CC BY
18
УДК 629.78
СПЕКТРОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВА ГАЗА В УДАРНОМ СЛОЕ ПЕРЕД МОДЕЛЯМИ ОБЪЕКТОВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В ГИПЕРЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ ИТ-1М
С. А. Поняев, Е.А. Прокопенко, Н.П. Савищенко, С.В. Данещик, А.Р. Ротэрмель
Рассматриваются результаты исследования параметров потока гиперзвуковой импульсной аэродинамической трубы ИТ-1М аэродинамической лаборатории ВКА имени А.Ф. Можайского, выполненного с использованием нового экспериментального оборудования. Приведён состав измерительно-регистрирующего оборудования, включающего спектрограф и скоростную цифровую видеокамеру. Приведены результаты определения состава рабочего газа в струе.
Ключевые слова: импульсная аэродинамическая труба, гиперзвуковой поток, спектрограмма, экспериментальные исследования.
При выполнении расчетных исследований обтекания элементов конструкции объектов ракетно-космической техники (РКТ) на гиперзвуковых скоростях необходима верификация полученных результатов - сравнение картин течения и параметров потока с данными экспериментов. При этом важнейшее значение имеет правильное определение состава газа, обтекающего модель в лабораторном эксперименте.
Рис. 1. Импульсная гиперзвуковая аэродинамическая труба ИТ-1М
В аэродинамической лаборатории академии для проведения экспериментальных исследований используется импульсная гиперзвуковая аэродинамическая труба ИТ-1М, (рис. 1), которая имеет следующие технические характеристики:
- рабочая часть цилиндрическая 0500X500 мм;
- сверхзвуковое сопло коническое, угол раствора 0=15°, диаметр критического сечения ^р=2мм, диаметр среза сопла й?а=200мм;
- объем разрядной камеры й=100 см3;
- рабочий газ - азот, начальное давление азота в камере перед пуском ^н=90...150-105Па;
- электрическая ёмкость батареи конденсаторов 5600мкФ, напряжение 5000В;
- начальное статическое давление в рабочей части перед пуском р~ 40.50
Па;
- параметры в разрядной камере при пуске: давление р01~1200-105 Па, температура Т01-2900К;
- давление торможения за прямым скачком уплотнения в критической точке на поверхности модели р02~0,18 105 Па;
- продолжительность установившегося течения до т ~20-мс;
445
- реализуемое число Маха потока М=16.. .18.
Разогрев рабочего газа в форкамере при запуске импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубы ИТ-1М производится за счет электрического разряда [1]. Электрический разряд инициируется путем замыкания межэлектродного промежутка нихромовой проволочкой диаметром 0,6 мм. Поэтому формирующаяся в сопле струя кроме азота может содержать частицы как расплавленной поджигающей нихромовой проволочки, так и стального неподвижного электрода, которые оплавляются при разряде или даже пары металлов. Это может негативно сказаться на точности расчета показателя адиабаты и, как следствие, всех других параметров потока.
Рис. 2. Свечение плазмы в области ударного слоя вблизи поверхности модели на гиперзвуковой скорости (М=16)
Поскольку при работе гиперзвуковой аэродинамической трубы рабочий газ в ударном слое перед моделью разогревается до высоких температур (рис. 2), для оценки состава газа, истекающего из сопла, использован метод спектрального исследования свечения плазмы в области ударного слоя вблизи поверхности модели [2]. Для этих целей экспериментальный комплекс аэродинамической трубы ИТ-1М был дополнен новым исследовательским оборудованием, включающим спектрограф FT-150/12 производства СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Фото и видео регистрация процесса велась с применением видеокамеры SONY RX10M4 с частотой 1000 кадров в секунду. Схема экспериментального комплекса представлена на рис. 3 и 4, а его фотография - на рис. 5.
Рис. 3. Схема экспериментального комплекса для спектрографических исследований состава газа в струе 446
В целях повышения достоверности эксперимента для исследования состава газа была выбрана наиболее ярко светящаяся область ударного слоя в районе критической точки модели. Для локализации исследуемой области была использована фокусирующая оптическая система, состоящая из двух двояковыпуклых линз в оправе. Предварительно для юстировки фокуса оптической системы использовался луч, направленный в обратном направлении, как показано на рис. 4. Для этого использовалась электрическая лампа, установленная в фокусе выходной линзы оптической системы. При правильной юстировке на листе белой бумаги, установленном в исследуемой области, необходимо получить четкое изображение светящейся спирали электролампы.
Рис. 4. Схема юстировки оптической системы
Рис. 5. Экспериментальный комплекс для спектрографических исследований состава газа в гиперзвуковой струе: 1—рабочая часть аэродинамической трубы ИТ-1М; 2 — оптическая фокусирующая система;
3 — световод; 4 — спектрограф ГТ-150/12
Спектрограмма свечения плазмы ударного слоя вблизи передней критической точки модели ГЛА представлена на рис. 6. Как видно из спектрограммы, максимум спектральных линий приходится на длину волны, равную приблизительно 345 нм, что соответствует спектру излучения молекулярного азота. Спектральные линии, соответствующие частотам излучения металлов, из которых выполнены конструкционные материалы аэродинамической трубы (железа, никеля, хрома и меди), на спектрограмме отсутствуют.
Рис. 6. Спектрограмма свечения плазмы ударного слоя вблизи передней критической точки модели ГЛА: по оси абсцисс указана длина волны спектральной линии (нм), а по оси ординат - процент спектральных линий определённой длины волны
На основании анализа результатов спектрографических исследований было сделано предположение о том, что образовавшиеся на этапе существования электрической дуги относительно мелкие частицы расплавленного металла устремляются вместе с потоком разогретого газа в сопло. Далее они охлаждаются в струе в условиях существенного охлаждения газа в процессе дросселирования через сверхзвуковое сопло. За время пролета в сопле расплавленные частицы металла переходят в твердое состояние. Далее, попадая в область высокотемпературного ударного слоя они не успевают расплавиться и уносятся потоком.
Для более детального подтверждения высказанных предположений были проведены эксперименты по фото- и видеорегистрации процесса обтекания модели летательного аппарата гиперзвуковым потоком в рабочей части трубы ИТ-1М.
Рис. 7. Фотография обтекания модели гиперзвуковым потоком в ИТ-1М
(время экспозиции 0,050 с)
Был выполнен анализ видеозаписей и фотографий обтекания элементов конструкции РКТ в рабочей части трубы ИТ-1М. Так, на рис.7 представлена картина обтекания модели гиперзвукового летательного аппарата при угле атаки а=20о, заснятая на цифровой камере в режиме обычной фотографии без подсветки дополнительными источниками света. Эта фотография выполнена с временем экспозиции т=0,05с, что соот-
ветствует всему времени существования гиперзвуковой струи. На фотографии запечатлен весь процесс обтекания от начала формирования струи до завершения истечения, поэтому на снимке видны кроме высокотемпературного ударного слоя перед моделью еще и траектории частиц в гиперзвуковой струе (на фотографии это параллельные линии 1), а также траектории отраженных от поверхности модели частиц (2). На рис. 8 представлен кадр видеозаписи обтекания той же модели, на котором виден момент соударения частицы с поверхностью.
Рис. 8. Отражение частицы, летящей в гиперзвуковой струе, от поверхности модели (кадр видеосъемки)
Эти снимки свидетельствуют, что частицы металла, вылетающие из сопла, находятся в твердом состоянии и за время нахождения в плазме ударного слоя не успевают нагреться до плавления и тем более не успевают перейти в парообразное состояние. Таким образом, их влияние на состав газа в струе и ударном слое вблизи поверхности модели и, соответственно, на показатель адиабаты можно считать несущественным.
Выводы:
1. В целях исследования состава газа в струе гиперзвуковой аэродинамической трубы ИТ-1М была создана новая экспериментальная установка, включающая спектрометр.
2. Результаты спектрометрических исследований, дополненные анализом картин течения, полученных в ходе фото- и видеорегистрации процесса, показали наличие чистого азота и отсутствие в ударном слое вблизи поверхности модели паров металлов.
3. При сопоставлении результатов экспериментальных и расчетных исследований обтекания элементов конструкции объектов РКТ на гиперзвуковых скоростях можно использовать показатель адиабаты для чистого азота.
Список литературы
1. Харитонов А.М. Техника и методы аэрофизического эксперимента. Ч.1. Аэродинамические трубы и газодинамические установки: учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. 220 с.
2. Нагибина И.М., Прокофьев В.К. Спектральные приборы и техника спектроскопии. Ленинград, Изд-во «Машиностроение», 1967. 324 с.
Поняев Сергей Александрович, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, аЫоп. го1егте1@,таИ. ги, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Прокопенко Евгений Алексеевич, канд. техн. наук, начальник 251 лаборатории (НИ) - старший научный сотрудник, anton. rotermelamail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Савищенко Николай Петрович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник 173 лаборатории (НИ), anton. rotermela mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Данещик Сергей Валентинович, канд. воен. наук, начальник 173 лаборатории (НИ) - старший научный сотрудник, sergey dv 83amail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Ротэрмель Антон Ростиславович, канд. техн. наук, начальник 172 лаборатории (НИ) - старший научный сотрудник, anton.rotermelamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
SPEC TROGRAPHIC STUDIES OF THE GAS COMPOSITION IN THE SHOCK LAYER IN FRONT OF MODELS OF ROCKET AND SPACE TECHNOLOGY OBJECTS DURING EXPERIMENTS IN THE HYPERSONIC WIND TUNNEL IT-1M
S.A. Pinaev, E.A. Prokopenko, N.P. Shvidenko, A.R. Rothermel
The article discusses the results of a study of flow parameters in hypersonic impulse wind tunnel it-1M aerodynamic VCA lab named after A. F. Mozhaisky made using the new experimental equipment. The composition of measuring and recording equipment including spectrograph and high-speed digital video camera is given. The results of determining the composition of the working gas in the jet are presented.
Key words: impulse wind tunnel, hypersonic flow, spectrogram, experimental studies.
Panaev Sergey Alexandrovich, candidate of physico-mathematical sciences, senior researcher 172 of the laboratory (NOR), anton. rotermela mail. ru, Russia, St. Petersburg, military space Academy named after A.F. Mozhaysky,
Prokopenko Evgeny Alexeyevich, candidate of military sciences, the head 251 of the laboratory (NI) - senior researcher, anton. rotermela mail. ru, Russia, St. Petersburg, military space Academy named after A.F. Mozhaysky,
Shvidenko Nikolai Petrovich, candidate of technical sciences, senior researcher of 173 laboratories (NI), anton.rotermela mail.ru, Russia, St. Petersburg, military space Academy named after A.F. Mozhaysky,
Daneshchik Sergey Valentinovich, candidate of military sciences, the head 173 of the laboratory (NI) - senior researcher, sergey dv 83amail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named A.F. Mozhaysky,
Rothermel Anton Rostislavovich, candidate of technical sciences, the head 172 of the laboratory (NI) - senior researcher, anton. rotermela mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named A.F. Mozhaysky
