Расширительный туннель
В аэронавтике представляют собой центры аэродинамических испытаний , расширительные и ударные туннели специализирующиеся на испытаниях на высоких скоростях и при высоких температурах. В ударных туннелях используется расширение сопла с постоянным потоком, тогда как в расширительных туннелях используется нестационарное расширение с более высокой энтальпией или тепловой энергией. В обоих случаях газы сжимаются и нагреваются до тех пор, пока газы не высвободятся, быстро расширяясь вниз по расширительной камере. Туннели достигают скорости от 3 до 30 Маха , что создает условия испытаний, имитирующие гиперзвуковой полет для входа в атмосферу . Эти туннели используются военными и правительственными учреждениями для испытаний гиперзвуковых транспортных средств, которые подвергаются различным природным явлениям, возникающим во время гиперзвукового полета. [ 1 ]
Процесс расширения
[ редактировать ]Расширительный туннель
[ редактировать ]В расширительных туннелях используется система с двумя мембранами, в которой диафрагмы действуют как разрывные диски или предохранительные устройства. Туннель разделен на три секции: приводную, ведомую и ускоренную. Приводная секция заполнена газообразным гелием под высоким давлением. Приводная секция заполнена требуемым испытательным газом с более низким давлением, например диоксидом углерода, гелием, азотом или кислородом. Секция ускорения заполнена испытательным газом под еще более низким давлением. Каждая секция разделена диафрагмой, которая должна последовательно разрываться, вызывая разрыв первой диафрагмы, смешивая и расширяя приводную и ведомую части. Когда ударная волна достигает второй диафрагмы, она разрывается, заставляя два газа смешиваться с ускорением и расширяться вниз по закрытой испытательной секции. Время работы составляет примерно 250 микросекунд. [ 2 ]
Ударный туннель
[ редактировать ]Туннели отраженной ударной волны нагревают и сжимают застойный газ с помощью ударных волн, которые перенаправляются обратно в центр; это возбуждает газы и создает движение, тепло и давление. Затем газы выпускаются и расширяются через сопло в испытательную камеру. Время срабатывания составляет примерно 20 миллисекунд. [ 3 ]
Тестирование
[ редактировать ]В процессе расширения проводятся различные испытания для анализа аэродинамических и тепловых свойств испытательного автомобиля.
- Трение кожи
- Сопротивление, которое создается, когда объект проходит через жидкость, например жидкость или газ.
- Поточная химия
- Анализ реакций, протекающих в непрерывном потоке
- Долговечность
- Способность противостоять разрушению
- Турбулентность
- Беспорядочное движение жидкостей.
- Теплопередача
- Передача тепловой энергии из одной системы в другую.
- Аэроэластичный
- Силы, создаваемые движением воздуха, и способ, которым воздух огибает объект.
- Тепловая защита
- Способность противостоять теплопередаче, снижая температуру
- Вибрация
- Колебания или сотрясения молекул
Инструменты тестирования
[ редактировать ]- Тонкопленочный датчик теплопередачи
- Когда датчик нагревается, сопротивление меняется; это вызывает изменение напряжения, которое используется для расчета количества тепла, переданного объекту.
- Пьезоэлектрический преобразователь давления
- Под давлением кристаллы становились электрически заряженными, пропорционально оказываемому давлению.
- Лазерный диодный спектрограф
- Измеряет свойства преломленного света, генерируемого лазером, проходящим через турбулентный газ вокруг объекта.
- Баланс силы и момента
- Используется для измерения трех или шести компонентов, трех сил (подъемной силы, сопротивления и боковой) и трех моментов (тангажа, крена и рыскания), чтобы полностью описать условия модели. Силы, действующие на модель, обнаруживаются тензодатчиками, расположенными на весах. Каждый датчик измеряет силу путем растяжения электрического элемента или фольги в датчике. Растяжение изменяет сопротивление датчика, что приводит к изменению измеряемого электрического тока через датчик в соответствии с законом Ома. Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона, связано с деформацией величиной, известной как манометрический коэффициент.
Удобства
[ редактировать ]Сверхскоростная расширительная трубка (HET)
[ редактировать ]HET — это один из ударных туннелей группы Калифорнийского технологического института гиперзвука в Калифорнийском технологическом институте, которой руководит профессор Джоанна Остин. Он работает аналогично ударной трубе, где удар, создаваемый первичной диафрагмой, нагревает тестовый газ. Новизна этой установки заключается в том, что тестовый газ дополнительно ускоряется за счет скачка расширения, который образуется, когда основной скачок скачка взаимодействует со второй диафрагмой, расположенной ниже по потоку. Это установка с внутренним диаметром 150 мм, способная развивать скорость от 4 до 8 Маха, была построена в 2005 году. [ 4 ]
ГИПУЛЬС
[ редактировать ]Установка гиперзвуковых импульсов (HYPULSE) находится в ведении Университета Пердью в Вест-Лафайете, штат Индиана, на территории кампуса лабораторий Мориса Дж. Зукроу компании Purdue. HYPULSE ранее использовался Лабораторией общих прикладных наук (GASL) в Нью-Йорке как HYPULSE НАСА, а затем был передан в дар Purdue в 2020 году компанией Northrop Grumman . Установка HYPULSE была разработана для испытаний возвращаемых аппаратов и воздушно-реактивных двигателей. Технические характеристики HYPULSE включают диаметр 7 футов и длину 19 футов. Этот объект был модернизирован и теперь имеет два режима: туннель отраженного удара (RST) и туннель ударного расширения (SET). HYPULSE-RST развивает скорость от 5 до 10 Маха, тогда как HYPULSE-SET развивает скорость от 12 до 25 Маха. [ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]
- Транспортные средства, протестированные в HYPULSE:
- Х-34
- Х-43
- Система тепловой защиты космического корабля (TPS)
- Модель ГПВРД HYPLUSE (HSM)
ОБЪЕКТИВ-I, II
[ редактировать ]Национальные ударные туннели большой энергетики (LENS) были построены за последние 15 лет в Центре оценки аэротермических и аэрооптических технологий (AAEC) в CUBRC. Установки LENS были разработаны для испытаний перспективных головок самонаведения ракет и прямоточных воздушно-реактивных двигателей. LENS I и LENS II имеют схожие системы управления, сжатия и сбора данных. Объект LENS I имеет приводную трубу диаметром 11 дюймов и длиной 25,5 футов, которая электрически нагревается с помощью приводной секции размером 8 дюймов на 60 футов, способной развивать скорость от 7 до 18 Маха. Тестовые модели могут иметь максимальную длину и диаметр 12 футов. 3 фута. LENS I нагревает приводной газ до 750 градусов по Фаренгейту, чтобы работать при максимальном давлении 30 000 фунтов на квадратный дюйм. Установка LENS II включает в себя диаметр 24 дюйма как для 60-футовой, так и для 100-футовой приводной трубы, скорость которой составляет от 3 до 9 Маха. [ 7 ]
- Автомобили, прошедшие испытания на ЛЭНС-И:
- ХайФлай
- Х-34
- Модель орбитального корабля
- Национальный аэрокосмический самолет (NASP)
- Автомобили, прошедшие испытания на ЛЭНС-II:
- ХайФлай
- ЧЛ НДС
- Х-43
- ВАРРРМД
- ГиКауз
- РРСС
ОБЪЕКТИВ-Х
[ редактировать ]LENS-X представляет собой расширительный туннель диаметром 8 футов и шириной 100 футов с максимальной скоростью 30 Маха. Камера привода, заполненная гелием или водородом, сжимается до давления 3000 фунтов на квадратный дюйм при температуре 1000 градусов по Фаренгейту; это разрушает первую диафрагму, в результате чего в ведомую камеру попадает горячий газ, создавая давление более 20 000 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем вторая диафрагма разрывается. [ 8 ]
- Автомобили, прошедшие испытания на ЛЭНС-Х:
- Орион
- DARPA Сокол
Ударный туннель высокой энтальпии (HIEST)
[ редактировать ]Он расположен в Центре космических исследований Какуда – JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований). В этом туннеле можно одновременно моделировать как высокое давление, так и высокую температуру. Основные области применения включают аэродинамические и аэротермодинамические испытания масштабных моделей возвращаемых космических кораблей; и испытания процесса сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. На этом объекте был испытан HYFLEX (гиперзвуковой летный эксперимент), который представлял собой прототип возвращаемого в атмосферу демонстрационного корабля JAXA. Еще одна особенность этого туннеля — можно использовать 3 поршня разной массы. [ 9 ]
Ударный туннель T4
[ редактировать ]Он расположен в Университете Квинсленда , Австралия. Это большой ударный туннель со свободным поршнем, способный создавать суборбитальные скорости потока в диапазоне чисел Маха. Ударный туннель Т4 был введен в эксплуатацию в апреле 1987 года, а штатная эксплуатация после периода ввода в эксплуатацию началась в сентябре 1987 года. 10-тысячный выстрел Т4 был произведен в августе 2008 года, и он остается значительно лучше, чем X2, хотя и уступает X3R. [ 10 ]
Гиперскоростной ударный туннель Т5
[ редактировать ]Это ударный туннель со свободным поршнем, расположенный в Калифорнийском технологическом институте , США. Это самый большой в мире ударный туннель со свободным поршнем в университете. Это импульсная установка, способная достигать очень высоких энтальпий торможения (25 МДж/кг) и давлений (40 МПа). Время тестирования составляет порядка 1 мс. В качестве рабочего газа в нем используются гелий и аргон, а в качестве основной диафрагмы — стальная пластина диаметром 0,25 дюйма. Тестовые газы включают воздух, азот, углекислый газ или их смеси. Поршень массой 120 кг может развивать максимальную скорость, превышающую 300 м/с. . [ 11 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сталкер Р.Дж. «Современные разработки в гиперзвуковых аэродинамических трубах», Аэронавтический журнал, январь 2006 г.
- ^ Холлис, Брайан Р.; Перкинс, Джон Н., «Измерения сверхскоростной теплопередачи в расширительной трубке», документ AIAA 96-2240 (Новый Орлеан, Луизиана: 19-я конференция AIAA по передовым технологиям измерений и наземных испытаний, 1996 г.)
- ^ Jump up to: а б Бакос, Р.Дж.; Цай, К.-Ю.; Роджерс, Р.К.; Ши, А.Т., «Компонент программы наземных испытаний НАСА со скоростью 10 Маха», Исследовательский центр Лэнгли (1999).
- ^ Дюфрен, А.; Шарма, М.; Остин, Дж. М. (2007). «Проектирование и характеристика установки для сверхскоростных расширительных трубок» . Журнал движения и мощности . 23 (6). АИАА: 1185–1193. дои : 10.2514/1.30349 . Проверено 1 июня 2015 г.
- ^ «Гиперзвуковая технология Purdue получает поддержку благодаря пожертвованию ударного туннеля Northrop Grumman» .
- ^ Таманьо, Хосе; Бакос, Роберт; Пульсонетти, Мария; Эрдос, Джон, «Возможности установки расширительных трубок GASL (HYPULSE) для работы на сверхскоростном реальном газе», Документ AIAA 90-1390 (Сиэтл, Вашингтон: 16-я конференция AIAA по наземным аэродинамическим испытаниям, 1990 г.)
- ^ Т. П. Уодхамс, М. С. Холден, М. Г. Маклин, «Экспериментальные исследования орбитальных космических кораблей для сбора данных для проверки кода и модели нагрева полета», AIAA 2010-1576 (Орландо, Флорида: 48-е собрание и выставка AIAA по аэрокосмическим наукам, 2010 г.)
- ^ Бланд, Эрик, «Самая быстрая аэродинамическая труба для испытания Ориона НАСА», Discovery News. «Самая быстрая аэродинамическая труба для испытания Ориона НАСА: Discovery News» . Архивировано из оригинала 28 июня 2011 г. Проверено 6 февраля 2011 г.
- ^ «Космический центр Какуда-Испытательная база-» . Архивировано из оригинала 20 февраля 2013 г. Проверено 1 апреля 2012 г.
- ^ «Гипертехника – Школа машиностроения и горного дела – Университет Квинсленда» .
- ^ «Джоанна М. Остин | Гиперзвук» .