Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба

 

Полезная модель относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использована для получения гиперзвукового потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях. Полезная модель направлена на обеспечение возможности проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент. Указанный технический результат достигается тем, что гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, гиперзвуковое сопло, вакуумную камеру, и средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом. При этом, сопло размещено в вакуумной камере, труба дополнительно снабжена средством перекрытия канала, установленным между цилиндрическим каналом и соплом, площадь входного отверстия гиперзвукового сопла составляет не более 1% площади выходного сечения цилиндрического канала трубы, а средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран. 3 з.п.ф., 1 илл.

Полезная модель относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использована для получения гиперзвукового потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях.

Известна импульсная аэродинамическая труба (RU2439523 [1]) для получения рабочего газа с предельно высокими параметрами торможения потока. Труба содержит форкамеру с электродами, отделенную от газодинамического тракта трубы диафрагмой, и поршень, образующий дифференциальный мультипликатор, надпоршневое пространство которого соединено с источником толкающего газа, а подпоршневое заполнено демпфирующей жидкостью и соединено с дренированной емкостью. Также труба снабжена компенсатором динамической составляющей мультипликатора, быстродействующим клапаном запуска системы стабилизации, контактирующим через поршень мультипликатора с полостью форкамеры. Корпус мультипликатора выполнен с возможностью разъема и при этом его надпоршневое пространство связано с ресивером толкающего газа через быстродействующий клапан запуска системы стабилизации, а подпоршневое пространство через гидравлический канал с регулируемой длиной с подпоршневым пространством компенсатора динамической составляющей мультипликатора. Форкамера снабжена стыковочным узлом и обратным клапаном для подключения соответственно импульсного высокоэнтальпийного адиабатического генератора и блока подачи смеси реагирующих газов и содержит устройство принудительного вскрытия диафрагмы, размещенное на выходе из форкамеры. Недостатком известного устройства является сложность ее эксплуатации. Кроме того, оно не обеспечивает проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент.

Известно устройство для нагружения объектов воздушной ударной волной, используемое для испытаний, например, приборов на воздействия воздушных ударных волн, реализуемых на различных расстояниях при мощных взрывах (RU 2217723 [2]). Устройство содержит ударную трубу с открытым и закрытым торцами для размещения объекта испытаний, источник ударной волны, экран для гашения ударных волн, выполненный в виде гибких элементов, закрепленных вертикально и горизонтально на открытом торце ударной трубы. Экран для гашения ударных волн дополнительно содержит заслонки, выполненные в виде перекрывающих поперечное сечение ударной трубы прямоугольных листов, закрепленных на гибких горизонтальных элементах с возможностью поворота относительно них снаружи ударной трубы. Каждая верхняя заслонка перекрывает часть поверхности следующей нижней заслонки, а внизу каждой заслонки выполнен утяжеляющий ее продольный элемент. На заданном расстоянии от открытого торца ударной трубы по ходу воздушной ударной волны может быть установлен парус, соединенный стропами через проушины, попарно расположенные на уровне или ниже незакрепленных кромок заслонок, с концами утяжеляющих заслонки продольных элементов. Обеспечивается испытание объектов на непосредственное воздействие воздушными ударными волнами с параметрами, близкими реализуемым на различных расстояниях от мощного взрыва. Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент.

Достаточно близким к заявляемой гиперзвуковой ударной аэродинамической трубе по достигаемому результату является ударная труба для формирования цуга воздушных ударных волн, известная из RU 2488085 [3]. Генератор ударной волны выполнен в виде перфорированного диска и мембраны, размещенных в волноводе с возможностью перемещения вдоль него, установленного на торце волновода магазина с пиромеханическими толкателями, расположенными в нем в ряд в вертикальной плоскости и снабженными подвижными звеньями, упора и возвратной пружины. Перфорированный диск с тыльной стороны снабжен штоком, поочередно контактирующим с подвижными звеньями пиромеханических толкателей. Мембрана размещена перед диском по направлению к выходу из волновода с возможностью фиксации ее исходного положения относительно диска и изменения расстояния между ними. При этом она соединена механическими связями, симметрично проходящими через перфорационные отверстия в диске, с одним концом возвратной пружины, другой конец которой соединен с неподвижной опорой. Магазин установлен в направляющих на торце волновода с возможностью перемещения по ним вниз под собственным весом до совпадения осей штока диска и подвижного звена очередного пиромеханического толкателя. Упор установлен на одной из направляющих и выполнен с возможностью ограничения перемещения магазина до срабатывания очередного толкателя. Шток диска со стороны магазина может быть снабжен магнитной вставкой, а контактирующие с ним подвижные звенья пиромеханических толкателей при этом выполнены из ферромагнитного материала. Мембрана может быть выполнена многослойной. Технический результат заключается в возможности проведения в лабораторных условиях исследований реакции различных объектов на воздействие формируемых через заданные интервалы времени воздушных ударных волн. Воздушная ударная волна, пробегая по каналу волновода, нагружает исследуемый объект и продолжает движение до волногасителя, который исключает ее отражение и компенсирует влияние атмосферы. Производя повторные пуски ударной трубы через установленные интервалы времени, получают цуг воздействующих на испытываемый объект воздушных ударных волн.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент.

Известна вакуумная гиперзвуковая аэродинамическая труба (RU 2482457 [4]). Устройство содержит источник газа высокого давления с системой регулирования давления, подогреватель газа, гиперзвуковое сопло, рабочую часть, диффузор, систему охлаждения газа после прохождения рабочей части, вакуумную камеру, насосы предварительной и окончательной откачки газа из вакуумной камеры. Для откачки вакуумной камеры используются крионасосы, в которых газ не выбрасывается из вакуумируемой полости, а конденсируется в твердую фазу на предварительно охлажденных криопанелях. Криопанели выполнены из пористого металла с открытой системой пор. Импульсный режим работы крионасосов, т.е. предварительное замораживание криопанелей перед началом работы и в перерывах между пусками, и пористые криопанели позволяют "утилизировать" практически любой расход газа через гиперзвуковое сопло. Внешняя поверхность гиперзвукового сопла внутри рабочей части аэродинамической трубы снабжена змеевиками для охлаждения стенок сопла, причем система охлаждения высокотемпературного газа, поступающего из рабочей части, размещена внутри вакуумной камеры. Кроме того, аэродинамическая труба содержит резервуар жидкого газа с насосом для перекачки и детандерно-генераторные агрегаты для получения электроэнергии.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является импульсная аэродинамическая установка (SU 1107634 [5]), содержащая последовательно соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, сопло, рабочую часть и вакуумную камеру, а также импульсные задвижки, одна из которых установлена на выходе камеры высокого давления, а другая импульсная задвижка размещена в конце рабочей части.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент.

Заявляемая гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба направлена на обеспечение возможности проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент.

Указанный результат достигается тем, что гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, гиперзвуковое сопло, вакуумную камеру, и средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом. При этом, сопло размещено в вакуумной камере, труба дополнительно снабжена средством перекрытия канала, установленным между цилиндрическим каналом и соплом, площадь входного отверстия гиперзвукового сопла составляет не более 1% площади выходного сечения цилиндрического канала трубы, а средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран.

Указанный результат достигается также тем, что гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба снабжена высокочастотными датчиками динамического давления, размещенными в камере высокого давления, цилиндрическом канале, вакуумной камере и соединенными с регистрирующей аппаратурой.

Указанный результат достигается также тем, что гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба снабжена кронштейнами для закрепления моделей, установленными в вакуумной камере на выходе гиперзвукового сопла.

Указанный результат достигается также тем, что гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба снабжена скоростной видеокамерой, выход которой соединен с регистрирующей аппаратурой, а объектив связан оптически с окном, вмонтированным в стенках вакуумной камеры в области закрепления моделей.

Отличительными от прототипа признаками являются:

- размещение сопла в вакуумной камере;

- труба дополнительно снабжена средством перекрытия канала, установленным между цилиндрическим каналом и соплом;

- площадь входного отверстия гиперзвукового сопла составляет не более 1% площади выходного сечения цилиндрического канала трубы;

- средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран;

- гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба снабжена высокочастотными датчиками динамического давления, размещенными в камере высокого давления, цилиндрическом канале, вакуумной камере и соединенными с регистрирующей аппаратурой;

- кронштейны для закрепления моделей установлены в вакуумной камере на выходе гиперзвукового сопла;

- труба снабжена скоростной видеокамерой, выход которой соединен с регистрирующей аппаратурой, а объектив связан оптически с окном, вмонтированным в стенках вакуумной камеры в области закрепления моделей.

Размещение в цилиндрическом канале начала сопла с отверстием, площадью менее 1% от площади цилиндрического канала приводит к торможению гиперзвукового потока, затем отражению его при повышенном давлении.

Размещение выхода сопла в вакуумной камере позволяет переносить газ из цилиндрического канала с очень высоким давлением в вакуумную камеру с очень низким давлением (вакуумом), вынуждая газ разгоняться до гиперзвуковых скоростей с большими числами Маха направленного действия на модели.

Снабжение трубы дополнительным средством перекрытия канала, установленным между цилиндрическим каналом и соплом, обеспечивает со стороны цилиндрического канала с приходом падающей ударной волны как бы закрытый конец трубы, создавая условия для резкого подъема давления. При вскрытии этой мембраны часть газового потока с большей силой прорывается через сопло в вакуумную камеру, а другая часть, после скачка уплотнения отражается от торца сопла и устремляется к противоположному торцу трубы (камеры высокого давления).

Выполнение площади входного отверстия гиперзвукового сопла не более 1% площади выходного сечения цилиндрического канала трубы обеспечивает возможность проведение испытаний исследуемого объекта воздействием на него гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент. Действительно, ударная волна, сформированная в канале, отражается большей своей частью от входного отверстия гиперзвукового сопла и движется к заглушке (стенке камеры высокого давления) и отразившись от нее движется снова к соплу. И так многократно. Естественно, с каждым проходом энергия волны снижается, снижается и скорость прохождения потока газа на выходе из сопла. При этом установлено, что если площадь входного отверстия гиперзвукового сопла составляет не более 1% площади выходного сечения цилиндрического канала трубы, то возможно за один запуск ударной волны обеспечить порционное истечение газа на модели от гиперзвуковых до трансзвуковых скоростях.

Выполнение средств перекрытия канала в виде разрушаемых мембран позволяет осуществить объединение объемов всех камер в нужный момент времени, являющийся оптимальным для формирования ударной волны в отличие от импульсных задвижек, приводимых в движение соответствующими приводами, которые инерционные и тормозят газовую бегущую ударную волну

Снабжение гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы высокочастотными датчиками динамического давления, размещенными в камере высокого давления, цилиндрическом канале, вакуумной камере и соединенными с регистрирующей аппаратурой позволяет фиксировать параметры эксперимента на всех его стадиях осуществления. При этом, учитывая, что скорость распространения ударной волны высока, а отраженные от заглушки импульсы следуют один за другим через промежутки порядка микросек, а весь диапазон скоростей фиксируется не более десятка миллисекунды, датчики динамического давления должны иметь малую инерционность.

Наиболее оптимальным представляется установка кронштейнов для закрепления моделей в вакуумной камере на выходе гиперзвукового сопла, поскольку наибольшая гиперзвуковая скорость истечения газа наблюдается на выходе из сопла. При этом кронштейны обеспечивают положение моделей под разными углами атаки к потоку.

Снабжение гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы скоростной видеокамерой, выход которой соединен с регистрирующей аппаратурой, а объектив связан оптически с окном, вмонтированным в стенках вакуумной камеры в области закрепления моделей позволяет визуализировать все фазы обтекания моделей гиперзвуковыми потоками при каждом прохождении фронта ударной волны при различных ее параметрах, а именно отделять одну фазу от другой, фиксировать стационарные и нестационарные фрагменты обтекания, исследовать обтекания моделей летательных аппаратов сложных геометрических форм.

Сущность заявляемой гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы поясняется примером реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема.

Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления 1, цилиндрический канал 2, вакуумную камеру 3 и установленное в ней гиперзвуковое сопло 4 с отверстием 5, площадь которого составляет не более 1% площади выходного сечения цилиндрического канала трубы. Между камерой высокого давления 1 и цилиндрическим каналом 2 установлено средство перекрытия канала 7 в виде мембраны, а между цилиндрическим каналом и соплом мембрана 8. Труба снабжена высокочастотными датчиками 9, 10, 11, 12 динамического давления, размещенными в камере высокого давления 1, в цилиндрическом канале 2, вакуумной камере 3. Вакуумная камера снабжена оптическими стеклами 13, вмонтированными в стенках вакуумной камеры в области расположения кронштейнов 14 для закрепления моделей. Датчики соединены с регистрирующей аппаратурой. В качестве таковой используются подключенные к датчикам аналого-цифровые преобразователи 15, выходы которых подключены к компьютеру 16. Труба снабжена скоростной видеокамерой 17, выход которой соединен с регистрирующей аппаратурой, а объектив связан оптически с окном. Высоковакуумные насосы (откачные посты), системы смешивания и наполнения газов, необходимые для функционирования трубы, не показаны.

Работает предложенное устройство следующим образом. Сначала откачиваются все камеры, разделенные мембранами 7 и 8. Цилиндрический канал 2 откачивается до давления, например, 1100 мбар. Вакуумная камера 3 откачивается до вакуума не ниже, например, 10-4 мбар (при натекании вакуума не хуже 10-3 мбар/мин). Далее камера высокого давления 1 заполняется смесью толкающих газов, цилиндрический канал заполняется смесью рабочих газов.

Инициация ударной волны происходит известным способом - повышением давления в камере высокого давления 1. Далее рвется первая мембрана 7 и ударная волна устремляется по цилиндрическому каналу к гиперзвуковому соплу 4. При разрыве второй мембраны 8 на торце гиперзвукового сопла часть ударной волны отражается от входа гиперзвукового сопла, другая часть проходит через гиперзвуковое сопло и высокоскоростной поток истекает из гиперзвукового сопла на модели.

Наличие входного отверстия на входе гиперзвукового сопла, составляющего не более 1% от площади сечения цилиндрического канала приводит к следующим физическим процессам. Часть ударной волны, (выходящей из сопла обтекает модели на заданной (гиперзвуковой) скорости. Другая часть создает пробку газа повышенного давления и температуры и через время (микросекунды) отражаясь и, двигаясь от торца гиперзвукового сопла, достигает крайнего торца камеры высокого давления, давление регистрируется импульсным датчиком давления 11. Затем, отражаясь от торца камеры высокого давления, ударная волна опять достигает торца гиперзвукового сопла с входным отверстием, и процесс повторяется отверстием, и процесс повторяется неоднократно. Современные высокоскоростные видеокамеры регистрируют обтекания моделей со скоростью, например, 2000 кадров/с. Время регистрации первичного гиперзвукового обтекания - единицы миллисекунд. При многократно отраженной ударной волне, время регистрации обтекания моделей газовыми потоками на гипер- и сверхзвуковых скоростях многократно увеличивается.

Преимущество предложенного устройства состоит в длительной по времени регистрации гипер-, сверх-, и транс- звукового обтекания моделей при одной инициации ударной волны.

Процесс повторяется многократно. Модели обтекаются высокоскоростными потоками газа не однократно (ударное действие), а многократно, до тех пор, пока постепенно ослабевающая ударная волна будет формировать интересующие экспериментатора потоки. Технический результат реализации заключается в расширении экспериментальных возможностей ударной аэродинамической трубы.

1. Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба, содержащая образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, гиперзвуковое сопло, вакуумную камеру и средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом, отличающаяся тем, что сопло размещено в вакуумной камере, труба дополнительно снабжена средством перекрытия канала, установленным между цилиндрическим каналом и соплом, площадь входного отверстия гиперзвукового сопла составляет не более 1% площади выходного сечения цилиндрического канала трубы, а средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран.

2. Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена высокочастотными датчиками динамического давления, размещенными в камере высокого давления, цилиндрическом канале, вакуумной камере и соединенными с регистрирующей аппаратурой.

3. Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба по п. 1, отличающаяся тем, что кронштейны для закрепления моделей установлены в вакуумной камере на выходе гиперзвукового сопла.

4. Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба по п. 1, отличающаяся тем, что труба снабжена скоростной видеокамерой, выход которой соединен с регистрирующей аппаратурой, а объектив связан оптически с окном, вмонтированным в стенках вакуумной камеры в области закрепления моделей.



 

Наверх