CC BY
44
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м XII 19 8 1
№ 1
УДК 538.4; 551.591
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОННОГО РАЗРЯДА С МОДЕЛЕЙ ПАССИВНЫХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ
И. И. Гузна, А. В. Подмазов, Б. В. Пономарев, Г. М. Франяук
Анализируются особенности вольт-амперных характеристик коронного заряда с моделей пассивных нейтрализаторов в до- и сверхзвуковом газовом потоке. Получена универсальная полуэмпирическая зависимость электрического тока от перенапряжения коронного разряда и электрического числа Рейнольдса. Рассматривается вопрос о взаимном электрогазодинамическом влиянии двух коронирующих моделей пассивных нейтрализаторов в сверхзвуковом потоке.
В настоящее время для нейтрализации электрического заряда летательных аппаратов (ЛА) применяются пассивные статические нейтрализаторы. На основании летного эксперимента на дозвуковых режимах полета было установлено, что ток коронного разряда с пассивного нейтрализатора примерно пропорционален заряду и скорости полета самолета [1]. В работе (2] получена эмпирическая вольт-амперная характеристика коронирующего острия, обдуваемого дозвуковым газовым потоком в аэродинамической трубе. Вольт-амперные характеристики коронирующего острия в газовом и аэрозольном потоках исследованы в работе [3]. 4 ? 9 /
Цель настоящей работы является эксперимен- ,
тальное изучение закономерностей коронного раз- —/ /
ряда с моделей пассивных нейтрализаторов в около-и сверхзвуковом потоках. Схема экспериментального стенда представлена на рис. 1. Исследования проводились в аэродинамической трубе 4 с перфорированными верхней и нижней панелями, размерами рабочего участка 0,15X0.15X0,4 м в диапазоне чисел М=0,6-н1,4. Модели статических разрядников выполнены в виде металлического шара 3 диаметром 0,03 м с установленными на нем разрядниками 1, 2 трех типов: иглы разрядника фирмы
„СЬеИоп" и штатного разрядника 552-АН с укороченной державкой. Металлическая державка разрядников обоих типов плавно переходит в диэлектрический полый конус, в котором помещена метелка из тонких коронирующих проволочек, электрически соединенных с державкой. Электрический потенци- “ ал моделей регулировался с помощью источника высокого напряжения 9 и измерялся киловольтмет- Рис. 1
Рис. 2
ром 8. Токи с моделей измерялись микроамперметрами 5, 6, 7. Начальный потенциал регистрировался по появлению импульсов Тричеля с помощью осциллографа 10.
При обтекании моделей разрядников сжимаемым потоком плотность газа в окрестности конуса или законцовки иглы, а следовательно, и начальный потенциал разрядников, зависит от скорости набегающего потока. При этом ток разрядника изменяется как в результате изменения скорости переноса ионов во внешней зоне разряда, так и вследствие изменения начального потенциала.
Характер изменения относительной плотности набегающего потока р^, относительной плотности рд и коэффициента давления рл на донном срезе разрядника „СЬеНоп" с ростом числа М показан на рис. 2 (рд = Рд/Ро. р<х> = Рсо/Ро> Ро—
плотность воздуха при нормальных условиях). Отметим, что уменьшение роо имитирует увеличение высоты полета ЛА, поэтому приведенные ниже результаты учитывают как влияние скорости, так и высоты полета.
Изменение плотности газа приводит к изменению подвижности ионов [4], что также оказывает влияние на ток коронного разряда с нейтрализатора. Подвижности ионов Лд и , соответствующие плотностям воздуха рд и рет , связаны соотношением = Роэ ^до/рд. Характер зависимости подвижности ионов во внешней зоне коронного разряда от переменной в пространстве плотности газа в первом приближении можно учесть введением средней подвижности £Ср = = (^д + *со)/2. Вид зависимостей £Д(М) и &ср(М) для разрядника „СЬеИоп" показан на рис. 2.
Зависимость начального потенциала г>0 от числа М для разрядника „СЬе11оп“ представлена на рис. 3 (штриховая кривая). Начальный потенциал имеет минимум при числе М = 1,2, так как плотность рд при этом числе М также минимальна. В целом характер зависимостей рд(М) и Уп(Щ качественно совпадает.
Вольт-амперные характеристики разрядника „СЬеИоп" Приведены на рис. 3 [сплошные кривые 1(0)]. Как и в несжимаемом газовом потоке увеличение приложенного потенциала (/ приводит к возрастанию тока / коронного разряда. Для развитого коронного разряда зависимость /(£/) при сравнительно больших числах М приближается к линейной. Особенности изменения плотности газа, начального потенциала и подвижности ионов за донным срезом исследованных моделей разрядников обусловили появление максимума тока при числе М= 1,2 [см. сплошные кривые /(М) на рис. 3], который отсутствует в несжимаемом потоке. Отметим, что аналогичный максимум тока при числе М = 1,2 зарегистрирован также для модели разрядника в виде иглы 2 (см. рис. 1), установленной по потоку [рис. 4, штриховые кривые /(М)], и для разрядника 552-АН.
Коронный разряд с иглы 1 (см. рис. 1), установленной против набегающего потока, имеет ряд особенностей. При трансзвуковом режиме течения ток с иглы 1 практически не изменяется с увеличением числа М [см. рис. 4, сплошные кривые, Д(М)] вследствие образования скачка уплотнения перед законцовкой коро-нирующего острия и уменьшения скорости потока за скачком. Если длина иглы превышает критическое значение (при /;'й > 10-н 15, где I — длина иглы, й—ее
диаметр), то увеличение скорой и приводит к „проколу* скачка уплотнения и перемещению его вдоль иглы в направлении скорости потока 15]. Для исследуемой модели появление „прокола* скачка уплотнения при числе М = 1,2 было зарегистрировано на теневой фотографии. Коронирующий участок иглы в этом случае располагается перед скачком уплотнения, во внешней зоне коронного разряда плотность газа уменьшается, подвижность и скорость переноса ионов увеличиваются. В результате при числе М>1,2 ток с иглы 1 резко возрастает [см. рис. 4, сплошные кривые, /*(М)].
Одновременная установка в шаре игл 1, 2 (см. рис. 1) позволила оценить взаимное электрогазодинамическое (ЭГД) влияние коронирующих разрядников. При коронировании иглы 2 в спутной одноименно заряженной ЭГД струе, образованной коронирующей иглой I, ток с иглы 2 [см. рис. 4, штрихпунктирные кривые, /2 (М)] существенно уменьшается по сравнению с током одиночной иглы 2 [см. рис. 4, штриховые кривые, /3(М)[. Уменьшение тока с иглы 2 происходит вследствие увеличения напряженности тормозящего электрического поля объемного заряда спутной ЭГД струи, образованной иглой 1.
Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о существенном различии характеристик коронного разряда в несжимаемом и сжимаемом газовых потоках.
Для описания экспериментальных данных эмпирическими зависимостями введем следующие безразмерные величины:
II ''со'
/= ——, /Я- — , А,--*—(О
£0 ^ср ^0
В соотношении (1) 2 — характерный линейный размер (в частности, длина разрядника или его модели), е0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, II, 170 — соответственно приложенный потенциал и потенциал начала коронирования модели разрядника; т — перенапряжение короны; /—ток коронного разряда; Ух — скорость газового потока; — электрическое число Рейнольдса, характеризующее соотношение между скоростью воздушного потока и скоростью переноса ионов в электрическом поле.
Обработка экспериментальных данных показала, что в около- и сверхзвуковом газовом потоке безразмерные вольт-амперные характеристики исследованных моделей разрядников, как и в случае несжимаемого потока [3], могут быть представлены в виде
7= (схт + с, /?э)(т— I). (2)
Здесь коэффициенты с, и Со характеризуют влияние на ток коронного разряда соответственно геометрии разрядного промежутка (образованного моделью разрядника и металлическими стенками аэродинамической трубы или специальным электродом-коллектором) и газодинамических особенностей воздушного потока во внешней зоне короны. Коэффициент сх равен тангенсу угла наклона прямой 70//л=/(т), где 70 — ток коронного разряда в неподвижном воздухе (при Л>э = 0) (на рис. 5 для разрядника ,СЬеИоп“ и прямая 2 для разрядника 552-АН). Коэффициент с2 равен тангенсу угла наклона прямой (/—/0)/(/и—1) = = /(Яэ) (1|а рис. 5 прямая 3 — для разрядника „СЬеИоп"), прямая—_для разрядника 552-АН). Линейный характер зависимостей /0/т = /(/и) и (7— /0)/(« — 1) = = /(1?э) подтверждает возможность использования формулы (2) для описания вольт-амперных характеристик коронного разряда в сжимаемом потоке.
В натурных условиях полета в облаке при зарядке самолета и коронирова-
нии разрядников в аэродинамическом следе за самолетом имеются заряженные
частицы противоположных знаков, плотность суммарного объемного заряда которых с удалением от самолега уменьшается до пуля в результате турбулентного перемешивания и рекомбинации частиц. В лабораторных условиях влияние поля указанного объемного заряда приближенно учитывалось установкой на определенном расстоянии I от вершины разрядника плоского электрода-коллектора в виде сетки, слабо искажающей газодинамические характеристики потока.
Как показали эти эксперименты, коэффициенты си с2 в формуле (2) зависят от I. Для пересчета данных, полученных в лабораторных условиях, на натурные необходимо установить вид зависимостей сх(Ь.) и с3(Л). Соответствующие кривые из [3] с, (Г), с2(1), где 1=/.//, приведены на рис. 5.
С ростом I коэффициент с2 (кривая 5) убывает и при Ь > 1,5 остается
практически постоянным, а коэффициент (кривая 6) при £>3 стремится к нулю.
Рис. 5
В промежутках (/.^>3) при большой скорости внешнего потока и фиксированном перенапряжении т выполняется неравенство с2/?э с1 т и выражение (2) приближенно можно заменить соотношением
1= с2 /?э (т — 1).
Данное соотношение согласуется с эмпирической формулой, полученной на основании летных экспериментов [1). Отметим, что значения коэффициента с2 для разрядника 552-АН, полученные соответственно по экспериментальным данным на модели в аэродинамической трубе и в процессе летных испытаний на самолете АН-24, совпали с погрешностью = 10%, что свидетельствует о возможности моделирования характеристик самолетных разрядников в наземных условиях.
Приведенные выше результаты экспериментального исследования моделей статических разрядников доказывают, что эмпирическая зависимость (2) является универсальной и описывает безразмерный ток коронного разряда как в несжимаемом, так и в сжимаемом газовом потоке. При моделировании в аэродинамической трубе характеристик коронного разряда с пассивных разрядников, кроме равенства безразмерных критериев т и должно выполняться условие
с2/?э>с1ти. Если данному неравенству удовлетворить нельзя, то можно осуществить пересчет характеристик разрядника на натурные условия, если с2 (Л)=сопв1.
Авторы выражают искреннюю признательность В. Р. Бертыню и В. В. Ушакову за внимание к работе и обсуждение результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. И м я н и т о в И. М. Электризация самолетов в облаках и осадках. Л., Гидрометеонздат, 1970.
2. Chapman S. Corona point current in wind. „Journal of Geophisal Research", vol. 75, N 12, 1970.
3. У ш а к о в В. В. „Электрогазодинамические струи и системы управления электростатическим зарядом летательных аппаратов", автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, КНИГА, Киев, 1979.
4. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах. М.— Л., Гостехиздат, 1950.
5. Чжен П. Отрывные течения, т. 2. М., „Мир", 1973.
Рукопись поступила 2JXII 1979 г.
12—.Ученые записки ЦАГИ" № 1
