Импульсная аэродинамическая установка

Авторы патента:

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 моделей летательных аппаратов при воздействии на них гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент, обеспечивая отсутствие влияния отраженных потоков в вакуумной камере на модели. Указанный технический результат достигается тем, что импульсная аэродинамическая установка, 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, средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран, объемы камеры высокого давления, цилиндрического канала и вакуумной камеры связаны соотношением

где \/_квд - объем камеры высокого давления, м³;

V_ЦК - объем цилиндрического канала, м³;

V_вк - объем вакуумной камеры, м³.

а диаметры камеры высокого давления и диаметр сопла связаны соотношением:

где D_ВК - диаметр вакуумной камеры, м;

D_С - диаметр сопла, м.

1 н.п.ф., 3 з.п.ф., 1 илл.

Известна импульсная аэродинамическая труба (RU 2439523 [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.

Известна ударная труба для формирования цуга воздушных ударных волн (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.

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.

Заявляемая импульсная аэродинамическая установка направлена на обеспечение возможности проведение испытаний моделей летательных аппаратов при воздействии на них гиперзвукового потока газа с несколькими различными числами Маха за один эксперимент, обеспечивая отсутствие влияния отраженных потоков в вакуумной камере на модели.

Указанный результат достигается тем, что импульсная аэродинамическая установка, 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, средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран, объемы камеры высокого давления, цилиндрического канала и вакуумной камеры связаны соотношением

где V_квд - объем камеры высокого давления, м³;

V_ЦК - объем цилиндрического канала, м³;

V_ВК - объем вакуумной камеры, м³.

а диаметры камеры высокого давления и диаметр сопла связаны соотношением:

где D_ВК - диаметр вакуумной камеры, м;

D_С - диаметр сопла, м.

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

Указанный результат достигается также тем, что импульсная аэродинамическая установка снабжена скоростной видеокамерой, выход которой и импульсный вход соединены 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;

- снабжение установки дополнительным средством перекрытия канала, установленным между цилиндрическим каналом и соплом;

- объемы камеры высокого давления, цилиндрического канала и вакуумной камеры связаны соотношением

- диаметры камеры высокого давления и диаметр сопла связаны соотношением:

- средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран;

- импульсная аэродинамическая установка 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;

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

Выполнение установки так, что объемы камеры высокого давления, цилиндрического канала и вакуумной камеры связаны соотношением

позволяет исключить влияние объемов одной порции сверхзвукового потока газа истекающего из сопла на модель на другую порцию в одном запуске импульсной аэродинамической установки при нескольких разных числах Маха.

Выполнение установки так, что диаметры камеры высокого давления и диаметр сопла связаны соотношением:

позволяет исключить влияние отраженных от стенок вакуумной камеры порций сверхзвукового потока газа последовательно обтекающих модель в одном запуске импульсной аэродинамической установки при нескольких разных числах Маха.

Размещение выхода сопла в вакуумной камере позволяет создавать гиперзвуковые потоки направленного действия на модели с различными числами Маха порционно формируемыми у входа в сопло при подходе к нему прямой и отраженной от торцы камеры высокого давления ударными волнами в одном запуске.

Снабжение установки 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 средств перекрытия канала в виде разрушаемых мембран, в отличие от импульсных задвижек, позволяет осуществить мгновенное объединение объемов всех камер в нужный момент времени для беспрепятственного многократного отражения от торцов ударной волны, и следовательно, порционного истечения части газа из сверхзвукового сопла.

Снабжение установки 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, при этом отраженные от заглушки импульсы следуют один за другим через промежутки порядка микросекунд, а весь диапазон скоростей фиксируется по времени не более десятка миллисекунды, датчики динамического давления должны быть высокочастотными и 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 установки скоростной видеокамерой, выход которой соединен с регистрирующей аппаратурой аналого-цифровым преобразователем), а импульсный вход соединен через регистрирующую аппаратуру с высокочастотным датчиком, установленным в середине цилиндрического канала, при этом 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 импульсной аэродинамической установки поясняется примером реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема.

Импульсная аэродинамическая установка 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. Камера высокого давления 1 снабжена манометром 6. Между камерой высокого давления 1 и цилиндрическим каналом 2 установлено средство перекрытия канала 7 в виде мембраны, а между цилиндрическим каналом и соплом размещена мембрана 8. Установка 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. Установка снабжена скоростной видеокамерой 17, выход которой соединен с регистрирующей аппаратурой, а объектив связан оптически с окном. Импульсный выход 9а датчика 9 через регистрирующую аппаратуру 15 подключен (поз. 9б) к скоростной видеокамере 17. Высоковакуумные насосы (откачные посты), системы смешивания и наполнения газов, необходимые для функционирования установки, 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.

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 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. Качество эксперимента улучшается благодаря предложенным конструктивным соотношениям за счет отсутствия влияния отраженных потоков в вакуумной камере на модели. Увеличивается количество интересующих экспериментатора фрагментов стационарного и квазистационарного обтекания, а, следовательно, и продолжительность эксперимента.

Таким образом, обеспечивается расширение экспериментальных возможностей установки.

1. Импульсная аэродинамическая установка, 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, средства перекрытия канала выполнены в виде разрушаемых мембран, объемы камеры высокого давления, цилиндрического канала и вакуумной камеры связаны соотношением

где \/_квд - объем камеры высокого давления, м³;

V_ЦК - объем цилиндрического канала, м³;

V_вк - объем вакуумной камеры, м³, а диаметры камеры высокого давления и диаметр сопла связаны соотношением:

где D_BК - диаметр вакуумной камеры, м;

D_С - диаметр сопла, м.

2. Импульсная аэродинамическая установка 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. Импульсная аэродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что кронштейны для закрепления моделей установлены в вакуумной камере на выходе гиперзвукового сопла.

4. Импульсная аэродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что труба снабжена скоростной видеокамерой, выход которой и импульсный вход соединены с регистрирующей аппаратурой, а объектив связан оптически с окном, вмонтированным в стенках вакуумной камеры в области закрепления моделей.