Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: В настоящее время аэродинамические исследования перспективных гиперзвуковых летательны аппаратов, как правило, ведутся на ударных и импульсных аэродинамических установках. Серьезными недостатками существующих систем являются нестационарность истечения, малое время рабочего режима и высокая степень загрязнения потока, а главное их неспособность воспроизводить необходимые числа Рейнольдса. Все это, а в случае ударных труб еще и очень малое время работы, резко затрудняет некоторые виды аэродинамических испытаний, или делает их невозможными, например, исследования горения в СГПВРД. тепловой защиты, абляции и т.д. Поэтому обоснование основных принципов создания импульсных гиперзвуковых аэродинамических труб, лишенных указанных выше недостатков и позволяющих возможно более приблизиться к моделированию полётных условий, является несомненно актуальным.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию и обоснованию принципов, создания установок с использованием адиабатического сжатия до сверхвысоких давлений газа О 1ГПа). являющихся источниками рабочего газа для гиперзвуковых аэродинамических труб, проведению систематических экспериментальных исследований качества потока при гиперзвуковых скоростях, особенностей работы источника газа при сверхвысоких давлениях в форкаме-ре, разработке методов диагностики таких потоков. Одной из целей работы было проведение оценок и экспериментальное исследование эрозионной стойкости сверхпрочных материалов для критического сечения сопла.* На основе прямых измерений скорости дать оценки теплопотерь при истечении газа из форкамеры.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: Анализ процесса получения высоких давлений для создания высокоэнтальпийных потоков с натурными числами Маха и Рейнольдса. Определение условий разрушения критического сечения сопла при сверхвысоких давлениях. Создание системы диагностики газа в форкамере и получаемого плотного гиперзвукового потока и исследование некоторых его свойств.
ОБЩАЯ МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ: Для измерения параметров газа в форкамере разработаны методика и датчики для измерения импульсных давлений и температур в условиях сильно сжатого газа (1 - 1.5ГПа при температурах до 2О00К).
Применительно к плотным потокам, реализован метод электроискрового трассирования - ЭИТ для измерения'скорости с одновременной импульсной теневой визуализацией гиперзвукового потока.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА: Известно /1/, что при давлениях, выше ЮОМПа, для реальных газов становится существенной зависимость удельной энтальпии от давления. На основе этой особенности реального газа был сделан вывод о целесообразности создания гиперзвуковой аэродинамической трубы с рабочим давлением до 1, 5ГПа и умеренной (до 2000К) температурой газа в форкамере. Это позволило "бы получить натурное моделирование по числам М и Re при относительно небольших размерах АДГ и заметно уменьшить эрозионное разрушение сопловых вставок по сравнению с существующими установками. Для реализации этих идей при совместном участии ИГиЛ и КТИ ГИТ был разработан и создан маломасштабный адиабатический источник гиперзвукового потока газа (А-1), на котором и проведены все исследования. На этой установке впервые были получены потоки газа, истекающего при давлении до ЮООМПа и температуре около 2000К, параметры истечения поддерживаются постоянными в течение времени до ЗООмс /4,5/.
В настоящей работе проведено: - - Обоснование газодинамических характеристик установки, газодинамический расчет процессов сжатия и истечения реального газа и экспериментальное подтверждение реализации параметров А-1, заложенных в расчете и проекте установки.
Исследованы и получены новые данные по эрозионной стойкости критического сечения сопловых вставок из различных материалов. Проведены сравнительные исследования их стойкости при, использовании азота или воздуха в качестве рабочего газа. Определение области давлений и температур, в которых может быть использован воздух.
Получены экспериментальные данные о процессе адиабатического сжатия газа в форкамере при,одноступенчатом и двухступенчатом режиме работы в диапазоне давлений от 60 до ЮООШа. (Известные установки работают при давлениях не-более 200МПа).
Усовершенствованы методики и реализованы прямые измерения скорости гиперзвуковых потоков газа с одновременной теневой визуализацией течения. В работе также предложена и обоснована модель
-расчёта и получены численные оценки теплопотерь в процессе сжатия
и последующего истечения (рабочего газа) через коническое сопло. Прямые измерения скорости позволили впервые получить данные об интегральных потерях тепла при прохождении рабочего газа по всему газодинамическому тракту.
Впервые получено прямое экспериментальное подтверждение существенного влияния высокого давления на удельную энтальпию сжатого газа. Корректности уравнений состояния Плотникова М.А. и Севастьянова P.M. с сотрудниками /2,3/.
Предложены и обоснованы конструкции сопловых вставок для работы с давлениями до 1ГПа. Проведено экспериментальное исследование их работоспособности.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ: Проведенные исследования расширяют существующие представления о возможностях импульсных аэродинамических установок, использующих адиабатическое сжатие газа.
Освоена новая область моделирования единичных чисел Реиноль-дса - (Rej) при гиперзвуковых числах Маха, не достижимая на известных импульсных аэродинамических установках. Например при М > 13 она расширена до чисел Ret ) 5-108(і/м). что в 10 * 100 раз превосходит все существующие в настоящее время установки.
Представленные в диссертации результаты исследований в настоящее время используются в работах по созданию крупномасштабных аэродинамических установок адиабатического сжатия газа на рабочие давления от ЗООМЛа и выше.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной школе по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1986г), (Абакан. 1989г). на XI международной конференции МАРИВД (Киев, 1987г), на Международном семинаре "Проблемы моделирования в аэродинамических трубах" (Новосибирск. 1988г). на I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" мзаывдв (Новосибирск, 1989г), на V Всесоюзной школе семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1S90), на Международном симпозиуме IUTAM по "Аэротермохимии в космосе и газодинамике гиперзвуковых потоков" (Марсель, 1992) и на Международной конференции посвященной 75 - летию ЦАГИ (Жуковский, 1993).
ПУБЛИКАЦИИ: По результатам выполненной работы опубликовано 16 статей и докладов, 7 отчетов по НИР.
ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из введения, пяти глав.
заключения, списка литературы и приложения с рисунками, изложенных на 136 страницах машинописного текста, включая 3 таблицы и на 82 страницах рисунки и фотографии. Список литературы состоит из 150 наименований.