Способ увеличения рабочего времени ударной трубы и устройство для его реализации.

Авторы патента:

G01M9/00 - Аэродинамические испытания; устройства, связанные с аэродинамическими трубами (вопросы строительства - раздел E; исследование свойств материалов G01N)

Владельцы патента RU 2788480:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) (RU)

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения высокоскоростного потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях в бездиафрагменных ударных трубах кратковременного действия. Способ заключается в том, что газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха, поджимающего подвижный колпак пневматического клапана. Воздух стравливается в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном, и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления. При этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм. Устройство содержит последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления. Пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент. Технический результат заключается в увеличении рабочего времени ударной трубы за счет торможения волны разрежения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения высокоскоростного потока газа с большими числами Маха в лабораторных условиях в бездиафрагменных ударных трубах кратковременного действия.

Ударные трубы содержат последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала и камеру низкого давления в виде цилиндрического канала. Средство перекрытия канала, вместо разрушаемой мембраны, представляет собой быстродействующий пневматический электромагнитный клапан [1].

Рабочее время ударных труб включает в себя время сумму времен, начиная от падающей в торец камеры низкого давления ударной волны, отраженной ударной волны, следующей за ударной волной контактной поверхности, и заканчивая приходом волны разрежения.

Известен способ увеличения рабочего времени за счет удлинения канала низкого давления [2]. При контактном разрыве между камерами высокого и низкого давлений образуется ударная волна, которая «бежит» вдоль цилиндрического канала камеры низкого давления с ускорением. Камеру низкого давления делают оптимально длинной. Однако реализация данного способа экономически затратна, требует увеличения металлоемкой части ударной трубы и больших лабораторных площадей.

Известен способ применения пневматического клапана [3] высокого быстродействия (4…7 мс), вместо разрушаемой мембраны, устанавливаемый между камерами высокого и низкого давлений. Перед началом испытаний пневматический клапан заправляется воздухом под небольшим давлением, который позволяет запереть подвижным колпаком проходное сечение камеры низкого давления. При срабатывании электромагнита клапана заправленный воздух стравливается в окружающую среду, подвижный колпак перемещается и открывает кольцевой зазор между стенками колпака и стенкой камеры низкого давления. Из камеры высокого давления газ вытекает с ускорением и она заполняется волной разрежения.

Однако, этот способ инициации ударной волны не увеличивает рабочее время ударной трубы.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба, известная из описания [4]. Известная гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба содержит образующие общий канал, последовательно между собой соединенные камеру высокого давления, цилиндрический канал, гиперзвуковое сопло, вакуумную камеру, и средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом. Труба снабжена высокочастотными датчиками динамического давления, размещенными в камере высокого давления, цилиндрическом канале, вакуумной камере и соединенными с регистрирующей аппаратурой.

Недостатком устройства является быстрый приход волны разрежения к торцу цилиндрического канала, которая снижает давление перед входом в сопло и не позволяет увеличить рабочее время установки.

Задачей изобретения является увеличение рабочего времени ударной трубы за счет торможения волны разрежения.

Поставленная задача достигается тем, газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха поджимающего подвижный колпак пневматического клапана, при этом воздух стравливается в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления, при этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм.

Поставленная задача также достигается тем, что устройство увеличения рабочего времени ударной трубы, содержит последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления, и что пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

На фиг. 1 - изображено устройство увеличения рабочего времени трубы

На фиг. 2 приведены графики высокочастотных датчиков динамического давления, установленных: 1- в торце камеры высокого давления; 2- в середине и 3 - в торце камеры низкого давления.

Устройство увеличения рабочего времени ударной трубы состоит из камеры высокого давления 1; пневматического клапана 2; камеры низкого давления (цилиндрический канал) 3; полости клапана для заправки клапана давлением 4; дополнительной полости для стравливания газа 5. Буквами «a», «b» и «c» обозначены крышки отверстий.

Способ реализуется в работе устройства следующим образом. Перед запуском ударной трубы полость для заправки пневматического клапана 4 сначала имеет давление не более 1 атм и заправляется воздухом под штатным давлением. При срабатывании пневматического клапана 2 воздух из полости 4 для заправки пневматического клапана стравливается в дополнительную полость 5 через отверстие «b» и удерживается там подпружиненной крыщкой отверстия «c». Газ под давлением истекает из камеры высокого давления 1 в камеру низкого давления 3. Давление в камере высокого давления 1 уменьшается и в нее устремляется веер разрежения. Когда давление поджимающего воздуха в дополнительной полости 5 станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления 1, крышка отверстия «c» выдавливается и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления 1, тормозя волну разрежения.

Способ отличается тем, что введена дополнительная полость клапана 5, первоначально имеющая давление не более 1атм, в которую производится стравливание газа и которая освобождается от стравленного газа в камеру высокого давления 1, когда давление волны разрежения в ней будет меньше давления в дополнительной полости 5.

Дополнительная полость имеет перекрываемое отверстие «b» со стороны клапана 2. Давление в ней, не ниже 1 атм, позволяет стравливать запирающий газ не в атмосферу, а в дополнительную полость 5. Дополнительная полость 5 имеет подвижную подпружиненную крышку отверстия «c», которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления 1. Когда камера высокого давления 1 опустошится и давление станет ниже, чем давление в дополнительной полости 5, то газ из дополнительной полости 5 выдавит крышку и вытечет в камеру высокого давления1, чем повысит давление и изменит интенсивность и время формирования головной волны веера разрежения.

При этом «b» открывается известным механизмом (например, быстродействующим пневматическим электромагнитным клапаном, изложенным в патенте РФ №2066656). Подпружиненная крышка отверстия «c» открывается автоматически за счет перепада давлений.

На фиг.1. показан последний момент истечения газа высокого давления (красные стрелки) в камеру низкого давления 3 (синие стрелки) и заполнение камеры высокого давления 1 веером разрежения (синие линии). Пневматический клапан 2 показан в двух позициях: пунктирные линии - клапан заперт, сплошные линии - клапан вжат внутрь и воздух из камеры высокого давления стремится в камеру низкого давления 3.

В предлагаемом способе механизм открытия отверстия «b» тот же, что в клапане 2, вместо открытия отверстия «a». При срабатывании электромагнита перемещается золотник, открывается отверстие «b» в полости 4 и поджимающий колпак воздух впускается внутрь дополнительной полости 5. Подпружиненная крышка отверстия «с» прижата к полости 5 за счет высокого давления в камере высокого давления 1. Когда из камеры высокого давления 1 газ вытечет, давление снизится до давления меньшего, чем в дополнительной полости 5, подпружиненная крышка отверстия «c» втянется в сторону меньшего давления и газ из дополнительной полости 5 стравится в камеру высокого давления 1, в которой формируется волна разрежения.

Технический эффект от применения заявляемого способа в том, что затормаживается приход веера разрежения к торцу камеры низкого давления. Рабочее время ударной трубы увеличивается. Кроме того, поджимающий воздух, вместо выброса в атмосферу, остается в ударной трубе и приносит положительный результат.

Начальный сигнал графика 1 на фиг. 2 соответствует состоянию покоя газа, находящегося под давлением. Затем, при срабатывании электромагнита, виден наклонный фронт открытия клапана в течение 7 мс. В это время идет опустошение камеры высокого давления. Горизонтальная линия в течение 11 мс - время формирования волны разрежения.

График 3 на фиг. 2 показывает начало отсчета рабочего времени: падающую, отраженную ударную волну как «полочки» квазистационарного состояния потока. Подъем графика свидетельствует о приходе контактной поверхности и росте давления до момента снижения графика. Это подошла волна разрежения, и рабочее время ударной трубы закончилось. Длительность рабочего времени на графике этого режима работы, составила 1,56 мс. Чем больше перепад давлений в камерах высокого и низкого давлений, тем выше скорость потока и меньше рабочее время ударной трубы. Оставшийся газ из камеры высокого давления перед каждым запуском ударной трубы должен быть выпущен (стравлен) до давления не выше атмосферного.

Заявленный способ не нарушает работу клапана. В его устройстве предусмотрено открытие (механизм золотника) отверстия «a», связанное с внешней средой. Оно аннулировано для реализации заданного способа. Но механизм открытия в данном способе связан с открытием другого отверстия «b» между полостями 4 и 5. Подпружиненная крышка отверстия «c» дополнительной полости 5 сначала сдерживает открытие высоким давлением. При превышении давления дополнительной полости 5 изнутри над давлением волны разрежения в камере высокого давления крышка выталкивается автоматически, и поджимающий газ вытесняется в камеру высокого давления.

Список использованных источников.

1. Патент РФ №2066656 «Пусковая установка».

2. Panasenko A.V., Ruleva L.B., Solodovnikov S.I., Increasing hypersonic aerodynamic shock tube working time duration. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (927), 1-7, 2020. doi:10.1088/1757-899X/927/1/012082.

3. Панасенко А.В. Расчет формирования ударной волны в ударной трубе при различном способе начального истечения газа//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т. 23, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-1/articles/981/.

4. Патент РФ 152348 «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба».

1. Способ увеличения рабочего времени ударной трубы, заключающийся в том, что газ под давлением истекает из камеры высокого давления в камеру низкого давления за счет стравления воздуха, поджимающего подвижный колпак пневматического клапана, отличающийся тем, что воздух стравливается в дополнительную полость через отверстие, связанное с клапаном, и остается там под подпружиненной крышкой до тех пор, пока давление поджимающего воздуха в дополнительной полости станет больше давления веера разрежения в камере высокого давления, при этом крышка выдавливается из отверстия, обращенного в сторону камеры высокого давления, и стравливающий воздух поступает в камеру высокого давления, причем дополнительная полость имеет первоначальное давление не более 1 атм.

2. Устройство для увеличения рабочего времени ударной трубы, содержащее последовательно соединенные камеру высокого давления, средство перекрытия канала в виде пневматического клапана с подвижным, за счет поджимающего воздуха, колпаком и камеру низкого давления, отличающееся тем, что пневматический клапан имеет дополнительную полость, прилегающую к клапану, обращенную в сторону камеры высокого давления, с двумя отверстиями, одно из них связано с клапаном, а другое с камерой высокого давления, закрытое подпружиненной крышкой, которая закрыта в начальный момент прижимающим ее высоким давлением со стороны камеры высокого давления.

Изобретение относится к области измерения нестационарного (меняющегося во времени) давления в потоках газа и жидкости. Изобретение предназначено для определения нестационарного давления в потоке газа или жидкости при наличии в нем частиц.

Устройство для измерения нагрузок планирующего парашюта в аэродинамической трубе // 2785085

Изобретение относится к авиационной технике и предназначено для определения нагрузок планирующего парашюта в аэродинамической трубе при различных углах атаки и скольжения. Устройство содержит основание с наклонными опорными балками, соединенными шарнирно с двумя П-образными продольными балками с кронштейнами, траверсы, однокомпонентные верхние тензовесы растяжения-сжатия, закрепленные с помощью трехстепенных шарниров между продольными балками и траверсами в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Устройство для определения характеристик раскрытия парашюта в аэродинамической трубе // 2780608

Изобретение относится к авиационной технике и предназначено для исследования процесса раскрытия парашюта в аэродинамической трубе и определения основных характеристик наполнения купола. Устройство содержит державку, на которой закреплена камера-контейнер с вытяжным парашютом, в камеру уложен испытываемый парашют, стропы которого через диск, вертлюг и тензодатчик соединены гибким звеном с грузом, размещенным в обтекателе вне потока.

Способ определения нестационарных углов тангажа и крена и устройство для его реализации // 2780360

Группа изобретений относится к способу и устройству для определения нестационарных углов крена и тангажа. Для определения нестационарных углов крена и тангажа объекта устанавливают на нем два акселерометра, один из которых является маятниковым компенсационным акселерометром, получают показания каждого из них, при этом для определения искомых углов используют определенную математическую формулу, используя полученные показания и известные параметры акселерометров.

Установка для аэродинамических испытаний // 2779457

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики и может быть использовано для проведения аэродинамических испытаний авиационной и ракетной техники. Установка содержит испытательную камеру с высокоскоростным аэродинамическим соплом, источник сжатого воздуха с магистралью высокого давления, рекуперативный теплообменник для нагрева сжатого воздуха, имеющий полый корпус с входным и выходным каналами полости корпуса, входным воздушным коллектором, подключенным к магистрали высокого давления, и выходным воздушным коллектором, сообщенным со входом аэродинамического сопла, регулятор расхода воздуха, установленный в магистрали высокого давления и подключенный к системе автоматического управления, огневую камеру с топливными форсунками, каналом подвода сжатого воздуха и системой зажигания, подключенную каналом подвода сжатого воздуха через дополнительный регулятор расхода воздуха к источнику давления воздуха, а выходом сообщенную с входным каналом полости корпуса рекуперативного теплообменника, систему подачи топлива с регулятором расхода топлива, подключенную к топливным форсункам, и утилизатор тепла, связанный с выходным каналом полого корпуса рекуперативного теплообменника.

Способ тепловых испытаний обтекателей ракет // 2775689

Изобретение относится к испытательной технике, преимущественно к технике проведения тепловых испытаний керамических обтекателей ракет при инфракрасном нагреве. Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение длительности нагрева испытуемой конструкции.

Способ экспериментального определения динамических характеристик гибких протяженных конструкций // 2775360

Изобретение относится к области испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий и может быть использовано в машиностроении, ракетно-космической, авиационной и в других отраслях техники. Способ заключается в том, что гибкую протяженную конструкцию с установленными на ней датчиками колебаний закрепляют на жестком основании способом, предусмотренным для эксплуатации упомянутой конструкции.

Способ измерения температуры модели при вакуумировании в гиперзвуковом потоке // 2773063

Способ относится к области экспериментальной аэротермодинамики, в частности к лабораторным вакуумным аэродинамическим установкам кратковременного действия, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы с большими числами Маха. Способ измерения температуры модели при вакуумировании в гиперзвуковом потоке заключается в измерении комнатной температуры и сигналов датчика теплового потока: нулевого и при пуске гиперзвукового сопла, вычислении температуры при пуске сопла через разность сигналов, деленную на коэффициент передачи датчика теплового потока, и суммировании с комнатной температурой.

Способ воспроизведения аэродинамического нагрева элементов летательных аппаратов // 2773024

Изобретение относится к наземным испытаниям элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на поверхности элементов ЛА, например обтекатели головок самонаведения авиационных ракет, антенные обтекатели, отсеки с ракетой, в наземных условиях.

Система вывешивания динамически подобных моделей летательных аппаратов для аэродинамических труб малых скоростей // 2771154

Изобретение относится к области экспериментальной динамической аэроупругости и касается экспериментального определения критической скорости и частоты флаттера динамически подобных моделей летательных аппаратов (ДПМ ЛА) в аэродинамических трубах (АДТ) малых скоростей с закрытой рабочей частью в условиях, близких к условиям свободного полета ЛА.