Высокоэнтальпийные сверхзвуковые струи низкой плотности Кузнецов, Лев Ильич

Введение к работе

Актуальность продлены

/ Практический интерес к сверхзвуковым течениям газов низкой плотности возник в конце 4Q-x годов в связи с необходимостью решения конкретных задач авиационной и ракетно-космической техники. С развитием плазменной техники исследования сверхзвуковых стационарных течений быстро расширились в высокоэнталыгийную область и позволили получать высокие скорости и лучше моделировать различные задачи, характерные для ракетно-космической тематики. Кроме использования в экспериментальной физике и космической технике, плазменные сверхзвуковые струи низкой плотности в настоящее время нашли широкое применение в плазмохимии, металлургии, машиностроительных технологиях и приборостроении.

Процессы переноса энергии и вещества в высокоэнтальпийных сверхзвуковых струях низкой плотности протекают, как правило, в неравновесных условиях при существенном влиянии локальных актов молекулярного взаимодействия. Встречающиеся на практике диапазоны вариации определяющих параметров таких течений весьма широки и отличаются на многие порядки величин, что приводит к изменению рекимов течения от свободно-молекулярного до сплошного, включая турбулентные. На современном уровне лабораторного моделирования этих процессов технические возможности еще существенно отстают от практических потребностей.

Проведенные к настоящему времени экспериментальные и теоретические исследования и обобщения неизобарических сверхзвуковых струй низкой плотности с температурой торможения близкой к комнатной позволяют представить картину таких течений и распределение параметров в струе реального газа. Исследования же высокоэнтальпийных, особенно импульсных сверхзвуковых течений низкой плотности, практически отсутствуют.

Сложность и многообразие процессов, сопровождающих сверхзвуковое истечение газа и низкотемпературной плазмы в среду с малым абсолютным давлением обуславливают необходимость всесторонних экспериментальных исследований этих течений.

Широкий круг практических и физических приложений высокоэнтальпийных струй низкой плотности делает актуальный исследование термогазодинамики таких течений. Постановка и проведение исследований в этой области, отвечающих задачам сегодняшнего дня и на перспективу, требует создания новой экспериментальной базы, включающей создание вакуумных газодинамических установок большой производительности с различными высокоэнтальпийными газодинамически-

ми источниками, в том числе с испарением рабочего тела мощным лазерным излучением (Ж), и новейшими физическими средствами диагностики.

Цель диссертационной работы

Получение основных характеристик и энергобаланса нового импульсного газодинамического источника с лазерным испарением рабочего тела, исследование влияния температурного фактора на газодинамическую структуру высокоэнтальпийных сверхзвуковых струй в режиме течения от сплошного до рассеяния и эффектов неустойчивости при импульсных течениях таких струй.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Создать экспериментальную базу для исследования стационарных
и импульсных высокоэнталышйных струйных течений низкой плот
ности, включающее:

а) вакуумные газодинамические установоки большой производи
тельности на уровне давлений ниже I;

б) высокоэнталышйные газодинамические источники с параметрами
торможения Т₀ < 10 К, ро < Ю Па, работающие в стационар
ном и импульсном режимах;

в) ноше методы электронно-пучковой локальной диагностики ста
ционарных и импульсных потоков газа низкой плотности, вклю
чая плазменные;

г) методы измерения тепломеханических и оптических параметров
импульсного газодинамического источника с лазерным нагревом.

1. Установить общие закономерности и влияние температурного фактора на газодинамическую структуру высокоэнтальпийных свободных струй низкой плотности.

2. Получить данные по импульсу отдачи, выбросу массы эрозионного факела, отводу тепла вглубь облучаемого тела, ослаблению излучения в факеле и отражению от поверхности, облучаемой импульсным лазером, с целью проанализировать энергобаланс такого импульсного газодинамического источника.

3. Установить на основе экспериментальных исследований и численного моделирования механизмы возникновения пульсаций давления на облучаемой лазером поверхности в режиме интенсивного испарения и другие эффекты нестационарности импульсных течений.

Научная новизна:

I. Созданы крупномасштабные вакуумные газодинамические установки

для исследования стационарных и импульсных внсокоэнтальпийшх сверхзвуковых струй с характерными размерами ядра струи до I м.

2. Разработаны ноше электронно-пучковые методы измерения локаль
ной плотности разреженного газа и плазмы:

а) По характеристическому рентгеновскому излучению, возбужден
ному электронным пучком в стационарных струях и позволяющий
определять парциальные плотности в многокомпонентных газо
вых смесях и вблизи поверхности обтекаемого тела.

б) В импульсных струях по рентгеновскому излучению с временным
разрешением 10 мкс.

Эти методы овладеют по сравнению с традиционными электронно-пучковыми методами более высоким пространственным разрешением, свободны от влияния температуры и ионизации газа на результаты измерения и позволяют измерять плотность в потоках газа, плаз-

^А * то ус о

мы и смесей в диапазоне концентраций от 10 до 10 см .

3. Созданы новые метода измерения экранирующих свойств импульсных эрозионных факелов и реактивного импульса отдачи факела. Развиты методы калориметрирования, измерения давления и вектора импульса отдачи при импульсном лазерном облучении твердой поверхности.

4. Исследовано влияние температурного фактора на структуру начального участка струй аргона за звуковым соплом в режимах течения от сплошного до рассеяния (Rex = 1000 - 3) и впервые установлены границы автомодельности течения в ядре струи по нерас-четности при вариации температуры тормокения от 290 до 5000 К.

5. Впервые исследованы экранирующие свойства импульсных эрозионных факелов и их влияние на другие параметры.

6. Проведены комплексные измерения реактивного импульса отдачи, прироста энтальпии, выброса продуктов эрозии (испарения) и отражательных свойств облучаемой лазерным импульсом твердой поверхности в диапазоне интенсивностей 10 - I0⁷ Вт/сиг и давлений окружающего газа 10 - 10 Па. На основе этих исследований и результатов измерений экранирующих свойств факела впервые получен энергобаланс взаимодействия лазерного излучения с твердой поверхностью в режиме интенсивного испарения.

7. На основе экспериментальных исследований и численного модели? рования впервые показаны газодинамическая природа возникновения пульсаций давления на облучаемой лазером поверхности и характер этих пульсаций в зависимости от геометрии облучения, физических свойств материала мишени и окружающего газа.

8. Впервые исследована локальным (электронно-рентгеновским) методом газодинамическая структура в ядре импульсного эрозионного

факела и околофакельном пространстве. 9. Предложен лазерно-реактивный метод для удаления космического мусора и защиты орбитальных объектов от него.

Научная и практическая ценность:

1. Разработанные вакуумные газодинамические установки и их узлы используются при создании аналогичных исследовательских комплексов, а также установок для вакуумных технологии.

2. Реализованные методы диагностики - электронно-рентгеновские, пьезодатчикавые, светавадные, калориметрические и др. расширяют возможности исследований на вакуумных газодинамических установках и применяются в ряде организаций. Они также могут быть полезны для контроля технологических процессов.

3. Полученные в широкой области параметров новые экспериментальные данные по газодинамике высокоэнтальпийннх сверхзвуковых струйных течений применяются для построения и уточнения теоретических моделей таких процессов.

4. Детально исследованные тепломеханические и оптические параметры взаимодействия Ж с материалами используются для оценок стойкости конструкционных материалов к экстремальным радиационным нагрузкам.

б. Разработанная газодинамическая модель образования пульсаций давления на облучаемой мишени может быть использована при построении общего теоретического описания процесса взаимодействия ЛИ с твердой поверхностью и импульсных течений газов, оптимизации работы лазерных и других импульсных двигателей и различных лазерных технологий. 6. Полученные оценки для лазерно-реактивного метода удаления космического "мусора" могут быть приняты за основу для разработки корабля - "чистильщика" и активного способа защиты орбитальных станций. Разработанные методы и результаты используются другими авторами в своих исследованиях как в нашей стране, так и за рубежом. Часть результатов использована для решения ряда важных научно-технических проблем в области новой техники (ЦШШСМ, НПО "Искра", КБМ им. Макеева).

На защиту выносятся:

5. Создание крупномасштабных вакуумных газодинамических установок с непрерывным и импульсным режимами работы.

6. Развитие и создание новых физических методов диагностики:

а) электронно-рентгеновских, для измерений локальной плотности
разреженного газа и плазмы;

б) тепломеханических, оптических и газодинамических параметров
быстропротекавдих процессов при взаимодействии импульсного
ЛИ с твердой поверхностью.

3. Результаты экспериментальных исследований и обобщений высоко-энталытайных сверхзвковых струйных течений в режимах от разреженного до сплошного.

4. Результаты комплексных исследований тепломеханических и оптических параметров взаимодействия импульсного Ш с материалами и их обобщение в виде построения энергобаланса этого процесса.

5. Результаты исследований пульсаций давления на облучаемой лазером мишени, экспериментальное и расчетное обоснование газодинамической природы возникновения этих пульсаций.

6. Обоснование возможности применения лазерного излучения для реактивного способа удаления и защиты орбитальных станций от малоразмерного космического мусора.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на III, IV, VI, XI Всес.конф. по динамике разреженных газов (Новосибирск, 1969, Москва, 1977, Новосибирск, 1979, Ленинград, 1991), IV, V Всес. конф. по физике и генераторам низкотемпературной плазмы (Алма-Ата, 1970; Новосибирск, 1972), IV Всес. конф. "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах" (Николаев, 1989), Всес. семин. "Изучение неоднородностей в прозрачных средах" (Москва, 1971, 1979), III Всес. конф. "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1989), I, II, III Всес. конф. "Лазерная техника и технология" (Вильнюс, 1987, 1988, 1991), Всес. конф. "Воздействие мощных потоков энергии на вещество" (Алма-Ата, 1987), VIII Всес. конф. по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990), I Всес. совещ. "Применение методов динамики разреженных газов в новых вакуумных технологиях" (Новосибирск, 1991), Междунар. конф. "Техногенное засорение космоса" (Москва, 1992), II Мекдунар. конф. по ионизованным газам (Прага, 1973), XIII, XIX Мекдунар. симп. по динамике разреженного газа (Новосибирск, 1982, Оксфорд, 1994), Междунар. симп. OE/LASE'94 (Лос-Анжелес, 1994), Photonics West'95 (Сан-Хосе, 1995)и ряде отраслевых и региональных конференций.

Материалы диссертации изложены в 71 печатной работе, основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура в объём диссертации

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложения. Изложена на 362 стр., включая 149 рис., 7 табл., список литературы из 303 наименований.