5.2. Средства экспериментального моделирования газодинамических процессов

5.2.1. Аэродинамические трубы

В зависимости от скорости газового потока в рабочей части аэродинамические трубы делятся на следующие виды [ 1 ] :

1) дозвуковые ( );

2) околозвуковые и трансзвуковые ( ) ;

3) сверхзвуковые ( ) ;

4) гиперзвуковые ( ) .

По конструктивным признакам аэродинамические трубы можно разделить на два класса: трубы незамкнутого типа ; трубы замкнутого типа.

При испытаниях КА или его отдельных фрагментов в аэродинамических трубах могут решаться следующие задачи :

- Исследование влияния формы обтекаемого потоком газа поверхности объекта на аэродинамические характеристики этого объекта в зависимости от скорости набегающего потока и в зависимости от ориентации объекта относительно вектора скорости газа.

- Исследование динамики полета КА.

- Исследование влияния аэродинамических сил на упругие характеристики оболочки конструкции КА.

- Физические исследования, связанные с течением воздуха в различных условиях ( исследование газодинамической картины обтекания объекта сверхзвуковым потоком, исследование характеристик пограничного слоя и т.д.

В дозвуковых трубах (см. рис.5.1 ) воздух засасывается в трубу вентилятором 7, приводимым во вращение электродвигателем 8. Засасываемый в трубу воздух проходит сначала через спрямляющую решетку 1 и детурбулирующую сетку 2, становится плоскопараллельным , затем , пройдя через форкамеру 3, поступает в сужающееся сопло 4, разгоняется и попадает в рабочую часть 5 трубы , где установлена испытуемая модель. Из рабочей части поток попадает в диффузор 6 и затем выбрасывается в окружающее пространство. В замкнутых аэродинамических трубах поток, пройдя рабочую часть и диффузор, направляется в обратный канал и через сопло вновь возвращается в рабочую часть . Кратко отметим назначение упомянутых частей аэродинамической трубы. Спрямляющая рещетка, набранная из тонких металлических пластин служит для формирования параллельного потока и разрушения крупных вихрей. Детурбулизирующие сетки способствуют выравниванию скоростей по сечению потока и уменьшению начальной турбулентности потока в рабочей части трубы. Форкамера служит для выравнивания и успокоения потока. Сопло служит для разгона потока воздуха от минимальной на входе до расчетной на выходе в рабочую часть. Дозвуковые сопла имеют вид сужающихся каналов. Рабочая часть - это пространство между соплом и диффузором. Здесь устанавливается модель для испытания и располагаются аэродинамические весы. Газовый поток в рабочей части трубы должен иметь равномерное поле скоростей и давлений .

Рис. 5.1

Околозвуковые трубы в основном являются мощными дозвуковыми трубами замкнутого типа и постоянного действия. Основное отличие околозвуковых труб от трансзвуковых состоит в конструкции стенок рабочей части : околозвуковые трубы имеют сплошные стенки, которые препятствуют расхождению линий тока около модели, поэтому поле течения искажается. У трансзвуковых труб стенки рабочей части не сплошные , а имеют щели и перфорации, которые ослабляют влияние стенок на форму линий тока вблизи модели , благодаря этому в трасзвуковых трубах можно получать режимы обтекания с с дозвуковым соплом.

Сверхзвуковые трубы работают в диапазоне чисел Маха . Высокие скорости газового потока обеспечиваются сверхзвуковыми соплами, которые имеют дозвуковой и сверхзвуковой участки. На дозвуковом участке воздух, поступающий из форкамеры, разгоняется до звуковой скорости. На сверхзвуковом участке происходит дальнейшее увеличение скорости и окончательное формирование равномерного по сечению сверхзвукового потока. Каждое сверхзвуковое сопло рассчитано на получение определенного значения числа Маха на выходе. Это значение зависит от отношения площадей выходного сечения сопла и критического сечения. Для получения в трубе нескольких значений числа Маха применяют сменные или регулируемые сопла. Диффузор в сверхзвуковой трубе состоит из двух частей: начального сужающегося канала и следующего за ним расширяющегося участка трубы. В сужающейся части диффузора сверхзвуковая скорость газа постепенно снижается до звуковой за счет образования скачков уплотнения, затем дозвуковой поток попадает в расширяющуюся часть диффузора, где происходит дальнейшее торможение потока.

В гиперзвуковых трубах для получения потока с числом в форкамере необходимо создать давление, превышающее давление в рабочей части трубы в десятки тысяч раз, что обуславливает большие абсолютные значения давления в форкамере. Получение необходимого перепада давлений можно обеспечить за счет разряжения в рабочей части трубы, которое может быть достигнуто при помощи вакуум-камеры или применения многоступенчатого эжектора.

Гиперзвуковые трубы бывают непрерывного и периодического действия. По принципу работы трубы периодического действия бывают: атмосферно-вакуумные, эжекторные, баллонные, баллонно-вакуумные и баллонно-эжекторные.

На приведенных ниже рисунках 5.2 и 5.3 , заимствованных из [ 1 ], изображены схемы атмосферно-вакуумной и эжекторной труб.

Рис.5.2

В атмосферно-вакуумной трубе в резервуаре 9 создается необходимое для работы трубы разряжение. После открытия быстродействующей задвижки 8 атмосферный воздух устремляется в трубу через форкамеру 1, в которой установлены сетки и решетки 2, спрямляющие поток. В сопле 3 воздух, достигнув сверхзвуковой скорости с заданным числом Маха, поступает в рабочую часть 4, где установлен испытуемый объект 5, а затем через диффузор 6 и 7 попадает в вакуумный резервуар 9 . При этом в течение короткого времени в рабочей части создается сверхзвуковой поток. Если скорость потока в рабочей части трубы выше 4 , то выходящий из сопла воздух, расширяясь, настолько снижает свою температуру, что начинается конденсация паров воды. Это явление можно устранить, установив, например, перед форкамерой газовый или электрический подогреватель. Вместо этого можно атмосферный воздух перед подачей в форкамуру пропускать через осушитель.

Рис. 5.3

В эжекторной трубе поток воздуха создается от эжектора ( струйного насоса) 5 , установленного за рабочей частью 3, к которому подается воздух повышенного давления. В ресивере 8 эжектора 5 создается повышенное давление . После открытия крана 7 воздух из ресивера поступает в эжектор 5. Эжектируемый воздух поступает в трубу из атмосферы, проходя через осушитель 1, сопло Лаваля 2 и рабочую часть 3 , где установлен испытуемый объект 4, после чего, смешиваясь с эжектирующим воздухом, уходит через диффузор 6 в атмосферу.

Рассмотренные трубы периодического действия позволяют получать потоки с большим числом Маха при сравнительно небольших энергетических затратах, однако действие таких труб настолько кратковременно, что получение количественных характеристик становится затруднительным.

Трубы непрерывного действия точнее воспроизводят заданные параметры потока. Рабочие условия в них могут поддерживаться неизменными в течении длительного времени. Ниже на рис. 5.4 приводится схема сверхзвуковой трубы непрерывного действия. Схема , как и две предыдущие, заимствована из [ 1]. Труба приводится в действие электродвигателем 8, на валу которого находится многоступенчатый компрессор 6 , обеспечивающий высокий перепад давлений для работы трубы на сверхзвуковых скоростях. Воздух, пройдя компрессор , сильно нагревается, поэтому в конструкции трубы предусмотрен охладитель 5 , в который и направляется воздух. Охлажденный воздух , пройдя сопло Лаваля 4, приобретает сверхзвуковую скорость и поступает в рабочую часть 3 , где установлен испытуемый объект 2, а затем через диффузор 1 и колено обратного канала 9 с поворотными лопатками 7 возвращается в компрессор.

Рис.5.4

5.2.2. Ударные трубы

Представляют собой экспериментальные установки для исследования газодинамики и физико-химических процессов в газовых потоках с высокой температурой. Схематическое изображение одного из вариантов ударной трубы представлено на рис. 5.5.

Рис. 5.5

На этом рисунке 1- отсек высокого давления; 2 – диафрагма; 3- отсек низкого давления ; 4 - диафрагма; 5- сопло; 6- испытуемый объект ( модель); 7 - окно; 8-вакуумная камера; 9- вакуумные насосы.

Принцип работы трубы заключается в следующем: по достижении расчетного давления в отсеке 1 разрывается диафрагма 2 и газ устремляется в отсек 3. Образовавшаяся ударная волна распространяется по рабочему газу, нагревая и сжимая его. Когда волна достигнет конца отсека низкого давления, диафрагма 4 на входе в сопло разрушится и произойдет отражение ударной волны, а сжатый и разогретый газ за отраженной ударной волной истечет через сопло 5 в вакуумную камеру 8. После встречи отраженной ударной волны с контактной поверхностью произойдет ее преломление и отражение , и эта волна возвратится к соплу. Начиная с этого момента , установившееся движение газа в сопле прекращается. Течение становится нестационарным и работа трубы заканчивается.

В ударных аэродинимических трубах достигается давление торможения до и температура торможения до . Время работы около 6 .

5.2.3. Баллистические установки

Если в аэродинамических установках изучается взаимодействие газового потока c неподвижной или совершающей ограниченное движения моделью изделия , то в баллистических установках имеется возможность исследовать взаимодействие газового потока с моделью в условиях свободного полета.

Баллистические установки состоят из метательного устройства, сообщающего моделям необходимую начальную скорость, и измерительного участка, на котором производится регистрация кинематических характеристик полета модели. На выходе измерительного участка баллистической установки помещают системы торможения и улавливания моделей. По принципу разгона модели метательные устройства, применяемые при высокоскоростном метании, могут быть разделены на два класса : газодинамические, в которых модель разгоняется газом; электродинамические , в которых модель разгоняется под действием электромагнитных сил.

В газодинамических метательных устройствах чаще всего используют либо пороховые пушки, либо легкогазовые пушки, в которых для разгона модели применяют легкие газы ( водород и гелий), скорость звука в которых значительно больше, чем в пороховых газах. Если предельная скорость метания в пороховых пушках не превышает , то легкогазовые пушки могут сообщить моделям скорости, превышающие 10 - 12 . Однако следует заметить, что высокие значения скорости метания модели в легкогазовых пушках достигаются при реализации многоступенчатого принципа разгона модели, который заключается в следующем: Cначала срабатывает пороховая пушка, разгоняющая до сверхзвуковых скоростей поршень, который движется в камере, заполненной легким ( рабочим) газом . Ударная волна, возникающая перед поршнем , нагревает и сжимает рабочий газ. Когда температура и давление в камере с рабочим газом достигнет расчетной величины, разрывается диафрагма, отделяющая камеру от ствола пушки. Сжатый и разогретый газ устремляется в ствол пушки и разгоняет испытуемую модель до высокой скорости.

Баллистические установки имеют ряд преимуществ перед аэродинамическими трубами. Эти преимущества состоят в следующем: 1) возможность изменения в широком диапазоне чисел и ; 2) возможность моделирования реальных температур торможения; 3) набегающий на модель газовый поток является невозмущенным; 4) отсутствуют державки и элементы крепления модели, которые искажали бы газодинамичекую картину обтекания модели ; 5) возможность достаточно точного и надежного контроля параметров набегающего потока; 6) возможность исследования нестационарных явлений.

К недостаткам баллистических стендов необходимо отнести следующее:

- после каждого выстрела модель разрушается;

- из-за малых размеров модели затруднено размещение внутри нее измерительных приборов;

- желаемое положение модели в потоке задается более сложным способом , чем в аэродинамической трубе.

6. ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК