Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов - Афанасьев В.А.
ISBN 5-7035-0318-3
Скачать (прямая ссылка):
Контролируя при тепловых испытаниях найденные параметры газового потока на стенде, получаем автоматическое обеспечение на поверхности изделия коэффициентов конвективного теплообмена без их предварительного вычисления с автоматическим учетом неизвестной нам заранее температуры поверхности.
Газовый поток на стенде при этом способе моделирования аэродинамического нагрева эквивалентен (в тепловом отношении) сверхзвуковому потоку, омывающему изделие в полете.
177
Излучаемая от нагретых поверхностей изделия теплота принимает* ся холодным стендовым кожухом (практически температура кожуха Ткож должна быть меньше 400 К). Применение такого метода в основном ограничивается только техническими возможностями подогрева воздуха на стенде до температуры Тпол.
Моделирование аэродинамического нагрева ЛА с числом М полета более 6 обычно осуществляется на стендах с горячим кожухом. На таких стендах полетные значения тепловых потоков к поверхности испытуемого изделия без их предварительного расчета автоматически обеспечиваются суммарным воздействием конвективного теплового потока от воздуха, омывающего изделие на стенде, и радиационного потока от горячего стендового кожуха.
Для проведения тепловых испытаний по данной методике необходимо, чтобы
аст = апол1 ^экр^ Т\У0 ; Тст5=5 Т\У0 > Еэкр^ 1 » гДе «ПОЛ =/( МПОЛ 1^ПОЛ I О •
где / — расстояние до носка или передней кромки; — коэффициент (степень черноты) экрана; 7^ — местная равновесная температура теплоизолированной оболочки в полете с учетом излучения; траектория Л А выбирается так, чтобы не превышала 1000 — 1300 К,
в то время как Гпол может достигать 3000 — 5000 К; Тэгр — местная температура стендового кожуха (экрана); Ттял — местная температура потока на стенде.
Температура Тцг определяется по формуле
Гв= ГЯ[1+0,18МП2ОЛ].
Здесь Тн — температура воздуха на высоте полета. Основные расчетные формулы для тепловых газодинамических стендов. Температура воздуха на стенде с холодным кожухом
Гст= Тт = 7я(1+ 0,18МП2ОЛ),
где Мпол — число Маха на высоте полета; М = У/а ; V — скорость полета; а — скорость звука на высоте полета. Расход воздуха в стенде
178
где М — массовый расход воздуха, кг/с; Г — площадь рассматриваемого сечения стенда, м2; р — полетное значение давления, Па; V — скорость полета, м/с; Я — газовая постоянная (для воздуха) Я - 8,31 х х 1(гДж/(кмольК); g — ускорение свободного падения, м/с2. Кожух считается холодным, если Тцго < 100вС
В последнее время, наряду с широким использованием реактивных двигателей как источников получения мощных газовых потоков с высокими температурами, получили распространение электродуговые нагреватели газа (ЭДНГ).
Электродуговыми нагревателями называют такие установки, которые позволяют получать низкотемпературную плазму, т.е. газ, нагретый до температур (3 — 50)103 К с плотностью тепловых потоков до 4 1(Г кВт/м2.
Наиболее распространенным способом получения низкотемпературной плазмы является нагрев газа в термической электрической дуге. Получение высокотемпературных газовых потоков позволяет проводить тепловое моделирование полетов КЛА с гиперзвуковыми скоростями и моделирование условий входа КЛА в атмосферу.
В качестве примера рассмотрим процесс горения дуги в ЭДНГ (рис 2.76).
Холодный газ <5, обдувая дугу 5, нагревается до высоких температур при теплообмене с разрядным каналом дуги. По мере его нагрева увеличивается электропроводность газа и уменьшается сопротивление между дугой и электродом. Металлический анод 6 из-за малого электрического сопротивления по всей длине имеет одинаковый потенциал, равный потенциалу конца дуги, опирающегося на анод. Разность потенциалов между точкой в конца дуги и любой точкой по длине дуги, например точкой г, может быть записана в виде
/
А?/вг= ?/в+ 1е(1)Ш . (2.78)
О
Таким образом, между любой точкой дуги (кроме в) и анодом существует разность потенциалов, определяемая уравнением (2.78).
Очевидно, что при определенных условиях может возникнуть такое положение, когда разность потенциалов станет достаточной, чтобы произошел электрический пробой газового промежутка между какой-то точкой дуги, расположенной на оси, и стенкой электрода.
Положительный столб дуги и стенки анода представляют собой как бы два коаксиальных электрода, к которым приложена разность потенциалов, изменяющаяся по длине согласно уравнению (2.78). Промежуток между этими электродами заполнен газом с высокой темпе-
179
ратурой. С повышением температуры газа электрическое сопротивление промежутка уменьшается. На условия пробоя оказывает влияние и то, что дуга фактически является эмиттером положительных и отрицательных ионов. При повышении температуры, кроме того, начинается процесс термической ионизации. Электрическая прочность газового промежутка будет определяться в основном относительно холод, ным стеночным слоем газа, который и устанавливает минимальное напряжение пробоя.
Рис 2.76. Схема электродугового нагревателя:
Л 1 - источник постоянного тока; 2 - балла» -/^ стное сопротивление; 3 - включающее уст» *> ройство; 4 - струя плазмы; 5 - дуга; 6 - анод; 7 - катод; 8 - ввод газа; 9 - соленоид
