Разработка, создание и использование газодинамических установок кратковременного действия для научных исследований

• Автор: Звегинцев, Валерий Иванович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 571 с. : ил.

ГЛАВА 1. Еазодинамические установки кратковременного действия и их применение в аэродинамическом эксперименте
1.1. Проблемы испытаний гиперзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями
1.2. Газодинамические установки кратковременного действия - перспективное направление для моделирования ГЛА с ПВРД в наземных условиях
1.3. Современные газодинамические установки кратковременного действия
1.4. Направления совершенствования установок кратковременного действия
Основные результаты главы 1
Литература к главе 1
ГЛАВА 2. Теоретические аспекты рабочего процесса газодинамических установок кратковременного действия
2.1. Расчет нестационарной импульсной газовой струи
2.2. Квазистационарный подход при анализе газодинамических процессов в установках кратковременного действия
2.3. О применимости гипотезы квазистационарности при описании течения в импульсных аэродинамических трубах
2.4. Исследование процесса запуска аэродинамической установки с камерой Эйфеля и с выхлопом в атмосферу
2.5. Исследование процесса заполнения вакуумной емкости
2.6. Применение квазистационарных методов расчета при конструировании импульсных газодинамических устройств
2.7. Анализ конструкций и рабочих характеристик установок адиабатического сжатия газа
Основные результаты главы 2
Литература к главе 2
ГЛАВА 3. Опыт разработки и создания газодинамических установок кратковременного действия
3.1. Газодинамическая установка «Транзит»
3.2. Модельная аэродинамическая установка МАУ
3.3. Проект аэродинамической трубы кратковременного действия с числом Маха потока от 2 до 7
3.4. Импульсная аэродинамическая труба «Транзит - М»
3.5. Гиперзвуковая аэродинамическая труба АТ-303
3.6. Проект трансзвуковой криогенной трубы
3.7. Способ повышения числа Рейнольдса в гиперзвуковом потоке
Основные результаты главы 3
Литература к главе 3
ГЛАВА 4. Вопросы измерений в быстропротекающем газодинамическом эксперименте
4.1. Анализ требований к измерительным системам в газодинамических установках кратковременного действия
4.2. Учет реальных свойств газов при расчетах характеристик высокоэнергетических газодинамических установок
4.3. О точности определения параметров потока в газодинамических установках с высокими параметрами торможения
4.4. Динамическая погрешность пневмотрасс
4.5. Динамические методы измерения давления
4.6. Динамические погрешности при испытаниях воздухозаборников
4.7. Весовые измерения в установках кратковременного действия
4.8. Система автоматизации эксперимента современной аэродинамической установки кратковременного действия АТ-303
Основные результаты главы 4
Литература к главе 4
ГЛАВА 5. Применение установок кратковременного действия для исследования проблем газотермодинамики перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов
5.1. Исследование поля скоростей и тепловых потоков в гиперзвуковом коническом сопле
5.2. Аэродинамические характеристики эталонной модели НВ-2
5.3. Характеристики модели «гиперболоид вращения с юбкой» в диапазоне значений числа Рейнольдса
5.4. Исследования аэродинамики возвращаемых летательных аппаратов при натурных значениях чисел Рейнольдса
5.5. Многокомпонентные измерения аэродинамических сил в трубе кратковременного действия "Транзит-М"
5.6. Исследование процессов разделения тел. Модификация метода CST
5.7. Измерение расходной характеристики эталонного воздухозаборника в установке кратковременного действия
5.8. Измерение характеристик воздухозаборника методом присоединенной емкости
5.9. Экспериментальное исследование тягово-аэродинамических характеристик работающего ПВРД в импульсной аэродинамической трубе
5.10. Испытания прямоточного двигателя твердого топлива в аэродинамической установке кратковременного действия
5.11. Испытания модельного ГПВРД в новой гиперзвуковой трубе АТ-303
Основные результаты главы 5
Литература к главе 5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рисунки к введению
Рисунки к главе 1
Рисунки к главе 2
Рисунки к главе 3
Рисунки к главе 4
Рисунки к главе 5
Акты об использовании результатов диссертационной работы

Исследования по проблемам полета с гиперзвуковой скоростью в атмосфере Земли интенсивно проводятся в ведущих странах мира начиная с 50-х годов прошлого столетия в связи с появлением межконтинентальных баллистических ракет и выходом человека в космос. Проводимые исследования по конечным целям, в соответствии со сложившейся практикой развития техники сверхскоростных полетов, разделяются на два направления:
а) обеспечение задач современной космонавтики. Все космические летательные аппараты, созданные к настоящему времени, выполняют кратковременный гиперзвуковой полет в атмосфере во время выхода на орбиту или спуска на землю. Однако атмосфера в ракетостроении рассматривается как враждебный противодействующий фактор для полета. На рис. 0-1 показаны типичные траектории полета различных гиперзвуковых аппаратов в атмосфере Земли. Из рисунка можно видеть, что ракетный старт и вывод на орбиту предполагают быстрый подъем на большую высоту при сравнительно небольших скоростях полета. При возвращении космических аппаратов с орбиты основное торможение по условиям допустимых перегрузок происходит также на большой высоте. И только головные части баллистических ракет (МБРР), выполняя специфические задачи, входят в атмосферу с огромной скоростью. Основным содержанием исследований этого направления является кратковременная защита летательного аппарата от неблагоприятного теплового или силового воздействия воздуха. Как показала практика, данный подход позволил при ограниченных научных и технологических возможностях быстро достичь впечатляющих результатов за счет огромных материальных затрат.
б) создание новых гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), способных выполнять продолжительный полет в атмосфере и использующих воздух для обеспечения своего полета. При полете ГЛА атмосферный воздух используется для работы силовой установки (воздушно-реактивного двигателя - ВРД) и для создания подъемной силы. За счет этого принципиально повышается экономическая и техническая эффективность скоростных летательных аппаратов, что открывает новые перспективы их использования. Задачей перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) является продолжительный полет с большой скоростью в атмосфере Земли и рассматриваемые траектории их попета (см. рис. 0-1) заведомо предполагают огромные динамические и тепловые нагрузки на летательный аппарат. На рис. 0-2 показаны тяговые характеристики прямоточных двигателей, использующих атмосферный воздух в качестве окислителя. Видно, что в диапазоне М = 5 - 15 прямоточные двигатели на порядок эффективнее существующих ракетных двигателей и это обстоятельство является основным побудительным мотивом для их разработки
Применение атмосферного воздуха является основой современной авиационной техники, освоившей диапазон скоростей до М = 3. В то же время разработка ГЛА с ВРД для диапазона скоростей от М = 5 до М = 20 представляет собой новую и весьма трудную задачу в силу новизны и сложности возникающих аэрогазодинамических и теплофизических проблем, требующих получения новых знаний и накопления достаточного научного задела в самых различных областях фундаментальных и прикладных наук. Именно недостаток знаний создает ситуацию, когда все разработки в области ГЛА до сих пор носят в основном поисковый характер. Основным направлением работ по данной тематике в настоящее время остается накопление научного и технического потенциала, отработка методов исследования, получение результатов при решении отдельных задач, которые в дальнейшем будут служить основой создания реальных конструкций ГЛА.
Перечень конструкций и областей применения ГЛА, предлагаемых для практической реализации, непрерывно расширяется и конкретизируется. Однако реализация подобных проектов в значительной степени зависит от успешного решения задач аэротермодинамики планера, газодинамики и процессов горения и смешения в воздушно-реактивных двигателях, от выбора оптимальной компоновки планера, воздухозаборника соплового блока. Создание

Следует отметить, что в импульсных трубах, равно как и в других наземных установках, не обеспечиваются [7]:
1. Создание малотурбулентного незагрязненного потока, набегающего на модель. Влияние турбулентности и загрязнений на характеристики смешения и горения требует проверки возможностей переноса получаемых результатов на натурные условия.
2. Создание и исследование переходных режимов работы ПВРД (разгон, изменение углов атаки и т.д.).
3. Испытания крупногабаритных летательньж аппаратов, использующих ПВРД.
4. Подтверждение выбранной техники моделирования и критериев переноса полученных результатов на натурные условия.
5. Испытание систем теплозащиты конструкции, хотя надо иметь в виду, что вопрос о такого рода испытаниях еще просто не ставился.
В настоящее время выдвинуто большое количество предложений о применении ГЛА с ПВРД самых различных размеров, типов и конфигураций. Понятно, что заранее трудно угадать, какие концепции окажутся перспективными для разработки, применение и развития. Но можно предсказать, что развитие техники моделирования ПВРД путем испытаний в наземных установках и, в частности, в установках кратковременного действия, является той базой, на основе которой можно разрабатывать любую из концепций.
1.3. Современные газодинамические установки кратковременного действия.
В соответствии с принятым в данной работе определением, под установками кратковременного действия понимаются газодинамические установки с продолжительностью рабочего режима не более 1 с. Несмотря на огромное разнообразие конструкций установок, попадающих в указанный диапазон, по принципам функционирования их можно объединить в небольшое количество основных групп:
1. Ударные трубы.
2. Ударные трубы адиабатического сжатия (с тяжелым поршнем).
3. Ударные трубы типа Людвига.
4. Электроразрядные (импульсные) аэродинамические трубы.
5. Трубы адиабатического сжатия.
На рис. 1-13 показан диапазон продолжительности рабочего режима для перечисленных групп газодинамических установок. Видно, что в районе 1 с можно провести четкую границу между установками кратковременного действия и существующими аэродинамическими трубами стационарного действия. С целью обобщения следует отметить, что нет принципиальных затруднений в том, чтобы уменьшить продолжительность работы обычных аэродинамических труб с истечением из баллонов до 1 - 10 с и, тем самым перевести их в разряд установок кратковременного действия. Такое направление незначительно усложняет проблемы и точность измерений, но существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию. Известно несколько примеров труб с продолжительностью работы в несколько секунд. Так крупнейшая гиперзвуковая аэродинамическая труба №9 в АЕБС (США) имеет продолжительность рабочего режима от 0,3 до 6 с [44]. Подобный подход был использован при создании газодинамической установки МАУ, конструкция которой описана в главе 3.
Список основных труб кратковременного действия и их характеристики приведены в таблице 1-2.
Таблица 1 -2. Основные установки кратковременного действия.
Установка Страна Ро, бар То, К Диаметр Числа Время ра- Числа Рей-
среза со- Маха бочего ре- нольдса
пла, мм жима, мс Че-КГ6, 1/м