Импульсная аэродинамическая установка Российский патент 2024 года по МПК G01M9/00 

Устройство относится к области экспериментальной аэротермодинамики, в частности к лабораторным аэродинамическим установкам кратковременного действия, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы с большими числами Маха. Модели устанавливаются в аэродинамическом блоке перед, например, коническим гиперзвуковом соплом. Поток истекает из серединной области сопла прямолинейно, но области потока ближайшие к скосу сопла могут отражаться от стенки аэродинамического камеры и влиять на основной поток. При высоких скоростях истечения потока из сопла и малом диаметре аэродинамического камеры возникает суммирование основного и отраженного потоков на начальном квазистационарном времени истечения из сопла.

Известна [1] рабочая часть аэродинамической трубы, которая включает камеру давления, перфорированные стенки на границах потока и шумоглушащие сетки. При этом шумоглушащие сетки с проницаемостью 5-70% размещены на неомываемой рабочим потоком стороне перфорированных стенок. В устройстве снижается фоновый шум и устраняется влияние сетки на течение газа в рабочем.

Однако поперечный размер аэродинамического блока не связан со скоростью потока и углом полураствора сопла.

Известна [2] низкоскоростная аэродинамическая труба с пониженным уровнем пульсационных характеристик потока в рабочей части, содержащая входной коллектор с форкамерой, набор детурбулизирующих сеток, суживающее сопло, рабочую часть и детурбулизирующие элементы, которые являются средства разрушения вихревых структур. Они размещены во внешней зоне турбулентного пограничного слоя между началом рабочей части трубы и зоной расположения исследуемого объекта.

В устройстве зону исследуемого объекта ограждают сетками от влияния вихревых структур. Однако ширина аэродинамического блока не связана со скоростью потока.

Наиболее близким техническим решением является «Импульсная аэродинамическая установка» [3], 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, 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 Vквд - объем камеры высокого давления, м³; VЦК - объем цилиндрического канала, м³; Vвк - 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.

Недостаток устройства в том, что он не пригоден для гиперзвуковых конических сопел, поперечный размер вакуумной камеры не связан со скоростью потока, временем квазистационарного истечения из сопла и углом полураствора конуса сверхзвуковой части сопла.

Для высокоскоростных потоком с малым временем квазистационарного истечения из сопла указанное соотношение диметров в устройстве [3] может привести к влиянию части отразившегося от стенки вакуумного камеры потока на центральную часть потока.

Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерений параметров потока при его высоких скоростях, за счет учета диаметра вакуумной камеры.

Поставленная задача решается тем, что импульсная аэродинамическая установка, содержащая образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, коническое гиперзвуковое сопло, вакуумную камеру, в которой размещено сопло, при этом одно средство перекрытия канала, установлено между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом, другое средством перекрытия канала, установлено между цилиндрическим каналом и соплом, диаметр вакуумной камеры D определяют соотношением:

где V скорость высокоскоростного потока, α - угол полураствора конического сопла, r радиус конического сопла, - время квазистационарного истечения из сопла.

Предполагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами. На фиг. 1 приведена импульсная аэродинамическая установка. На фиг. 2 показана схема потоков. На фиг. 3 приведено моделирование [4] истечения из конического сопла: числа Маха и скорость потока. На фиг. 4 показаны результаты моделирования расширения гиперзвукового потока при выходе из конического сопла [5]. На фиг. 5 продемонстрированы области квазистационарного истечения из сопла («полочки») [5].

Импульсная аэродинамическая установка (фиг. 1) содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления 1, цилиндрический канал 2, вакуумную камеру 3 и установленное в ней коническое гиперзвуковое сопло 4. Между камерой высокого давления 1 и цилиндрическим каналом 2 установлено первое средство перекрытия канала 5, а между цилиндрическим каналом 2 и коническим гиперзвуковым соплом 4 размещено второе средство перекрытия канала 6.

Истечение из конического гиперзвукового сопла 4 прямолинейно в средней части (фиг. 2), но пристеночное течение может отражаться от стенки вакуумной камеры. Здесь обозначено: R - расстояние от средней линии до стенки вакуумного камеры 3; r - радиус конического гиперзвукового сопла; V - скорость потока; t_k - время квазистационарного истечения из сопла, S - путь пройденный потоком за время t_k; L₁ и L₂ - - путь пройденный пристеночным течением конического гиперзвукового сопла до стенки вакуумной камеры и отраженным от нее, соответственно; α угол полураствора конического гиперзвукового сопла 4.

На фиг. 3 [4] и фиг. 4 [5] показано расширение потоков, истекающего из конического гиперзвукового сопла 4 в пространство, не ограниченное стенкой вакуумной камеры 3. Графики давления 3 м 4 на фиг. 5 [5] демонстрируют начальное квазистационарное истечение из конического гиперзвукового сопла 4, которое используется для целей валидации математическим моделированием.

Работает устройство, показанное на фиг. 1 следующим образом. Цилиндрический канал 2 откачивается до низкого давления, например, 1... 100 мбар. Вакуумная камера 3 откачивается до вакуума, например, 1 Па. Далее камера высокого давления 1 заполняется смесью толкающих газов до давлений несколько десятков атмосфер. При срабатывании быстродействующего клапана (первое средство перекрытия канала 5) образуется ударная волна, которая устремляется по цилиндрическому каналу 2 к коническому гиперзвуковому соплу 4, образуя газовую пробку высокого давления. При разрыве второго средства перекрытия 6 высокоскоростной поток истекает из конического гиперзвукового сопла 4 в вакуумную камеру 3.

При гиперзвуковых скоростях отраженный от стенок вакуумной камеры 3 поток суммируется с основным квазистационарным потоком, нарушая его стационарность, и который используется для точных измерений валидационных данных по давлению, тепловым потокам на моделях за коническим гиперзвуковым соплом 4. При этом, чем выше скорость потока, тем больше будет погрешность за счет отражения от стенок вакуумного камеры. Приведем примеры.

Пример. 1. Пусть поток истекает со скоростью V=2*10³ м/с (число Маха М=7), t_k=2*10^-3 c, при таком режиме истечения и параметров конического гиперзвукового сопла: r=0,08 м, α=14°, диаметр вакуумной камеры должен быть D≥1,04 м.

Пример 2. Если максимальная скорость потока V=10³ м/с, то D≥0,56 м.

Пример 3. Если V=10³ м/с, и t_k=10^-3 c, то D≥0,32 м.

Таким образом, для больших скоростей потока в установках с коническим соплом необходимо располагать вакуумной камеры большего диаметра в соответствии с заявленным соотношением. В ином случае, к потоку из сопла будет суммироваться отраженный поток от стенок вакуумной камеры. Исключение влияния суммирования отраженного поток от стенок вакуумной камеры с основным высокоскоростным потоком, приведет к повышению точности измерений параметров в потоке.

Список использованных источников

1. Патент РФ №2547473. Рабочая часть аэродинамической трубы

2. Патент РФ №2371615 Низкоскоростная аэродинамическая труба с пониженным уровнем пульсационных характеристик потока в рабочей части

3. Патент РФ №153905 Импульсная аэродинамическая установка

4. Суржиков С.Т. Расчетные исходные данные для решения тестовых задач в измерительной секции гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы ГУАТ лаборатории РадГД ИПМех РАН // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т. 22, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-1/articles/931/.

5. Иванов И.Э. и др. Функционирование съемного удлиненного сопла гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Т. 19, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2018-19-3/articles/748/.

Устройство относится к области экспериментальной аэротермодинамики, в частности к лабораторным аэродинамическим установкам кратковременного действия, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы с большими числами Маха. Модели устанавливаются в аэродинамическом блоке перед, например, коническим гиперзвуковым соплом. Поток истекает из серединной области сопла прямолинейно, но области потока, ближайшие к скосу сопла, могут отражаться от стенки аэродинамического блока и влиять на основной поток. Для устранения суммирования основного и отраженного потоков на начальном квазистационарном времени истечения из сопла в предлагаемой установке учитывается размер вакуумной камеры. Технический результат - повышение точности измерений параметров потока при его высоких скоростях. 5 ил.

Импульсная аэродинамическая установка, содержащая образующие общий канал, последовательно соединенные между собой через первое средство перекрытия канала камеру высокого давления и цилиндрический канал, а через второе средство перекрытия канала цилиндрический канал и коническое гиперзвуковое сопло, размещенное в вакуумной камере, отличающаяся тем, что диаметр вакуумной камеры D определяют соотношением

D ≥ V t_k sinα + r,

где V - скорость высокоскоростного потока,

t_k - время квазистационарного истечения из сопла,

α - угол полураствора конического гиперзвукового сопла,

r - радиус конического гиперзвукового сопла.