Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Возникновению ракетно-космической и аэрокосмической техники предшествовало, в частности, создание высокотемпературных (плазменных) аэродинамических труб. В них при Ма > 20 (и - 8 км/с) исследуются главным образом теплозашитные покрытия спускаемых в атмосфере Земли космических аппаратов. Воздух в форкамере этих труб, имея давление в 100 атм, нагревается электродуговым способом до 6000 К и более, а время эксперимента составляет несколько секунд.
14.2. Баллистические установки и ударные трубы В аэродинамической трубе испытуемая модель покоится, движется же воздух. Можно поступить иначе: в неподвижный воздух выстреливать модель. Согласно принципу относительности движения, оба рассмотренных случая эквивалентны. Однако, практически между ними эквивалентность неполная, ибо воздух, при своем движении в каналах аэродинамической трубы, испытывает всякого рода возмущения, в частности, турбулизуется на стенках трубы.
В баллистических методах (метание тел) есть и свои преимущества н свои недостатки, Например, они требуют экспресс-измерений и способов регистрации быстропротекаюших процессов. Зато метание тел позволяет изучать газовые потоки при космических скоростях.
Максимальные скорости метания в артиллерийских системах что-то около 1 —: 2 км/с. Это мало для наших целей, нбо нам нужны скорости выброса порядка 10 км/с. Рассматривая в 8 11.4 сильные ударные волны, мы получили выражение лдя скорости распространения ударной волны (14.6) где р~ — плотность газа перед ударным скачком, Рт — давление за ударным фронтом.
Сама формула справедлива прн условии Рт» Ры т. е. когда скачок давления на ударной поверхности велик. Согласно (14.6), 121 й 14. Моделирование и опьнп для получения вонможно больших скоростей ударного фронта, надо пользоваться легкими газами (водород, гелий) и создавать высокий перепад давления. Сделаем численную оценку. Для реализации скорости е~ ударной волны около 10 км/с, необходимо Рз 1О' атм в 1Оэ Па, а плотность легкого газа р| 1О кг/мз. Этн цифры вполне доступны для технического воплощения иде и.
Были созда.ны двухступенчатые легкогазовые пушки. Схема такой установки прив.едена на рис. 14.3, Камера сгорания 1, способная выдерживать давлыния в несколько десятков тысяч атмосфер, заполняется смесью водород~а с кислородом; эта смесь несколько разбавлена гелием. Выход из камеры сгорания закрыт легким поршнем 2 (из пластмассы нли алюминия 1, который способен перемешаться вдоль цилиндрической камеры сжатию 3, заполняемой обычно гелием.
Эта камера может быть и вакуумной броркамерой, с пониженным давлением в 1О ~ тэ 1О ' атм. Выход из кам,еры 3 закрыт поршнем — моделью 4; последняя может ускоренно скгшьзить адель направляющего ствола 5. Рве. 14.3 Как работает баллистическая установка подобного типау Электрический разряд от мощной батареи конденсаторов поджигает водородно- Кислородную смесь в камере сгорания 1. Энергия, вводимая от батареи конденсаторов в ряде случаев достигает значений 60000 Дж. Поршень 2, двигаясь с огромным ускорением, создает в камере 3 сильную ударную волну.
Параметры газа в ударном слое достигают значений Р 20000 атм и Т 6000 К. Ударное действие газа с такими параметрами, выбрасывает модель массой около 2 г со скоростью превышающей 10 км/с. Время срабатывания всей установки 5 эп 6 мс. Выброс модели происходит в аэробаллистическую трассу, в которой давление воздуха может варьироваться. Вдоль трассы располагается контрольно-измерительная оптическая и иная аппаратура. В частности, по последовательному положению модели на трассе н времени пролета можно судить о ее скорости.
Длина аэробаллистических трасс достигает 300 м. В них моделируется вход космических аппаратов в плотные слои атмосферы. При переходе от гнперзвуковых к космическим скоростям движения тел в газовой среде, температура последней возрастает от тысячи градусов !22 з 14. Г4оделорованое и ооыа до нескольких тысяч.
Вследствие этого в газах идут раз тт очные физико-химические процессы: возбуждение молекулярных колеб;и гий, диссоциация молекул, химические реакции, ионизация, световое изл учение. Если в целом газодинамические процессы протекактг настолько быстро, что термодинамическое равновесие не успевает истановиться, то кннетика указанных элементарных процессов приобретает решающее значение, Примерами таких задач являются: вход космических тел и аппаратов в плотные слои атмосферы; течения газов в каналах мощных ракетных двигателей; сильные взрывы в атмосфере. Теоретическое изучение скоростей протекания всего комплекса элементарных процессов в реальных системах затруднено целым рядом обстоятельств, например, слишком грубым знанием зако~юв взаимодействия молекул, находящихся в возбужденных состояниях и др.
Обращение к эксперименту в указанных условиях является вполне естественным. Измерение эффективных сечений (см. з 5.1) элементарн ых процессов, времен релаксации (установления равновесия) по отноьыению к этим процессам производится на установках называемых ударны ми трубами. Принципиальная схема ударной трубы представлена на рис. 14.4, Это закрытая удлиненная камера, разделенная тонкой металлической диафрагмой на две чаРвс. 14.4 сти. В одной части — камере высокого давления 1 — находится рабочий газ под лавлением в десятки и сотни атмосфер, в другой части — кам ере низкого давления 2 — исследуемый газ в относительно разреженном состоянии при давлении в 10 ~ —: 10 ' атм.
В нужный момент стальная диафрагма 3 разрывается и происходит, по существу, метание плотного с>катого газа в газ разреженный. Образующаяся ударная волна быстро опережает положение контактной поверхности, т. е. границы между плотным толкающим газом — «поршнем» и газом исследуемым, высокий перепад давлений в окрестности диафрагмы формирует сильную ударную волну. Фронт этой волны несколько уширен благодаря некоторому разрежению среды. Вспомним (см. конец з11.3), что ширина ь ударного скачка порядка длины свободного пробега 1 молекул. На ширине фронта ударной волны сильно разогретый газ находится в неравновесном состоянии (см.
5!1.3). Теория позволяет связать скорости элементарных процессов с распределениями плотности р(х) и температуры Т(х) в релаксирующем слое. Измерение распределений р(х) и Т(х) на ширине фронта ударной волны даст сведения о кинетике самих элементарных процессов в газе.
Изменяя перепад давления вблизи диафрагмы, можно регулировать величину температуры в ударном скачке (от 1000 до 10000 К и более). В связи с этим см. соотношение (1!.20). Заканчивая рассказ о современном газодинамическом эксперименте, отметим первые попытки создания аэродинамических труб. В России в период 1902-1906 гг. под руководством Н. Е. Жуковского были постро- ф 14.
Моделирование и ооьип 123 сны аэродинамические установки в МГУ и МВТУ, В Германии аэродинамические трубы появились в течение 1907 — ! 909 гг., их создателем был Л. Прандтль (! 875-1953). Естественно, что результаты первых аэродинамических экспериментов носили во многом лишь качественный характер. В связи с этим поучительна судьба одной замечательной теоретической работы Сергея Алексеевича Чаплыгина (18б9 — 1942), выдаюшепзся аэрогидромеханика 20-го столетия, одного из создателей теории сверхзвуковых газовых течений. Вслед за работой Н. Е.
Жуковского «О присоединенных вихрях» (см. э 6.4), содержащей метод расчета подъемной силы крыла бесконечного размаха, С. А. Чаплыгин построил теорию конечного крыла (1913 г.). В этом труде вводилось представление о сбегающих концевых вихрях на крыле и индуктивном сопротивлении. Работа в математическом плане была очень изящной и последовательной и являлась развитием идей Чаплыгина, заложенных в предыдущих его статьях.
Проверочные опыты Н. Е. Жуковского, поставленные в мало оснащенной примитивной аэролинамической трубе МГУ„дали отрицательные результаты. Это произвело на Чаплыгина сильное впечатление, ибо он хорошо понимал значение соотношения между теорией и экспериментом. Однако эксперимент должен быть добротным, чтобы решать судьбу теории. Этого Чаплыгин не учел, и на три года забросил теоретическую работу, занявшись преподаванием. Однажды к Чаплыгину пришел его молодой коллега Б. Н.
Юрьев (будущйй академик) и показал опубликованную статью немецкого аэролинамика Прандтля по теории крыла конечного размаха. Результаты ее повторили работу С.А. Чаплыгина. Сергей Алексеевич отнесся к этому сообщению удивительно спокойно, он был вполне удовлетворен тем, что его ход мыслей был правилен и он мог снова возобновить теоретические исследования. Ударная волна прн пшерзвуковмх скоростях Шлирен-фотография нейлоновой сферической модели диаметром 4,8 ми, движущейся 1слева направо) с гиперзвуковой скоростью, соответствующей числу Мака Мв = 17,5 в атмосфере ксенона в баллистической установке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
