Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов - Афанасьев В.А.
ISBN 5-7035-0318-3
Скачать (прямая ссылка):
В простейшем виде ударная труба представляет собой закрытый с обоих концов длинный канал, разделенный диафрагмой на два неравных отсека (рис. 2.60).
В левый (малый) отсек под большим давлением (порядка сотен атмосфер) нагнетается толкающий газ. Толкающий газ за счет энергии
145
і-0
©
С в
ф 1—
горения, электромагнитного поля, взрыва, движения поршня или просто перепада давления разрывает диафрагму и создает плоскую ударную волну во внутреннем канале трубы.
В правом отсеке, занимаю* щем до 75% всей длины трубы, находится рабочий газ с низким давлением.
Вправо от точки разрыва диафрагмы по покоящемуся рабочему газу распространяется ударная волна ОЛ с постоянной скоростью N. За ударной волной с постоянной скоростью 1*2 движется контактная поверхность ОК, разделяющая толкающий и рабочий газы.
Влево от точки разрыва диафрагмы по толкающему газу распространяется центрированная волна разрежения, головной фронт которой ОС движется со скоростью </4, а хвостовой фронт ОБ — со скоростью </3, причем < (/д. так как температура в зоне разрежения падает.
Этими волнами движение газа в трубе разделено на четыре области. В области 1 рабочий газ с параметрами ру р^ находится в покое
("1 - 0).
В области 2 между ударной волной и контактной поверхностью располагается так называемая рабочая пробка с параметрами рабочего газа
Рг>Р\\ тг>т\\ Р2>Р1 •
® 4$ уг.- Ф
±
1
4^ Тг
Рис. 2.60. Схема ударной трубы и ее волновая диаграмма
Бе длина определяется выражением
/= {N-1*2)1 ,
где N — скорость распространения ударного фронта; и2 — скорость распространения контактного разрыва.
Между контактной поверхностью и хвостовым фронтом волны разрежений располагается область 3 с параметрами толкающего газа
Рг = Рг ; Рз = Р2 ; тъ < т2 •
146
Эта область движется вслед за рабочей пробкой с той же скоростью и2 = "з-
Область 4 — область покоящегося толкающего газа с параметрами
Ра) р41 ТА>Тг\ и4 = 0 .
Отобразим (см. рис. 2.62) расположение волн и значения параметров толкающего и рабочего газов в момент времени t- х ъ координатах: X от 1\ X от р\ X от Т. Отсчет времени ведется с момента разрыва диафрагмы.
Когда ударная волна достигнет конца рабочего канала трубы, весь рабочий газ будет сжат, нагрет и приведен в движение в направлении перемещения ударной волны. Отразившись от конца трубы, ударная волна будет двигаться навстречу потоку и приводить его в состояние покоя, дополнительно нагревая и сжимая его. Достигнув контактной поверхности, ударная волна начинает многократное движение между стенкой и контактной поверхностью и тем самым сильно увеличивает температуру Г2.
Для исследования обтекания тела высокотемпературным потоком используется течение в рабочей пробке. Продолжительность работы трубы граб зависит от места расположения исследуемой модели. Чем дальше от диафрагмы расположена модель, тем больше длина рабочей пробки. Однако здесь имеются пределы, поскольку по мере удаления от диафрагмы интенсивность ударной волны вследствие трения уменьшается.
Обычная продолжительность рабочего времени трубы составляет от 0,1 до 1 мс.
Рис. 2.61. Схема ударной аэродинамической трубы: / - отсек высокого давления; 2 - диафрагма; 3 - отсек низкого давления; 4 - диафрагма; 5 - сопло; б - модель; 7 - окно; 8 - вакуум-камера; 9 - вакуум-насосы
147
Эффективность ударной трубы при создании высоких температур связана со скоростью перемещения начальной ударной волны по рабочему газу, которая зависит от перепада начальных давлений в обоих отсеках трубы, скоростей звука в толкающем и рабочем газах в начальный момент и удельных теплоємкостей обоих газов.
Скорость ударной волны можно увеличить, если обеспечить больший перепад давлений толкающего и рабочего газов и выбрать легкие толкающие газы, в которых скорость звука больше. В мощных ударных трубах в качестве толкающего газа применяются водород и гелий.
Для повышения температуры в качестве толкающего газа используют смесь из кислорода и водорода, в которую для уменьшения возможности детонации добавляют гелий.
После воспламенения смеси, когда температура в отсеке высокого давления достигает 2 500°С, диафрагма разрушается при давлении, превышающем 108Па. Скорость ударной волны после разрыва диафрагмы достигает 15 — 18 км/с, а температура за ней — около 16 ООО К.
Другой метод увеличения скорости ударной волны при заданном отношении давлений состоит в использовании схемы ударной трубы с двумя или несколькими диафрагмами. При разрыве первой диафрагмы ударная волна проникает в промежуточную камеру, заполненную, например, аргоном, а затем, после разрушения второй диафрагмы, волна проходит в рабочий газ. Увеличение скорости ударной волны достигается в этом случае за счет уменьшения времени установившегося потока.
Ударные трубы в основном применяются для получения высокотемпературного газа при исследовании физико-химических явлений, возникающих при полете, таких, как диссоциация и ионизация. Кроме того, в ударных трубах исследуют структуру ударной волны, воздействие ударных волн на преграды, отражение косых ударных волн и т.д.
