Способ концентрации давления торможения ударной волны в ударной трубе и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01M9/04 

Способ относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к вакуумным ударным аэродинамическим установкам, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов (ЛА) в верхних слоях атмосферы, в космическом пространстве; и может быть использован для концентрации давления торможения газового потока перед входом в гиперзвуковое сопло в лабораторных условиях.

Расчетные параметры аэротермодинамики газового потока за срезом гиперзвукового сопла зависят от параметров у входа в сопло [1]. Входное отверстие сопла закрыто тонкой мембраной, которая разрывается при подходе к ней ударной волны. Разрыв мембраны может произойти не контролируемо: на падающей или на отраженной ударной волне, а части разрушенной мембраны уносятся через сопло газовым потоком, осложняя термодинамические измерения. Поэтому желательно, чтобы сопло срабатывало при давлении, близкого к максимальному в пробке торможения ударной воны и отсутствовали расходные материалы сопловой мембраны.

Известно устройство [2] для измерения динамической составляющей давления, содержащее датчик давления, соединенный с измерительной магистралью через импульсную трубку, выполненную V-образной формы, проекция вершины которой на ось измерительной магистрали расположена между точками подключения ее к магистрали, а датчик давления установлен в этой вершине. Данное устройство измеряет среднее давления между двумя врезками в магистраль.

Недостатками устройства является невозможность его использования для концентрации давления торможения ударной волны перед гиперзвуковым соплом.

Известно [3] «Устройство для измерения и контроля остаточного давления в вакуумных системах для предотвращения неконтролируемых срабатываний внешних исполнительных устройств, подключенных к каналам блокировки», используется схема задержки подачи напряжения питания на блок управления каналами блокировки. Время задержки, необходимое для завершения переходных процессов в блоке измерения остаточного давления прибора, обеспечивается схемой задержки подачи напряжения питания на блок управления ключевыми элементами каналов блокировки. Момент подачи напряжения питания на электронную схему, управляющую ключевыми элементами каналов блокировки, определяется временем завершения переходных процессов в измерительной схеме прибора, которые инициируются при включении напряжения питания. До момента подачи напряжения питания на схему управления каналами блокировки внешние исполнительные устройства заблокированы.

Устройство не оперирует с быстрыми процессами, т.к. реагирует после окончания переходных процессов. Устройство невозможно использовать для концентрации давления торможения ударной волны перед гиперзвуковым соплом.

Известно «Устройство для измерения давления торможения в импульсной аэродинамической трубе» [4], содержащее датчик давления с полостями измеряемого и опорного давлений, приемник, соединенный с полостью измеряемого давления, и магистраль опорного давления с источником, пневмокоммутатор, а магистраль опорного давления выполнена в виде автономных линий давления с автономными источниками, соединенных с полостью опорного давления датчика посредством пневмокоммутатора, который выполнен в виде корпуса с каналами опорного и измеряемого давлений, поршня со штоком, размещенного внутри корпуса и разделяющего внутренний объем на две полости, одна из которой соединена с источником сжатого газа, а вторая заполнена демпфирующей жидкостью, и фиксатора с приводом, установленного в корпусе и взаимодействующего со штоком, при этом датчик давления установлен на штоке, а корпус выполнен с дроссельным отверстием, соединенным с полостью, заполненной демпфирующей жидкостью, причем каналы опорного и измеряемого давлений корпуса соединены с автономными линиями давления и с приемником соответственно.

Недостатками способа и устройства для его осуществления является сложность конструкции, наличие демпфирующей жидкости и невозможность использования для быстропротекающих процессов. Устройство невозможно использовать для концентрации давления торможения ударной волны перед гиперзвуковым соплом.

Наиболее близким техническим решением является «Способ увеличения рабочего времени ударной трубы и устройство для его реализации» [5], для получения высокоскоростного потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях в бездиафрагменных ударных трубах кратковременного действия. Способ заключается в том, что газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха, поджимающего подвижный колпак пневматического клапана. Воздух стравливается в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном, и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления. При этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм. Устройство содержит последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления. Пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент. Технический результат заключается в увеличении рабочего времени ударной трубы за счет торможения волны разрежения.

Специфическим особенностью способа и устройства для его осуществления является то, что давление волны разрежения, образованной при срабатывании клапана в дополнительной полости находится воздух при давлении не более одной атмосферы, которое выдавливает подпружиненную кнопку при приходе волны разрежения в сторону камеры высокого давления. Способ, описанный в [5] невозможно использовать для концентрации давления торможения ударной волны перед гиперзвуковым соплом.

Задачей предлагаемого способа является концентрация давления в пробке торможения ударной воны, которая приводит к функциональному упрощению работы пневматического соплового клапана и расширяет функциональные возможности работы ударной трубы, а также отсутствие расходных материалов в сопловой мембране, приводит к экономичность проведения опытов.

Поставленная задача реализуется способом концентрации давления торможения ударной волны в ударной трубе, заключающийся в том, что газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха, поджимающего подвижный колпак пневматического клапана, в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном, и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления, при этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм, при этом за счет увеличивающегося давления торможения ударной волны поджимающая крышка отверстия, обращенного в сторону камеры низкого давления, вдавливается внутрь клапана, смещает поджимающую крышку отверстия, связанного с сопловым клапаном и стравливает воздух, поджимающий подвижный колпак соплового клапана.

Поставленная задача также достигается тем, что в устройстве концентрации давления торможения ударной волны в ударной трубе, содержащем последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления при этом пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления, отличающееся тем, что между камерой высокого давления и соплом введен сопловой клапан с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком с двумя отверстиями, связанными с клапаном, закрытыми в начальный момент и связанными между собой подпружиненными крышками, одно из отверстий обращено вне ударной трубы, а другое - в сторону камеры низкого давления, при этом подпружиненная крышка, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее давлением, соответствующим давлению торможения ударной волны.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа.

На фиг.2 показаны графики давлений датчиков, установленных в тракте ударной трубы до установки соплового клапана.

На фиг.3 продемонстрированы графики после установки соплового клапана.

Устройство для реализации способа на фиг.1 состоит из камеры высокого давления 1; камеры низкого давления 2; сопла 3; пневматического клапана 4; соплового клапана 5; отверстия с подпружиненной крышкой 6, и отверстия с подпружиненной крышкой 7, пневматического капана 4; отверстия с подпружиненной крышкой 8 и отверстия с подпружиненной крышкой 9 соплового клапана 5. На фиг. 1 показаны места установки датчиков давления Р1, Р2, Р3, Р4, графики некоторых из которых приведены на фиг. 2 и фиг.3.

В устройстве для реализации способа фиг.1 последовательно соединены камера высокого давления 1, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана 4, камера низкого давления 2, сопловой клапан 5, и сопло 3. Пневматический клапан 4 содержит отверстие с подпружиненной крышкой отверстия 6, обращенную внутрь его дополнительной камеры, и связанную с подпружиненной крышкой стравливающего отверстия 7, обращенного в сторону камеры высокого давления 1. Сопловой клапан 5 содержит отверстие с подпружиненной крышкой 8 связанной с подпружиненной крышкой отверстия 9, которое обращено в сторону камеры низкого давления 2.

Способ реализуется следующим образом: вместо сопловой мембраны устанавливают сопловой клапан 5, воздух, закачиваемый в него для запирания соплового клапана 5 под давлением, соответствующем желаемому давлению торможения отраженной ударной волны. При воздействии ударной волны подпружиненная крышка отверстия 9, обращенной к камере низкого давления 2, выдавливается внутрь соплового клапана 5, воздух стравливается через отверстие 8, подпружиненная крышка которого, связана с подпружиненной крышкой отверстия 9. Сопловой клапан 5 срабатывает в момент, когда давление торможения ударной волны чуть больше давления поджимающего воздуха в сопловом клапане 5.

Если пневматический клапан 4, как средство перекрытия канала между камерами высокого и низкого давлений приводится в закрытое состояние заполнением одной и той же малой порцией воздух, например, 1 атм, то сопловой клапан 5 заполняется воздухом под давлением, которое ожидается от ударной волны торможения, например, 12 атм.

Вскрытие пневматического клапана 4 между камерами высокого 1 и низкого 2 давлений происходит за счет подачи электрического сигнала на электромагнит, который воздействует на открытие крышки отверстия 6, обращенного внутрь его дополнительной камеры. Поджимающий воздух перетекает в дополнительную полость и находится там, пока давление в камере высокого давления 1 снизится и в нее придет волна разрежения. Давление в дополнительной полости становится больше давления в камере высокого давления и воздух из дополнительной полости пневматического клапана поступает в камеру высоко давления 1, чем затормаживает приход веера разрежения к торцу канала низкого давления 2.

Вскрытие соплового клапана 5 происходит, когда давление торможения ударной волны начинает превышать давление в сопловом клапане 5. Тогда подпружиненная крышка отверстия 9, обращенного в сторону камеры низкого давления 2 смещает подпружиненную крышку, которая связана с подпружиненной крышкой отверстия 8 из которого выпускается воздух поджатия соплового клапана 5. Вскрытие соплового клапана 5 происходит без подачи электрического сигнала на электромагнит для сдвигания крышки отверстия 8. Электрическое управление в сопловом клапане отсутствует. Вскрытие соплового клапана происходит автоматически, когда давление торможения больше давления воздуха, заправленного в сопловой клапан 5.

Графики на фиг.2 соответствуют показаниям датчиков давления P1, P3, P4, изображенных на фиг.1 в эксперименте без соплового клапана. Время t_р - время работы ударной трубы. Оно начинается с падающей ударной волны (первая «полочка»), продолжается при отраженной ударной волне (вторая «полочка»), продолжается при приходе контактной поверхности, о чем свидетельствует возрастание давления и заканчивается при приходе волны разрежения (наблюдается спад давления). Здесь вскрытие алюминиевой тонкой мембраны на входе в сопло происходило на падающей ударной волне.

Графики на фиг.3, показывают изменение давлений при работе соплового клапана, который заполнялся давлением 7 атм. Метка на графиках Р_КЛ, вызванная срабатыванием соплового клапана 5, соответствует открытию соплового клапана при том же давлении 7 атм. Если заполнять сопловой клапан давлением, близким к максимальному в пробке, например, 10-12 атм, то обеспечивается наилучшее истечение из сопла. Из сравнения графиков фиг. 3 с фиг. 2 можно видеть, что, полученные при одинаковых режимах давлений в камерах высокого и низкого давлений, рабочее время увеличилось с 11 мс до 16 мс. Полочка падающей ударной волны удлинилась, что предпочтительно для валидации математического моделирования. Желаемое давление на срабатывание соплового клапана можно выбирать по давлению торможения ударной волны в пробке.

Преимущества заявленного способа и устройства в том, что:

1) исключает случайное вскрытие сопловой мембраны на любом этапе в падающей или отраженной волне, а накапливает давление;

2) на разных режимах работы ударной трубы можно выбирать желаемое давление торможения для срабатывания клапана;

3) автоматически срабатывающий сопловой клапан прост в обслуживании по сравнению с заправкой разрушаемой мембраны;

4) отсутствуют фрагменты разрушенной мембраны за соплом, которые искажают информацию с датчиков на моделях и теневое видео ударных структур.

5) заявленный способ и устройство позволяет автоматизировать экспериментальные работы на ударной трубе и повысить повторяемость экспериментов при известном давлении срабатывания сопла.

Таким образом, заявленные способ и устройство обеспечивают концентрацию давления на входе в сопло, имеет функциональное упрощение работы пневматического соплового клапана и расширяет функциональные возможности работы ударной трубы.

Список использованных источников.

1. 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/.

2. Патент РФ №2043611.

3. ПМ № 70049.

4. Патент РФ №934797.

5. Патент РФ №2788480.

Способ относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к вакуумным ударным аэродинамическим установкам, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов (ЛА) в верхних слоях атмосферы, в космическом пространстве; и может быть использован для концентрации давления торможения газового потока перед входом в гиперзвуковое сопло в лабораторных условиях. Отличительная особенность устройства для реализации соответствующего способа заключается в том, что между камерой высокого давления и соплом введен сопловой клапан с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком с двумя отверстиями, связанными с клапаном, закрытыми в начальный момент и связанными между собой подпружиненными крышками, одно из отверстий обращено вне ударной трубы, а другое - в сторону камеры низкого давления, при этом подпружиненная крышка, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее давлением, соответствующим давлению торможения ударной волны. Технический результат - обеспечение концентрации давления на входе в сопло, функциональное упрощение работы пневматического соплового клапана и расширение функциональных возможностей работы ударной трубы. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ концентрации давления торможения ударной волны в ударной трубе, заключающийся в том, что газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха, поджимающего подвижный колпак пневматического клапана, в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном, и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления, при этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм, отличающийся тем, что за счет увеличивающегося давления торможения ударной волны подпружиненная крышка отверстия, обращенного в сторону камеры низкого давления, вдавливается внутрь клапана, смещает подпружиненную крышку отверстия, связанного с сопловым клапаном и стравливает воздух, поджимающий подвижный колпак соплового клапана.

2. Устройство концентрации давления торможения ударной волны в ударной трубе, содержащее последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления при этом пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления, отличающееся тем, что между камерой высокого давления и соплом введен сопловой клапан с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком с двумя отверстиями, связанными с клапаном, закрытыми в начальный момент и связанными между собой подпружиненными крышками, одно из отверстий обращено вне ударной трубы, а другое - в сторону камеры низкого давления, при этом подпружиненная крышка, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее давлением, соответствующим давлению торможения ударной волны.