Способ создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01W1/08 

2. Устройство для создания искусственных, облаков в верхних слоя атмосферы, содержащее герметичную емкость для .реагента с .выпускными механизмами, пиротехнический заряд и воспламенитель, о т л и ча ющ е а с я тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспече ния стопроцентного использования p гейта в реакции с окружающей средо в зоне его выброса, оно снабжено расположенной внутри герметичной емкости с реагентом вдоль ее образующей герметичной емкостью для пи ротехнического заряда с ребристой внешней поверхностью и с площадью поперечного сечения, изменяющейся зависимости ЛИ ;,. РЩ - 1 вертикальная скорость полета устройства в атмосфере в моменты времени t и t j , . зависимости плотное-, ти компонента атмосферы от высоты yi ысота полета устройства в моменты времени t и t- J диаметры сечений пиротехнического заряда в моменты времени t и t

1. Способ создания ис усствен.н.ых облаков в верхних слоях атмосферы путем нагревания жидоого реагента и выброса его с борта летательного аппарата в окружающую среду, отличающийся тем, 44Of с целью повышения эффективноЬти путем обеспечения стопроцентного использования реагента в реакции с окружающе) средой в зоне его выброса, жидкий реагент нагревают в ЗсМкНутоМ объеме до температуру кипейия, затем его в течение 1,5-200. с переводят в насыщенный пар и выбрасывают в исследуемый слой атмосферы реагент (О в парообразном состоянии с давлением, изменяющимся по заданному закоУда ND

Изобретение относится к измерит ной технике в метеорологии и может быть использовано для получения искусственных образований,с борта ле тательного аппарата. Известен способ создания искусст венных облаков в верхних слоях атмосферы, основанный на выбрОсе реагента в виде мелких капе;1ь в окружающую среду и устройство для его осуществления, содержащее корпус, разделенный поршнем на две полости, - для газа и для жидкого реаген та, а также йыпускные отверстия и заправочный штуцер l . Недостатком этого способа и устройства создания искусственных обла ков в верхних слоях атмосферы с помощью реагентов является невысокая эффективность эксперименту из-за исключения из процесса взаимодейстВИЯ с окружакяцей средой замерзшей части реагента. . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ соз Дания искусственных o6jjaKOB в верхних слбях атмосферы путем нагрева ния жидкрго реагента и выброса его с борта летательного аппарата в окружающую . среду 2 . наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы, содержащее герметичную емкость для реагента с выпускными механизмами) пиротехнический заряд и воспламенитель 2 . Недостатками известных сцособа и устройства являются невысокая эффек тивность воздействия реагента a компонент атмосферы, ввиду того, что реагент выбрасывается в атмосферу в виде капель, которые, несмотря на предварительное нагревание реагента также замерзают из-за интенсивного испарения при очень-Малых дав;лениях окружающей среды. При этом :скорость испарения резко падает. За счет аэродинамического Нагрева реагент в этом случае испарится полностью при входе замерзших капель в плотные слои атмосферы, т. е. не в заданном районе создания искусственного облака. Кроме того, в известном способе и устройстве отсутствует регулировка расхода реагента, что сни-жаеТ эффективность его применения. . Целью изобретения является повышение эффективности путем обеспечения стопроцентного использования реагента в реакции с окружающей средой в зоне его выброса. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы путем нагревания жидкого реагента и выброса его с борта летательного аппарата в окружающую среду, жидкий реагеНт нагревают до температуры кипения, затем его в течение 1,5-200 с переводят в насыщенный пар .и выбрасывают в исследуемый слой атмосферы реагент в парообразном состоянии с давлением, изменяющимся по заданному закону. Устройство для создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы, содержащее герметичную емкость для реагента с выпускными механизмами, пиротехнический заряд и воспла менитель, снабжено расположенной внутри герметичной емкости с реагентом вдоль ее образующей герметичной емкостью для пиротехнического заряд с ребристой внешней .поверхностью и площадью поперечного сечения, изменяющейся по зависимости .. 2 r 3pfvn - °I...v. вертикальная скорость полета устройства в атмосфере в моменты времени t j и t , зависимость плотности компонента атмосферы от высоты у; высота полета устрой ва .Ь моменты времени и D - диаметры сечений пир технического заряда : момен гы времени t, и Выброс реагента в виде пара с регулируемым расходом при создании ис кусственных светящихся облаков позволяет полностью использовать реагент в химической реакции со средой что приводит к повышению его эффек ;гивности и снижению материальных затрат. На чертеже схег атично изображено устройство, осевой разрез. ; Устройство содержит герметичную емкость 1 для реагента 2; выпуск:ной механизм 3 со срезной мембраной 4, герметичную емкость 5 для пиротехнического заряда б с ребрами 7 и воспламенитель S. В момент старта исследовательско ракеты, например МР-12, включают бортовые системы определения координат, временные устройства и систе мы электроавтоматики, управляющие полетом ракеты по траектории. На заданной высоте начинают нагревание реагента в замкнутом объёме до температуры кипения, для чего дают ком ду на срабатывание воспламенителя 8 от которого воспламеняется пиротехнический заряд б, генерирующий тепловую энергию, количество кото-рой определяется выражением . CT- где C-J. - удельная теплот-ворная способность пиротехнического зарядаV т - секундный расход массы пиротехнического заряда. , . Реагент 2, расположенный в емкос ти 1 и изолированный от пиротехнического заряда 6 нагревают до темпе ратуры кипения за счет переда.чи генерируемой пиротехническим зарядом тепловой энергии к емкости 5 и ребрам 7. Необходимое количество тепло вой энергии для доведения реагента до температуры кипения определяются из соотношения Q Ср -М-т t дд, где Ср - удельная теплоемкость реагента для T-i С1д Г - . -Р .град . ЬТ - разность между температу; рой кипения и начальной температурой реагента Гдля TiCl4 йТ - 117,); m - масса реагента (т 20 кг) uQ - теплота, необходимая на прогрев конструктивных элементов -устройства, определимая для данной конструкции в интервале 0,i-0,15Q. При использовании реагента массой m 20 кг TiCl4 р удельной теплоемкостью GP 203ктт| °ад и температурой кипения Т 137 С потребляется количество тепловой энергии .-.- 1 .., - . Q 203 117-20 + 48 523 ккаП. При этом массу т пиротехнического заряда б, необходимую для нагревания выбранного реагента дО: температуры кипения можно определить из соотношения что составит 0,654 кг, а форма его должна быть цилиндрической. При использовании двух пирозарядов для нагревания выбранного реагента до температуры кипения их.размеры составят - диаметр 102,0 мм, длина .-50№. Далее жидкий реагент переводят в насыщенные пары. Так как реагент находится в замкнутом объеме, то температура его кипения по мере испарения увеличивается пропорционально увеличению- давления парома. Поэтому для перевода реагента в насьпцённые пары необходимо увеличение теплопередачи к реагенту 2, что достигается выполнением пиротехнического эаряда в виде усеченного конуса. Наиболее оптимальным для данной конструкции является увеличение диаметра заряда на 20% (соответствует увеличению температуры кипения). Исходя из этого размеры второй части -пиротехнических зарядов составят: диаметры оснований 102,0 мм и .122,4 мм, длина 50 мм. В описываемом эксперименте при Достижении ракетой : МР-12 высоты 11 км давление паров реагента достигает заданного значения, под его действием прои схода т разрыв мембраны 4 После этого проводят выброс рва- . гента в парообразном состоянии в

исследуемый слой с расходом (G) пропорциональным плотности атмосферы. Весовое соотношение реагента и плотности компонента атмосферы в обиеМ виде можно определить по формуле

р(У)

(4)

р(У) зависимость плотности компонента атмосферы от высоты полета ракеты у (для плотности воздуха на высотах) 11 у 6 25 км,

е

-у - 11000

р{у) 0,36 6340

Кр- множитель, учитывающий отношение массового количества реагента к плотности компонента атмосферы (для TiClj Кр 0,82).

Дифференцируя G по t получим выражение для расхода реагента пропорционального плотности компонента атмосферы,в виде

p-alr-vy , (5)

d

где V, гт вертикальная скорость

I полета; , .

изменение плотности

dv компонента атмосферы с высотой полета. С другой стороны величину расхода реагента через выпускной механизм 3 можно определить по формуле

2

ae.fi

(б)

V R I 21эен)

-эе

площадь сечения выпускного

механизма (fс 1 см )/ ускорение свободного падения и универсальная газовая постоянная , отношение удельных теплоемкостей паров ракеты; давление и температура паров реагента в устройстве

137 с для TiCl).

(Т

КИП

Как видно из соотношения 4 величи.ну расхода реагента можно регулировать изменением площади сечения с выпускного механизма 3 и изменением давления Р-паров реагента.

В предлагаемой конструкции вели- . чину расхода реагента регулируют изменением давления Р паров реагента.

Оптимальная величина давления , реализующая расход паров реагента, пропорционально плотности компонента

атмосферы, определяется из зависимости :С5) и (6) по формуле

,)i(). „ r.j , (iillllO 2х

2(эе-1) . (вТзьТо- /

1 2 МТ7зз)0Зб -1100. .. 6340 J

- У - 11000

i 0,44

/ V бзтсг

При этом тепловой поток, реализуемый на расход паров реагента, определяется по зависимости

Q GIJ.G,

(8)

где С„ - теплотаиспарения реаген та f r,-r,r,Т4ГП г,, -1|-,0|Л

та (дляliClj C-U 47-jjjT-.

Из выражений (1) и (8) определим

массу сгорающегов единицу времени

пиротехническогозаряди б в виде

GGu

djp Си

К „ V,

fi).

Р r.TJ CT

с другой стороны известно, что 30 т, ,(--10

Г-/3

где Рз и - площадь пиротехнического J заряда и скорость его горения состава

П43-03-01 р 2,

и - диаметр сечения пирозаря. да.

Теперь если взять два любых близких мп0 мента времени и t2, которым соответствуют значения высоты полета

у, и У2 и значения mj,m 2 и D) и вычислить отношение Р помощи зависимости .С10) то получим

..kili

т..

у

2

где D и 1

диаметры сечений пиротехнического заряда момента времени

ta;

-1

V.

вертикальная скорость полета устройства в моменты времени

t. и t

w

2

U)v

.j- , , -. - измерение плотности VoVJj /° У- | - компонента атмосфе0ры от высоты полета

в моментн времени t и t2 .

Подставляя в выражение (Ю) значения Vy и Vy,j для ракеты МР-12, определен5 ные баллистическим траектории полета и зкачения dp/dj в точках У;| и y/j , соответствуюрих моментом времени 1,, получим отношение диаметров третьей части пиро аряда

А 1,.2

DI

ВыЛором пр&филя пиротехнического зал ряда б по последней зависимости реализуется оптимальная величина давления паров реагента(Т1СЦ) в устройстве, которая определяет расход реагента пропорционально плотности компонента атмосферы. Турбулентным и диффузионным распределением паров реагента в пространстве заканчиваетс процесс образования искусственного облака.

Использование изобретения при создании искусственных облаков в верхних слоях атмосферы позволяет увеличить эффективность зксперимента за счет увеличения объема облака

с равномерной концентрацией реаген-та в заданной области пространства без увеличения количества реагента и уменьшения количества запускаемых летательных аппаратов.

0 Кроме того, использование изобретения позволит применять жидкие и твердые реагенты при создании искусственных облаков в атмосфере на любых высотах и увеличить скорость

5 взаимодействия реагента с компонентами атмосферы и время существования искусственного образования, что позволит увеличить точность измерений параметров атмосферы.