Оптимальные задачи передачи энергии в легкогазовых баллистических установках

• Автор: Леонтьев, Николай Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил

Введение
В пятидесятых годах двадцатого века развитие энергетической, авиационной, ракетной и других отраслей потребовало экспериментального изучения явлений, происходящих при высокоскоростных столкновениях тел с преградами, движениях тел в различных газовых смесях и в других процессах. Для исследований подобных явлений широко используются метательные системы различных типов, позволяющие ускорять небольшие тела массой от долей грамма до десятков граммов до сверхзвуковых скоростей порядка нескольких километров в секунду. В отличие от газодинамических исследований в аэродинамических трубах, где изучается взаимодействие сверхзвукового потока газа с неподвижной моделью, баллистический эксперимент фактически является лётным испытанием модели в лабораторных условиях и обладает рядом преимуществ: отсутствуют устройства для поддержания модели (как в аэродинамических трубах), имеются возможности создать невозмущённую среду с точно известными характеристиками и не загрязнённую инородными частицами, изучать нестационарные явления, независимо менять числа Маха и Рейнольдса [48]. В последние годы с применением метательных установок проводились следующие исследования [127,128,134]:
— — Изучениедсартины гиперзвукеворо-об-текания модеяейдюемичееких-аппаратов и их аэродинамических характеристик, т. е. сил и моментов, действующих на тело при полёте в атмосферах планет.
— Исследование структуры газовой детонации и горения в сверхзвуковых потоках, вызванных полётом тел в смесях водорода с воздухом и кислородом.
— Измерения в различных диапазонах спектра излучения разных газов и аблирующих примесей около тел, летящих с гиперзвуковой скоростью.
— Определение основных неравновесных процессов в ударном слое и в следе за аблирующими и неаблирующими моделями, летящими в газовых смесях.
— Изучение соударения быстролетящих тел с препятствиями из различных материалов, в том числе с горными породами. Эти исследования позволяют выяснить, как происходила «переработка» древних

пород Земли под действием ударов метеоритов и астероидов, выявлять механизмы образования метеоритных кратеров.
— Исследование динамических характеристик и термодинамических уравнений состояния различных веществ при высоких давлениях и температурах.
Диапазон экспериментальных исследований на баллистических установках непрерывно расширяется, и в последнее время такие системы предлагается использовать в новых направлениях науки и техники. Например, разгон частиц размерами порядка 1 мм до высоких скоростей предполагается использовать для инициирования термоядерного микровзрыва при ударе макрочастицы и подпитки топливом термоядерных реакторов [19,71]. Ещё одной областью применения баллистических установок может стать их использование для запуска в космос летательных аппаратов. Существуют проекты метательных устройств различных типов, которые, возможно, позволят выводить в космическое пространство искусственные спутники и контейнеры с различными материалами [40,44,133], причём запуск должен обходиться гораздо дешевле, чем использование нынешних ракет-носителей [88]. В [123] изложены технические требования к наземной метательной установке, с помощью которой можно
запускать снаряды через атмосферу-ее скоростью-евыше-8-км/е—Оценки—
показывают, что для вывода хорошо обтекаемых снарядов при малой абляции скорость пуска должна ненамного превышать конечную скорость в космосе, а при запуске тел с планет без атмосферы (например, с Луны) проблема абляции вообще отсутствует.
1. Современные методы ускорения тел. Существующие методы ускорения макротел до гиперзвуковых скоростей достаточно разнообразны как по принципам работы установок, так и по массам ускоряемых тел и достигаемым скоростям, а также по возможности использования в тех или иных исследованиях, размерам, стоимости, удобству эксплуатации, износоустойчивости при многократных метаниях тел. Разнообразие типов метательных установок объясняется необходимостью получения скоростей моделей в широком диапазоне, чего нельзя добиться посредством лишь одного типа разгонных устройств [51]. Современное состояние методов ускорения тел до гиперзвуковых скоростей, а также возможно-

сти применения метательных установок в аэробаллистических экспериментах и задачах защиты от метеоритов, управляемого термоядерного синтеза, моделирования ударных явлений и др. обсуждаются в обзорах [51,61,71,87,112,116,120,127,134]. Рассмотрим кратко некоторые наиболее распространённые типы метательных систем.
В задачах, в которых не требуется ускорять тела заданной формы и допустимо частичное разрушение метаемой частицы, широко используются метательные устройства, в которых тело ускоряется продуктами детонации обычного или кумулятивного заряда взрывчатого вещества (ВВ). Такие устройства принципиально просты, легко адаптируются к лабораторным условиям, сравнительно дёшевы, позволяют получать скорости метания в достаточно широком диапазоне и достаточно полно удовлетворяют потребности исследователей как в плане изучения свойств и поведения веществ при экстремальных нагрузках, так и для моделирования метеоритного удара [72]. Для получения кумулятивной струи обычно заряд ВВ имеет коническую выемку, покрытую металлической облицовкой; образующаяся при кумуляции струя расплавленного металла может двигаться с большой скоростью и ускорять тела [61]. Применяют также заряды, имеющие цилиндрическую полость, в которой при кумуляции образуется ударная волна, распространяющаяся вдоль канала [111]. В таких установках тела простой формы массой 10~2—10 г ускоряются до скоростей 2—12 км/с, микрочастицы массой 10-и—10-5 г — до скоростей 8—15 км/с, фрагменты кумулятивных струй массой 10-1—1 г — до скоростей 8—21 км/с [61]. Скорости кумулятивных струй, получаемые с помощью взрывчатых веществ, на практике ограничены величинами порядка удвоенной скорости распространения детонационной волны в ВВ [71] и сравнимы с теми, которые дают легкогазовые пушки, но создаваемые взрывом ускорения частиц имеют в некоторые моменты гораздо большие значения. В этом одна из причин, почему ВВ не применяются в настоящее время для метания моделей заданной формы, которые могут разрушаться при движении с большими ускорениями. При взрыве ВВ метаемое тело подвержено абляции, часто разрушается под действием газовой струи, и его характеристики приходится определять косвенным образом и с трудом подвергаются контролю. Кроме того, тело трудно

скорость движения поршня достаточно быстро приближается к скорости поршня в приближённом решении.
На рис. 1.9 показаны законы изменения модуля безразмерной скорости поршня от безразмерного времени для точного (кривая 1) и приближённого (кривая 2) решений в в системе отсчёта, связанной с тяжёлым поршнем, при т/М = 0,2, -у = 1,4. Обезразмеривание производилось с помощью соотношений (1.9), в которых использовалась энергия газа до удара поршня Е = Му%/2. Можно видеть, что приходящая к поршню при 1 и 2,5 отражённая от стенки ударная волна сильно увеличивает его скорость--Закон движения-поршня в~этом случаетіриведевтнггристІтІО (кривые 1 и 2 соответствуют точному и приближённому решениям).
2. Рассмотрим ещё одну задачу, в которой возникают ударные волны, влияющие на эффективность работы метательной установки.