RU58706U1 - Газодинамическая установка - Google Patents

Abstract

Газодинамическая установка (ГУ) - полезная модель относится к области гиперзвуковой аэродинамике, радиационной плазмодинамике и предназначена для изучения генерации бесстолкновительных ударных волн и теплового широкополосного излучения в средах конечного давления. Цель разработки полезной модели ГУ - построение системы гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики для исследования в свободномолекулярном потоке, обтекания моделей с визуализацией бесстолкновительных ударных волн. Газодинамическая установка (ГУ), включающая гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ), в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитно-динамический (МГД) ускоритель с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочую часть с исследуемой моделью летательного аппарата (ЛА) и державкой, а также цифровую вычислительную машину (ЦВМ), соединенная первым входом через блоки преобразования с ионными зондами параметров плазмы, вторым входом - с управляющими обмотками МГД-ускорителя. Дополнительно в рабочую часть ГУ введена система магнитной подвески модели (СМПМ) с силовыми (электропитанием) и контрольными электрическими обмотками и установка визуализации бесстолновительных ударных волн, включающая параллельно расположенные два лазера с поляризаторами, один из которых пересекает рабочую часть ГАТ, полупрозрачный отражатель, блок электромагнитного стимулирования прозрачности, выход которого оптически связан с картиной изображения, полупрозрачным отражателем, анализатором, фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и регистратором на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС), причем ЦВМ третьим входом соединена с контрольной обмоткой СМПМ, четвертым входом - с регистратором ПЗС, пятым - с выходом ФЭУ. 1 п.ф., 1 фиг.

Description

Полезная модель - газодинамическая установка относится к области гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики и предназначена для изучения физических процессов бесстолкновительных ударных волн и теплового широкополосного излучения в средах конечного давления.

Известна крупноразмерная гиперзвуковая аэродинамическая труба (АДТ) Т-117, (см. Г.С.Бюшгенс, Е.Л.Берджицкий, ЦАГИ - центр авиационной науки. М. «Наука», 1993 г.), позволяющая проводить исследования аэродинамических и тепловых характеристик моделей различных гиперзвуковых летательных аппаратов, при достаточно полном геометрическом подобии моделей и натуры. Аэродинамический контур трубы Т-117 включает электродуговой подогреватель, рабочую часть - круг ⌀ 1 м, теплообменник, вакуумную емкость, отсечные задвижки, эжекторы, сверхзвуковое сопло, сверхзвуковой диффузор.

Гиперзвуковая труба Т-117 труба периодического действия, использующая сжатый воздух высокого давления, аккумулированный в баллонах емкостью 10 м³ каждый.

Необходимая степень сжатия в трубе создается, с одной стороны, высоким давлением торможения в форкамере трубы (от 40 до 280 атм.) и, с другой стороны, использованием четырехступенчатой системы эжекторов или вакуумной емкости объемом 3000 м³ с начальным разряжением до 0,01 мм рт.ст., создающих необходимое разряжение за одним из трех нерегулируемых диффузоров.

Продолжительность одного испытания при работе с системой эжекторов - до 3 мин., с вакуумной емкостью - 1,5 мин.

Труба имеет набор профильных осесимметричных сверхзвуковых сопл с выходным диаметром 1,0 м, рассчитанных на реализацию чисел М на выходе из сопла в диапазоне от 10 до 20. Диапазон чисел R_e от 0,15·10⁶ до 4,8·10⁶

(отнесено к 1 м).

Для предотвращения конденсации воздуха в рабочей части при разгоне его до заданных сверхзвуковых скоростей осуществляется предварительный нагрев рабочего газа до температуры в форкамере 1200-2000 К с помощью электродугового подогревателя мощностью 25000 квт.

Рабочая часть трубы выполнена по схеме камеры Эйфеля с охлаждаемыми стенками и оборудована двумя быстродействующими механизмами ввода испытываемой модели в поток.

Труба оснащена быстродействующим измерительно-информационным комплексом в составе: тензометрических весов на разные случаи нагружения модели, датчиков давления и температуры, оптических средств визуализации потока, систем сбора и обработки информации с использованием средств вычислительной техники. Процесс эксперимента автоматизирован. Выходная информация выдается в виде таблиц и графиков. В гиперзвуковой аэродинамической трубе Т-117 могут проводиться следующие виды эксперимента:

- определение суммарных аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов и их элементов;

- определение распределения давления и тепловых потоков по поверхности моделей;

- визуализация картины обтекания с помощью интерферометра сдвига;

- физические исследования.

Однако, состав и возможности данной экспериментальной базы не отражает особенность гиперзвукового диапазона скоростей полета: разнообразие физических эффектов, невозможность полного моделирования в наземных условиях всех необходимых характеристик свободномолекулярных течений газа, обнаружения бесстолкновительных ударных волн (БУВ).

Известна газодинамическая установка, приведенная в статье «Экспериментальное моделирование бесстолкновительных ударных волн на установке «плазменный фокус» В.И.Виноградов, Ж.Вернье, М.А.Каракин и др., XXVIII Звенигородская конференция пофизике плазмы и УТС, 19-23.02.2001 г.

Эксперименты выполнены на установке, представляющей собой плазменный фокус с особой геометрией электродов. Амплитуда разрядного тока 3 МА, рабочий газ - неон при давлении 0,5-1 Торр. Фарфоровый цилиндр диаметром 40 см и высотой 40 см был установлен на верхней крышке разрядной камеры установки ПФ-3 для исследования взаимодействия плазменных потоков с магнитным полем. Использовались различные системы для создания поперечного магнитного поля: на основе электромагнитов (В=0 - ±500 Гс) и на основе редкоземельных магнитов (В=2500 Гс). Для определения плотности и температуры фоновой плазмы и плазменного потока использовались методы оптической спектроскопии. Для определения формы плазменного потока, а также его скорости в области взаимодействия применялись ЭОП с горизонтальной и вертикальной ориентацией щели. Основным методом определения средней скорости потока являлись коллимированные световые зонды. Показания двух световых зондов, разнесенных на небольшое расстояние, также использовались для определения мгновенной скорости в

области взаимодействия. Регистрировалось изменение магнитного поля во фронте ударной волны.

Экспериментальные условия обеспечивали бесстолкновительное движение плазменных потоков со скоростью ~10⁷ см/с.Направленное движение потока позволило моделировать формирование квазиперпендикулярных бесстолкновительных ударных волн с числом альфеновского Маха до 10. Показано сжатие магнитного поля во фронте ударной волны и диссипация энергии плазменного потока.

Однако, установка ПФ с ограниченным объемом рабочей камеры не позволяет проводить эксперименты с исследуемой моделью летательного аппарата (ЛА) и вести прямые оптические наблюдения БУВ.

Также известна АДТ с магнитно-гидродинамическим (МГД) ускорителем Фарадея (см. Г.С.Бюшгенс, В.В.Сычев, Е.Л.Берджицкий и др., ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1968-1993 г, стр.396.), взятая за прототип. АДТ содержит последовательно расположенные электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, МГД-ускоритель, вторичное сопло, рабочую часть, эжекторы.

В гиперзвуковой АДТ определяются распределение давления по поверхности моделей, величина отхода и форма ударной волны, параметры в форкамере установки Р₀ и Т₀, величины помех и статических давлений в потоке в месте расположений моделей, энтальпии торможения и степени возможного отклонения от термодинамического равновесия состояния газа на выходе из сопла.

Собственное свечение газа фиксируется через интерференционные светофильтры. Для определения положения ударной волны в условиях сильного собственного свечения газа используется теневая установка, основанная на использовании эффекта аномальной дисперсии.

Однако данная установка не позволяет создавать модель обтекания тел в возбужденной газовой среде - не учитывает свойство реальных физических систем, имеющих внутренние степени свободы, определять параметры бесстолкновительных ударных волн. При свободномолекулярном течении

длина среднего свободного пробега молекул во много раз превосходит характерный размер тела. Молекулы, которые ударяются о поверхность тела отлетают в среднем очень далеко от тела, прежде чем столкнутся с другими молекулами. В окрестности обтекаемого тела не должны возникать ударные волны. Образующийся пограничный слой будет очень сильно диффундировать и не будет оказывать влияния на поток, набегающий на тело.

Технический результат, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, состоит в построении системы гиперзвуковой аэродинамики и радиационной плазмодинамики для исследования в свободномолекулярном потоке обтекания моделей в условиях бесстолкновительных ударных волн, открытия новых научных эффектов в газовой динамике.

Для получения указанного технического результата в газодинамическую установку (ГУ), включающую гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ), в которой последовательно расположен баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитно-гидродинамический (МГД) ускоритель с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочую часть с исследуемой моделью летательного аппарата (ЛА) и державкой, выходное сопло, многоступенчатую систему эжекторов, а также цифровую вычислительную машину (ЦВМ), соединенную первым входом через блоки преобразования с ионными зондами параметров плазмы, вторым - с управляющими обмотками МГД-ускорителя, в рабочую часть ГУ введена система магнитной подвески модели (СМПМ) с силовыми (электропитанием) и контрольными электрическими обмотками и установка визуализации бесстолкновительных ударных волн, включающая параллельно расположенные два лазера, пучок от одного из которых пересекает рабочую часть ГАТ, с установленными поляризаторами, полупрозрачный отражатель, блок электромагнитного стимулирования прозрачности, выход которого оптически связан с картиной изображения, полупрозрачным отражателем, анализатором, фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), и регистратором на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС), причем ЦВМ третьим входом соединена с

контрольной обмоткой СМПМ, четвертым входом - с регистратором ПЗС, пятым - с выходом ФЭУ.

Для пояснения сущности полезной модели на фиг.1 приведена функциональная схема газодинамической установки, где изображены:

1 - баллон с высоким давлением;

2 - регулирующий дроссель;

3 - электродуговой подогреватель;

4 - дозирующее устройство;

5 - первичное сверхзвуковое сопло;

6 - магнитно-гидродинамический (МГД) - ускоритель Фарадея с управляющими обмотками - 7;

8 - вторичное сопло;

9 - рабочая часть аэродинамической трубы;

10 - державка;

11 - модель;

12 - сопло;

13 - многоступенчатая система эжекторов;

14 - лазер;

15, 30 - линейный поляризатор;

16 - ионные зонды;

17 - преобразователь сигналов фотоэлектронного умножителя (ФЭУ);

18 - преобразователи датчиков и параметров потока ионных зондов;

19 - блок измерения электромагнитных полей;

20 - цифровая вычислительная машина (ЦВМ);

21 - силовые обмотки системы электромагнитной подвески модели (СЭПМ) в рабочей части ГАТ;

22 - измерительная обмотка СЭПМ;

23 - преобразователь сигналов измерительной обмотки СЭПМ;

24 - электропитание СЭПМ;

25 - блок электромагнитного стимулирования прозрачности (ЭСП);

26 - электропитание блока ЭСП;

27, 28 - оптические окна в рабочей части ГУ;

29, 34 - полупрозрачный отражатель;

31 - лазер;

32, 36 - линза;

33 - картина изображения;

35 - регистратор изображения - прибор с зарядовой связью (ПЗС);

37 - поляризатор;

38 - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Газодинамическая установка (ГУ) включает гиперзвуковую аэродинамическую трубу (АДТ), в которой последовательно расположены баллон 1 с высоким давлением воздуха, регулирующий дроссель 2, электродуговой подогреватель 3, дозирующее устройство 4, первичное сверхзвуковое сопло 5, магнитно-гидродинамический ускоритель Фарадея 6 с управляющими обмотками 7, вторичное сопло 8, рабочую часть АДТ 9 с исследуемой моделью 11 и державкой 10, выходное сопло 12, многоступенчатую систему эжекторов 13, ионные зонды 16 параметров плазмы, которые соединены через преобразователи 18 с входом ЦВМ 20. Второй вход ЦВМ 20 соединен с управляющими обмотками 7 МГД-ускорителя 6. В рабочей части ГАТ введена система магнитной подвески модели (СМПМ) с силовыми электрическими обмотками 21, связанными с источником электропитания 24. Снятие координат местоположения модели 11 в ГАТ происходит с помощью контрольных электрических обмоток 22 для измерения силы наведенного тока.

Магнитная подвеска моделей в АДТ была предложена Гродзовским Г.Л. в а.с. №9614. (Способ фиксации моделей подразумевает использование магнитного поля вместо поддерживающих модель устройств).

Установка визуализации бесстолкновенных ударных волн включает параллельно расположенные лазеры 14 и 31 (пробный и связной пучки), пробный пучок лазера 14 через оптические окна 27, 28 пересекают рабочую часть 9 ГАТ. Пучки лазеров 14 и 31 проходят через линейные поляризаторы 15 и 30, проходят полупрозрачный отражатель 29 и попадают в блок 25

электромагнитного стимулирования прозрачности (ЭСП). Электропитание 26 осуществляет глубокий вакуум и криогенный режим работы блока 25. Выходной пучок блока ЭСП 25 оптически через 32 связан с картиной изображения 33 и далее подается через полупрозрачный отражатель 34 на регистратор 35 изображения - прибор с зарядовой связью (ПЗС). Другой пучок с отражателя 34 подается через линзу 36 и линейный анализатор 37 на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 38.

Второй вход ЦВМ 20 связан с управляющими обмотками 7 магнитно-гидродинамического ускорителя 6, третий вход - с контрольной обмоткой 21 СМПС, четвертый вход - с регистратором ПЗС 35, пятый - с выходом ФЭУ 38.

Газодинамическая установка работает следующим образом.

Для визуализации и фиксации БУВ в ГАТ предварительно подготавливается блок 25 электромагнитного стимулирования прозрачности (ЭСП) - операции с которым включают криогенный режим работы, термоизоляцию от стенок камеры блока. Затем включается электропитание силовых обмоток системы электромагнитной подвески модели (СЭМП), в рабочей части ГАТ. В это время автоматически убирается державка 10 модели 11 и контролируется ток в измерительной обмотке СЭМП. Далее задействуют и организуют поток газа, выходящий из баллона с высоким давлением, поступающий последовательно в звенья 2-9. В это время фиксируется картина обтекания модели гиперзвуковым потоком с помощью блока 25 ЭСП. Проведение эксперимента по обнаружению и фиксации БУВ осуществляется «под контролем» ЦВМ 20.

Моделирование гиперзвукового полета требует воспроизведения в ГАТ давлений торможения от долей до сотен МПа и температур торможения до 10⁴ К. При гиперзвуковых числах Маха интенсивно растут потери полного давления при торможении потока и соответственно потребные перепады давления в ГАТ. При числах Маха > 4,5 воздух в ГАТ необходимо нагревать для предотвращения его конденсации, так при М=10 нагревать до 10³ К при М=20 до (2,5÷2,8)·10³ K. Максимальное давление в ГАТ с дуговым подогревателем 3 равно 18-20 МПа, что позволяет моделировать полет

гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) только на больших высотах. Большой перепад давлений, необходимый для гиперзвуковых АДТ, обеспечивается системой эжекторов 13.

Область интенсивной конденсации (фазового перехода газ-жидкость), возникающая в ускоряющемся потоке газа, параметры термодинамического состояния которого перешли через кривую фазового равновесия, характеризуется скачком конденсации (СК), является следствием запаздывания конденсации из-за недостаточного количества центров конденсации в объеме газа, поэтому ГАТ оборудуется установкой для осушения воздуха. В гиперзвуковой ГАТ с гиперзвуковыми потоками конденсация основных компонентов воздуха устраняется установкой подогревателя 3 рабочего газа. Газодинамическое проявление СК зависит от скорости расширения потока и теплофизических параметров среды. В гиперзвуковом потоке однокомпонентного газа СК проявляются в изменении градиентов давления, плотности и скорости. При значительных колебаниях тока и напряжения разряда в нагревателе 3, связанных с неустойчивостью его токопроводящего канала, для стабилизации разряда применяется внешнее магнитное поле со специальной топологией. Эффект обеспечивается электромагнитными силами, действие которых распространяется на каждый элемент плазмы разряда.

Взаимодействие потоков в ГАТ при визуализации бесстолкновительных ударных волн реализуется путем изменения скорости плазменного потока в МГД-ускорителе 6. Это выполняется с помощью ЦВМ 20, которая через преобразовательные блоки 17 и 19 соединена с электрическими обмотками 7 МГД-ускорителя 6. В ЦВМ 20 определяется соответствие скоростей потока плазмы и значений сигналов параметров ионных зондов 16. Ионный зонд 16 используется для определения концентрации и температуры электронов путем измерения силы тока, идущего на электрод, погруженный в плазму при различных подаваемых на него напряжениях. Конструктивно электрический зонд выполнен в виде отдельных датчиков или гребенок для измерения профиля концентрации ионов.

Фазовые объекты в потоке, плазма исследуются путем просвечивания их световым пучком лазера 14, что позволяет изучать пространственное распределение показателя преломления n, которое в свою очередь однозначно связано с пространственным распределением концентрации атомов, молекул и электронов в исследуемом объекте.

В хорошо вакуумированной магнитной ловушке 25 происходит усиление этих показателей преломления n. В ловушке размещено ~10 млн атомов Na, практически неподвижных, лишенных степеней свободы, обеспечивается их глубокое охлаждение до Т=0,0001К. В ловушке гарантировано отсутствие атомов Na с остаточным газом. В камере находится Бозе - конденсат - газовое облако, все атомы которого занимают нижнее положение энергетического состояния. Магнитное поле удерживает облако сигарообразной формы 339 мкм (продольное) и 55 мкм (поперечное) в центре камеры, препятствуя контакту со стенками. Большая плотность Бозе - конденсата полностью останавливает свет и осуществляет тонкую подстройку энергетических уровней системы (линия Д1 с=589,6 нм) и энергией двух лазерных пучков 14 и 31.

Резонансное поглощение фотонов проходящего лазерного импульса атомами натриевого конденсата в блоке 25 обеспечивает огромный коэффициент преломления, характеризует «тормозящие» способности для луча света. Основы аномального торможения света - метод электромагнитного стимулирования прозрачности (ЭСП) (Физическая энциклопедия, т.4, 1994, М., Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», гл. редактор А.М.Прохоров, стр.409). Самоиндуцированная прозрачность - эффект прохождения коротких мощных импульсов когерентного оптического излучения без потерь энергии через среду, резонансно поглощающую непрерывное излучение или длинные импульсы. Самоиндуцированная прозрачность (СП) относится к когерентным резонансным эффектам: ее наблюдение возможно только при условии, что длительность импульса (τ_n<τ_р) значительно меньше времени релаксации (для разряженных газов ≈10^-7-10^-8 с, для конденсированных сред ≈10^-11-10^-12 с). В этом случае релаксационные процессы не успевают нарушить фазовые соотношения между полем и

нестационарным резонансным откликом вещества, вследствие чего энергия, поглощенная средой на переднем фронте импульса с достаточно высокой интенсивностью, может быть полностью возвращена импульсу на его заднем фронте за счет индуцированного испускания (открыто в 1967 году).

Метод заключается во взаимодействии двух лазерных пучков света с атомами среды, когда возбуждаются два подуровня тонкого расщепления линии Д1. Кроме короткого лазерного импульса 15, тормозящегося в мишени (пробный луч), в нее одновременно должен поступать более длинный лазерный импульс - связной агент 31. Образуется 3-х уровневая система: основной уровень и два подуровня возбуждения атомов Na, к которым точно подогнали энергии фотонов пробного и связного пучков 15 и 31. Резонансное поглощение фотонов пробного пучка 15 атомами среды, переходящими на верхний подуровень, и резонансный индуцированный сброс их фотонами связного пучка 31 на нижний подуровень осуществляется точной постройкой системы. Действие пучков 15 и 31 обратимо: фотоны связного пучка забрасывают атомы Na с нижнего подуровня на верхний, а фотоны пробного пучка индуцируют их переход в основное состояние. Это взаимное «отрицание» пучков приводит к индуцированной прозрачности среды - к торможению и сжатию пробного лазерного импульса 15. Внешне - это исчезновение луча света при входе в конденсат с последующим выходом через время торможения, интенсивность пучка падает.

Когда резко выключается связной 31 лазерный импульс, пробный пучок 15 резонансно взаимодействует с мишенью 25 и не может активно выйти из нее, пучок пропадает. Память о нем в газовом конденсате застывшего квантово - когерентного состояния атомов Na остается в течении 1 мс, что позволяет большее время по сравнению с длительностью пучка и его задержкой в конденсате, световой импульс остановлен. Лазерный луч полностью поглощен в мишени, и выделенная им энергия через некоторое время перешла на атомы Na. Мишень 25, нагревшись, перестала быть Бозе - конденсатом - произошла диссипация энергии. Когда был снова включен связной лазер 31 (через интервал времени в пределах 1 мс) - пробный луч 15 выходит из мишени 25.

Происходит регенерация светового пучка спустя большое время после его остановки.

Состояние в Na - мишени 25 фиксируется детектором пластины изображения 33 и ПЗС-камерой (прибор с зарядовой связью). Для отделения пучков 15 и 31 друг от друга, и они по-разному линейно поляризованы, перед ФЭУ 38 стоит линейный поляризатор 36, пропускающий излучение только одного пучка. В плотном газе (плазме), молекулярные (атомарные, электронные) вязкость и теплопроводность существенны, толщина фронта ударной волны - порядка длины свободного пробега частиц. Здесь имеет место непосредственная диссипация кинетической энергии в теплоту. В разряженной (бесстолкновительной) плазме кинетическая энергия ударной волны не может сразу перейти в теплоту и возникают бесстолкновительные ударные волны (БУВ).

Бесстолкновительные ударные волны - резкие скачки плотности, температуры, магнитного поля и др. параметров плазмы, возникающие при ее сверхзвуковом движении и имеющие толщину фронта (переходной области) существенно меньшую, чем длина свободного пробега.

Фронт ударной волны не расплывается до толщины, сравнимой с длиной свободного пробега. В области плазмы, на которой уже прошла ударная волна, всегда найдутся быстрые частицы, движущиеся быстрее фронта. Эти частицы, забегая вперед в невозмущенную плазму, вызовут расплывание фронта. При наличии магнитного поля (СЭПМ 21), параллельного фронту волн или направленного под углом к нему, поле заворачивает частицы, двигающиеся поперек фронта на расстоянии порядка Ларморовского радиуса (сила Лоренца), который таким образом играет роль длины свободного пробега. Если же магнитное поле перпендикулярно фронту СЭПМ 21 волны, то механизм, препятствующий расплыванию, имеет «коллективную» природу. Если в невозмущенную волной область плазмы проникла через фронт группа быстрых частиц, тогда перед фронтом волны развивается пучковая неустойчивость, приводящая за счет коллективного взаимодействия к эффективному

торможению быстрого компонента, энергия которого тратится на возбуждение интенсивных колебаний плазмы.

За фронтом бесстолкновительных ударных волн в плазме присутствуют интенсивные колебания плотности, магнитного поля и других параметров, и именно на эти колебания приходится основная доля внутренней энергии плазмы. Происхождение таких колебаний связано или с неустойчивостью или появлением ударных волн - солитонов, образующихся благодаря специфическим дисперсионным свойствам плазмы, вследствие которых дисперсионное расплывание волновых пакетов способно ограничивать нелинейное укручивание (т.е. увеличение крутизны фронта волны) и опрокидывание волнового пакета. При нелинейном укручивании участки волнового профиля с большой амплитудой возмущения, которым соответствуют большие скорости движения, стремятся опередить участки с меньшей скоростью и в конце концов происходит опрокидывание профиля скорости - происходит рождение высших гармоник с большими значениями волнового числа К. Если отсутствует дисперсия фазовой скорости, т.е. скорости различных гармоник совпадают, то нелинейное укручивание может быть остановлено только диссипацией, растущей с увеличением волнового числа, т.е. вязкостью. При наличии дисперсии фазовой скорости образующиеся за счет нелинейности высшие гармоники отрываются от основной волны: обгоняя ее или отстают в зависимости от того, растет или убывает скорость с ростом волнового числа. В результате еще до опрокидывания и образования разрывов волна может распасться на отдельные нелинейные волновые пакеты в форме солитонов, характерный размер (ширина солитона совпадает, естественно, с дисперсионным пространственным размером l_дисп, т.е. с длиной волны.

Суперпозиция солитонов образует фронт бесстолновительной ударной волны осциляторной структуры. Отдельный солитон возникает на факторах нелинейности и дисперсии, когда диссипация не играет роли. Поэтому солитон описывает обратимые движения плазмы до и после прохождения волны одно и то же. Для возникновения необратимого скачка параметров, характерного для ударной волны, необходима диссипация энергии. В бесстолкновительной

ударной волне - это коллективная диссипация энергии плазменных колебаний, существующих за фактором бесстолкновительной ударной волны (БУВ). В ламинарной БУВ диссипация обусловлена резонансным поглощением энергии волн частицами (затухание Ландау). В турбулентной БУВ существенны неустойчивости, развивающиеся на фронте волны, например параметрическая неустойчивость регулярных колебаний магнитного поля, неустойчивость встречных ионных потоков.

Обратное воздействие турбулентности на частицы приводит к коллективной релаксации неустойчивости состояния, при котором энергия регулярных колебаний за фронтом ударной волны трансформируется в турбулентные пульсации и тепловую энергию плазмы. Длина, на которую происходит коллективная диссипация регулярных колебаний l_дисп определяет полный размер переходной области (фронта) БУВ, фиксируемый блоком ЭСП 25.

Применение оптико-физических методов и средств в исследовании гиперзвуковых потоков газа позволяет изучать такие явления, как визуализация структур неоднородных потоков газа, определение положения и деформации модели в ГАТ, проведение диагностики высокотемпературных и быстропротекающих процессов потока газа. Выявление и фиксация БУВ дает новую информацию о процессах, происходящих в ГАТ: изучение структуры потоков вокруг модели, скачков уплотнения, течений в приграничном слое, областей перехода, взаимодействия скачков уплотнения с БУВ, пограничным слоем, дает возможность управлять течениями газа.

Claims (1)

1. Газодинамическая установка (ГУ), включающая гиперзвуковую аэродинамическую трубу (ГАТ), в которой последовательно расположены баллон с высоким давлением газа, регулирующий дроссель, электродуговой подогреватель, дозирующее устройство, первичное сверхзвуковое сопло, магнитно-динамический (МГД) ускоритель с управляющими обмотками, вторичное сопло, рабочую часть с исследуемой моделью летательного аппарата (ЛА) и державкой, а также цифровую вычислительную машину (ЦВМ), соединенную первым входом через блоки преобразования с ионными зондами параметров плазмы, вторым входом - с управляющими обмотками МГД-ускорителя, отличающаяся тем, что в рабочую часть ГУ введена система магнитной подвески модели (СМПМ) с силовыми (электропитанием) и контрольными электрическими обмотками и установка визуализации бесстолкновительных ударных волн, включающая параллельно расположенные два лазера с поляризаторами, один из которых пересекает рабочую часть ГАТ, полупрозрачный отражатель, блок электромагнитного стимулирования прозрачности, выход которого оптически связан с картиной изображения, полупрозрачным отражателем, анализатором, фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и регистратором на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС), причем ЦВМ третьим входом соединена с контрольной обмоткой СМПМ, четвертым входом - с регистратором ПЗС, пятым - с выходом ФЭУ.