Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО МОДЕЛИРОВАНИЯ УДАРНО-СЖАТОГО СЛОЯ

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к устройствам с управляемой газоразрядной плазмой, и может быть использовано для испытаний теплозащитных материалов, а также при разработке оптических систем наблюдения за объектами, движущимися в атмосфере с гиперзвуковой скоростью.

Задача моделирования ударно-сжатого слоя (УСС) представляется актуальной в связи с необходимостью разработки новых оптических методов обнаружения и селекции гиперзвуковых объектов, а также при решении технической задачи создания новых теплозащитных материалов, способных длительно выдержать воздействие УСС.

Обычно, при моделировании, например, условий входа тел в атмосферу, использовались процессы, связанные с созданием сверхбыстрых газовых струй. Высокие скорости и, связанный с ними, большой расход газовых смесей сильно ограничивает длительность существования струи с требуемыми параметрами. Для увеличения времени на проведение эксперимента использовали горячие потоки газа, как, например, аэродинамические трубы с электродуговыми нагревателями, плазмотроны или ракетные двигатели. Однако, времена, отводимые на сам эксперимент, по-прежнему оставались слишком малыми. Сложности создания с помощью ударных труб необходимых высокоэнтальпийных стационарных потоков привели к возникновению идеи реализации аэродинамических процессов с электродуговым нагревом рабочего газа.

Так, например, известно устройство моделирования УСС [1], включающее инициирование газового разряда, формирование плазмы в форкамере путем нагревания газа электрическим дуговым разрядом и создание гиперзвукового потока нагретого газа. Установки, созданные на основе такого устройства, используются при испытаниях теплозащитных материалов и воспроизводят энтальпию торможения и конвективные тепловые потоки на поверхности материала. Однако, газовый поток в таких установках загрязнен продуктами эрозии электродов, в струе высоки пульсации температуры, плотности, скорости.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для моделирования УСС [Пат. РФ №2661345, МПК Н05Н 01/42 приор. 06.03.2017], включающее помещенный в магнитное поле диэлектрический лоток, покрытый изнутри соединенными с объединенными выходами управляемого тиристорного источника питания и блока инициирования, управляющие входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления.

Такое устройство для моделирования УСС обеспечивает возможность формирования плазмы, полностью аналогичной плазме УСС. Причем моделируются параметры УСС в широких пределах функционирования гиперзвуковых объектов, движущихся на высотах от 30 до 60 км со скоростями от 3 до 12 км/с.

Однако, такое устройство не позволяет исследовать образцы материалов, проводящих электрический ток. В то же время, как правило, обладающие значительной электропроводностью графитовые материалы и, в частности, углепластики и углерод- углеродные композитные материалы, которые уже сейчас используются для защиты от перегревов, имеют широкие перспективы в этом техническом направлении.

Нами предложено устройство для моделирования УСС, позволяющее проводить испытания любых образцов материалов, используемых для облицовки гиперзвуковых объектов различного назначения, включая и токопроводящие материалы.

Такой технический результат получен нами, когда в устройстве моделирования ударно-сжатого слоя, включающем помещенный в магнитное поле диэлектрический лоток с образцом материала, аналогичного материалу гиперзвукового объекта, инициатором газового разряда и размещенными на его торцах электродами, соединенными с объединенными выходами управляемого источника питания и блока инициирования, управляющие входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, образец материала размещен в центре лотка в углублении его дна заподлицо с внутренней поверхностью лотка, размер образца материала в направлении между электродами не превышает 0,2 от расстояния между электродами, а инициатор газового разряда размещен изолированно от образца материала.

Для повышения надежности инициирования электрического разряда в случае токопроводящего образца материала в устройство дополнительно введен делитель напряжения из резисторов, включенных последовательно между электродами, а общая точка соединения резисторов соединена с образцом материала. (См. п. 2 Формулы).

Если необходимо минимизировать пульсации тока газового разряда, то управляемый источник питания выполнен в виде источника постоянного напряжения с нагрузкой из преобразователя постоянного напряжения. (См. п. 3 Формулы).

Если необходимо долговременно стабилизировать параметры плазмы, то источник питания выполнен с обратной связью по току нагрузки. (См. п. 4 Формулы).

Если необходимо минимизировать концентрацию материала электродов в плазме, то электроды выполнены из тугоплавкого материала с высокой энергией испарения, например, молибдена или вольфрама. (См. п. 5 Формулы).

На фигуре представлена функциональная схема заявленного устройства моделирования ударно-сжатого слоя, включающего помещенный в магнитное поле 1 диэлектрический лоток 2 с образцом 3 материала, инициатором 4 газового разряда и электродами 5 и 6, управляемый источник 7 питания, блок 8 инициирования газового разряда, блок 9 управления и делитель напряжения из резисторов 10 и 11.

Работает устройство следующим образом.

Перед проведением запуска определяются расчетным путем габариты газового разряда, величины индукции магнитного поля, тока разряда и напряжения на плазменном канале по заданным параметрам ударно-сжатого слоя: давлению и энтальпии в слое. Эти параметры, в свою очередь, зависят от высоты полета гиперзвукового объекта, его скорости и динамики ее изменения, а также геометрической формы объекта.

Подходы к определению указанных параметров магнитного поля и параметров питания газоразрядной плазмы определены в прототипе.

В исходном состоянии в углублении в днище лотка 2 располагается образец 3 материала, между электродами 5 и 6 устанавливается инициатор 4 - обычно полоска алюминиевой фольги. Если образец 3 материала состоит из проводящего материала, то инициатор 4 должен быть изолирован от образца 3. В противном случае могут реализоваться во время запуска устройства условия, при которых разряд не сможет поджечься из-за перераспределения электрического поля в межэлектродном промежутке. Затем включается магнитное поле 1 и устанавливается заданная величина магнитной индукции. В блок 9 управления вводятся и там запоминаются сигналы управления источником 7 питания по амплитуде, форме и длительности. Источник 7 питания и блок 8 инициирования газового разряда приводятся в исходное состояние. Но на их выходах напряжения отсутствуют из-за отсутствия на входах управляющих напряжений.

Для запуска устройства моделирования УСС на управляющий вход источника 7 питания с первого выхода блока 9 управления подается ранее заданное управляющее напряжение, и на его выходе появляется и нарастает выходное напряжение. Одновременно со второго выхода блока 9 управления подается сигнал включения блока 8 инициирования газового разряда. Блок 8 инициирования газового разряда формирует фактически на инициаторе 4 газового разряда мощный импульс тока. Инициатор 4 газового разряда взрывается, образуя исходный плазменный канал. По образовавшемуся плазменному каналу начинает протекать ток источника 7 питания и формируется в лотке 2 магнитоприжатый электрический разряд. В плазме разряда повышается температура, что ведет к испарению и насыщению плазмы материалом, с которым плазма имеет контакт. Разряд растекается по поверхности, к которой его прижимает магнитное поле, заполняя собой внутреннее пространство лотка 2 и вытекая за пределы лотка 2 через его торцы. В центре разрядного промежутка, где располагается образец 3 материала, движение плазмы практически отсутствует. Поэтому параметры и состав разрядной плазмы в этом месте имеет параметры, соответствующие параметрам критической точки моделируемого ударно-сжатого слоя. По мере приближения к электродам 5 и 6 скорость течения плазмы вдоль поверхности образца 3 материала возрастает, как это имеет место при обтекании воздухом движущегося гиперзвукового объекта при удалении от критической точки УСС.

При токопроводящем образце 3 материала целесообразно внешним делителем из резисторов 10 и И задать потенциал образца 3 материала такой величины, какая существует в центре разрядного промежутка в установившемся разряде. Такая фиксация потенциала образца 3 материала помогает устранить возможные стартовые колебания потенциала образца 3 и дополнительно несколько увеличивает напряженность электрического поля при формировании области катодного падения в разряде. Тем самым повышается стабильность и надежность поджига разряда.

Источник 7 питания на выходе всегда имеет пульсации напряжения. Соответственно этим пульсациям будут изменяться во времени и исследуемые параметры образца материала, что понижает качество моделирования УСС. Поэтому вместо обычно применяемых в мощных установках тиристорных выпрямителей целесообразно источник 7 питания выполнить в виде источника постоянного напряжения с нагрузкой из преобразователя постоянного напряжения, в котором частота преобразования напряжения может быть очень высокой. При высокой частоте преобразования электрической энергии амплитуда пульсаций выходного напряжения может быть сильно понижена. Так, для современных IGBT модулей с рабочими токами в несколько килоампер допустимы частоты в несколько килогерц, что значительно превышает обычную частоту тиристорных выпрямителей, равную 300 Гц.

В процессе работы предложенного устройства для моделирования УСС из-за высоких температур соприкасающейся с внутренними поверхностями лотка 2 газоразрядной плазмы происходит интенсивное испарение материала лотка 2. Последнее ведет к выгоранию дна и стенок лотка 2 и к изменению его геометрических размеров уже в процессе проведения эксперимента. Соответственно, нарушаются и установленные для моделирования УСС технические требования. В частности, увеличение размеров лотка 2 ведет к снижению тока, который является одним из основных параметров модели УСС. Для исключения изменения тока в процессе проведения эксперимента целесообразно ввести в сигнал управления источником 7 питания обратную связь по выходному току источника 7 питания. Тогда изменения размеров лотка 2 практически не будут сказываться на точности моделирования УСС даже при работе устройства в режиме формирования относительно длинных, например, секундных, импульсов тока.

Обычно магнитоприжатый разряд используют для формирования достаточно длинных (до 10 секунд) импульсов света. При этом применяются угольные электроды, для сохранения на таких длительностях конфигурации электродного промежутка. Однако угольные электроды хорошо испаряются в разряде и, соответственно, могут исказить излучательные характеристики образца 3 материала. Учитывая, что при моделировании УСС требуемые времена эксперимента не превышают долей секунды, целесообразно выполнять электроды 5 и 6 в устройстве для моделирования УСС из тугоплавких материалов, например, из молибдена или вольфрама.

Макет плазменного имитатора УСС на основе заявленного устройства для моделирования УСС был изготовлен и испытан в нашей организации с образцами различных материалов, применяемых для теплозащитных покрытий гиперзвуковых объектов. Для испытаний выбирались образцы материалов покрытий для объектов, движущихся в атмосфере со скоростями 3-8 км/с на высотах 30 - 60 км, как диэлектрические, например, стеклофенольный пластик, так и токопроводящие графитовые материалы.

Лоток 2 для формирования плазмы и установки образца 3 материала изготавливался из фибры и имел внутренний межэлектродный промежуток с размерами 70 на 20 мм. Размер образцов 3 материалов в направлении электродов не превышал 14 мм; их толщина достигала 4 мм. Однородное прижимающее магнитное поле 1 создавалось в зазоре электромагнита размерами 80×80×40 мм. Величина индукции достигала 2.2 Тл при токе обмоток 500 А. Питание электромагнита осуществлялось от тиристорного выпрямителя ЭКТ500/440. В качестве источника 7 питания использовался 3-х фазный мостовой диодный выпрямитель с подключенным к его выходу специально разработанным ШИМ преобразователем ПП-ПППТ-6,5к-600-И, который работал с частотой преобразования 12 кГц. Такой источник 7 питания обеспечивал в нагрузке выходной ток величиной до 6,5 кА при напряжении 600 В. Для инициирования разряда в лотке 2 электроды 5 и 6 соединялись между собой узкой полоской алюминиевой фольги, служащей инициатором 4 газового разряда. В качестве блока 8 инициирования разряда использовались конденсатор типа К75-28 (емкость 100 мкФ), исходно заряженный до напряжения около 3 кВ, и управляемый ингитронный разрядник типа ИРТ-6 с токоограничивающим резистором величиной около одного Ома. Через игнитронный разрядник и токоограничивающий резистор конденсатор разряжался на инициатор 4 газового разряда, возбуждая в лотке 2 начальный плазменный канал. Ввод энергии источника 7 питания в этот канал в присутствии прижимающего магнитного поля 1 приводил к образованию в лотке 2 плазмы с требуемыми для моделирования УСС параметрами. В качестве блока 9 управления использовался компьютер с платой L-502, обеспечивающей непосредственное управление внешними устройствами.

Во всех пусках при любом исследуемом образце материала газовый разряд надежно поджигался и подхватывался источником питания. Измерение параметров излучения моделируемого УСС проводилось с помощью калиброванных фотоэлементов в трех спектральных интервалах: в УФ диапазоне на длинах волн от 200 до 400 нм (λ_max = 360 нм), в видимом - от 400 до 650 нм (λ_max = 555 нм) и в ИК диапазоне - от 650 до 1100 нм (λ_max = 730 нм). Яркостные температуры в этих спектральных диапазонах были близки по значениям и достигали величин на уровне 5000°К. Энергетическая светимость в диапазоне от 300 до 1100 нм достигала 1500 Вт/см². Спектральные яркости измерялись спектрометром Ocean Optics. В УФ области спектра наиболее контрастными оказались линии кремния SiI (λ=288.1 нм) и графита CI (λ=241.8 нм) соответственно для стеклофенольного пластика и графитового образца.

Таким образом, предложенное устройство для моделирования УСС позволяет воспроизводить основные параметры УСС, включая его оптическое излучение, для гиперзвуковых объектов, движущихся в атмосфере со скоростями от 3 до 8 км/с на высотах от 30 до 60 км, с любым теплозащитным покрытием, в том числе, в отличие от устройства прототипа, и с токопроводящим.

Литература.

1. В. Уоррен, Н. Диаконис. Моделирование гиперзвуковых условий с помощью воздушной электрической дуги. Исследование гиперзвуковых течений. Пер. с англ. М.: Мир, 1964. с. 470-499.