элемента зонда. По измеренным локальным значениям находят распределение концентрации и температуры электронов по толщине ударного слоя.

Зондовый метод заключается в измерении силы тока заряженных частиц на электроде, имеющем некоторый потенциал относительно плазмы. Зависимость

силы тока от потенциала электрода определяет зондовую характеристику. По зондовой характеристике определяют основные параметры плазмы - температуру и концентрацию заряженных частиц, а также потенциал плазмы, что определяется измерительной аппаратурой. Конструктивно электрические зонды (31) выполнены в виде отдельных датчиков или гребенок для измерения профиля концентрации ионов. Для измерения концентрации электронов или градиентов электронной концентрации в слое, непосредственно примыкающем к поверхности модели ЛА, используется плоские или выступающие над поверхностью зонды.

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 интерферометрической регистрации поля течения картина распределения полос интенсивности света отражает пространственное распределение показателя преломления среды.

Повышение информативности при диагностике многокомпонентной плазмы осуществляется с помощью полихроматической голографии. Зондирование плазмы осуществляется тремя длинами волн: основной частоты и гармоники рубинового лазера (12) (694.3 и 347.2 Нм) и вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) излучения рубинового лазера в нитробензоле (765.8 Нм). Луч лазера (12) попадает на модель ЛА (15) после того, как он проходит через кювету с нитробензолом (38) и кристаллом КДР (KH₂PO ₄ - фосфат калия), в результате чего формируется световой пучок, содержащий излучения с тремя видами волн. Трехдлинноволновый световой пучок проходит световую линию задержки (44), что приводит не только к необходимому сдвигу во времени относительно момента возникновения лазерного факела модели ЛА (15), но и к улучшению пространственной когерентности излучения ВКР. Полупрозрачное зеркало (40) служит для разделения светового пучка на предметный, проходящий через лазерный факел и опорный. Одновременно регистрируется две голографии: одна (41) в свете

основной частоты и гармоники рубинового лазера (12), другая (42) в свете ВКР. Осуществляется трехдлинновая голографическая интерференция (ГИ) одновременно трех компонентов плазмы, лазерного факела модели электронов, молекул рабочего газа и атомов металла модели.

С помощью ГИ получаются и интерпретируются интерфетометрические картины, образованные волнами, из которых одна записана и восстановлена голографически. Взаимодействие восстанавливающей волны со структурой, записанной на голограмме приводит к восстановлению объектной волны. Если восстанавливающая волна - точная копия опорной, то точно восстанавливаются и фазовая и амплитудная структуры объектной волны. Если осветить голограмму, убрав объект, увидим его изображение на том же месте и в том же состоянии, в котором он был вовремя записи голограммы.

Фазовые объекты (ударные волны в газах и плазма) исследуются просвечиванием их объектным пучком. ГИ позволяет получать пространственное распределение показателя преломления, которое, в свою очередь, однозначно связано с пространственным распределением концентрации атомов, молекул и электронов. Так как голограмма фиксирует не только фазовые, но и амплитудные искажения, вносимые плазмой, то отсюда определяется коэффициент поглощения плазмы. Информация в ГИ-методе о фазовых свойствах объекта извлекается из изгиба интерференционных полос. Измеряемой величиной при этом является нормированная на период разность фаз интерферирующих волн - сдвига полос, связь сдвига полос с показателями преломления плазмы.

Положение фронта скачка уплотнения перед моделью с помощью теневой скоростной съемки (ГИ) с использованием в качестве источника света лазера (12) 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 возрастает, образуя источник мощного излучения, которое обеспечивает дополнительное резонансное возбуждение атомов и молекул вверх по потоку за пределы фронта скачка.

Газодинамическая установка (ГУ), включающая гиперзвуковую аэродинамическую трубу (АДТ), в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением газа, форкамера - длинный канал высокого давления, сопло Лаваля, рабочая часть с поддерживающими модель механизмами, диффузор и вакуумная полость, три быстродействующих клапана, расположенных после баллона высокого давления, перед форкамерой, после рабочей части, блоки, управления которых соединены с цифровой вычислительной машиной (ЦВМ), лазер на свободных электронах (ЛСЭ), включающий линейный индукционный ускоритель электронов, инжектор электронов, электромагнитный ондулятор, управляющая обмотка которого включена к блоку управления ЛСЭ и далее - к ЦВМ, ионные зонды с блоком преобразования параметров потока плазмы, топографический интерферометр, связанные с ЦВМ, аппаратура скоростной киносъемки, отличающаяся тем, что в ее состав после быстродействующего клапана баллона высокого давления введена замкнутая магнитная ловушка типа токамак, включающая первичную обмотку железного сердечника, катушки тороидального магнитного поля, лайнер выравнивания электрического поля, вакуумную камеру, которая через переходный соединительный патрубок и быстродействующий клапан соединена с форкамерой АДТ, а с помощью волновода - с источником электромагнитного излучения нагрева плазмы, соединенного с ЦВМ.