Применение ионизированного газа в задачах ориентации и обтекания летательных аппаратов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

9 кз .

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени профессора Н.Е. ЖУКОВСКОГО

ЦАГИ

71 11-5/283

УДК 533.6; 533.9;629.78.018.3 На правах рукописи

и и 8. ^ но

Скворцов Владимир Владимирович

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗОВАННОГО ГАЗА В ЗАДАЧАХ ОРИЕНТАЦИИ И ОБТЕКАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

01.02.05 - Механика жидкости газа и плазмы

Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора технических наук

А"

^^ЛШМ^ЛнК_____________________________________и-г/:,

Начальпиюупрйвлекяя БАК России

'0

Москва - 2007

ФОРМИРОВАНИЕ И ПРИМЕРЕНИЕ РЯДА ТЕЧЕНИЙ ИОНИЗОВАННОГО ГАЗА В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ И АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................6

Основные направления работы..............................................................6

Актуальность темы.............................................................................7

Цель и задачи исследований................................................................10

Научные положения, выносимые на защиту.............................................12

Достоверность полученных результатов.................................................15

Научная новизна и значимость результатов.............................................17

Практическая значимость....................................................................18

Апробация работы, объем и структура работы..........................................20

Содержание работы...........................................................................21

Глава I АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

(Краткий обзор литературных данных).....................................33

1.1 Формирование течений ионизованного газа для моделирования и воспроизведения условий орбитального полета и течений разреженного нейтрального газа... ..................................................................33

1.2. Исследования вопросов формирования разрядов в сверхзвуковых потоках воздуха и влияния разрядов на газодинамику...........................36

1.3. Экспериментальные и теоретические исследования влияния энергоподвода в поток воздуха на величину волнового сопротивления.....42

Глава II РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ РАЗРЕЖЕННЫХ ПОТОКОВ ИОНИЗОВАННОГО И НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗОВ, ПАРАМЕТРЫ КОТОРЫХ ВОСПРОИЗВОДЯТ УСЛОВИЯ ПОЛЕТА НА ВЫСОТАХ 200 И БОЛЕЕ КМ ПО СКОРОСТИ ПОТОКА, КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ, ИХ ТЕМПЕРАТУРЕ, РЯДА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕТОДОВ...............................50

11.1. Методика и результаты исследований параметров потока плазмы с натурными значениями скорости и концентрации заряженных

частиц..........................................................................................54

11.2. Реализация эффектов ускорения ионов в зонах с замкнутым дрейфом электронов в плазменных ускорителях..........................................65

II.3 Результаты разработки источника потока разреженного нейтрального газа с регулируемой скоростью в диапазоне 7-15 км/с на основе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов......................................73

11.4. Методика и результаты исследований параметров нейтрального потока, разработанного на основе УЗДП...........................................78

11.5. Дополнительные методики, применявшиеся в ионосферной трубе при исследовании особенностей характеристик ионных датчиков ориентации...................................................................................84

ВЫВОДЫ (Главы II)........................................................................89

■Глава III ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ ОСОБЕННОСТЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННЫХ ДАТЧИКОВ ОРИЕНТАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ............................................................................91

III.1. Классификация нарушений угловых характеристик ионных датчиков ориентации........................................................................95

111.2. Исследование возможного влияния потенциала корпуса летатетель-ного аппарата на угловые характеристики ионных датчиков ориентации..99

111.3. Формирование особенностей ионного потока в датчике ориентации под действием мелкомасштабных неоднородностей полей его сеток и их

роль в макроскопических нелинейных искажениях угловых характеристик................................................................................109

Ш.4. Исследование эффектов, определявших потерю угловой чувствительности и резкого увеличения крутизны угловых характеристик датчиков ориентации.......................................................................124

ВЫВОДЫ (Главы III)........................................................................137

Глава IV СОВМЕСТНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ПО СОСТАВУ И ЭНЕРГИИ ИОНОВ ПОТОКОВ СИНТЕЗИРОВАННОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЭФФЕКТА АНОМАЛЬНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ КРУТИЗНЫ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННЫХ ДАТЧИКОВ ОРИЕНТАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА УВЕЛИЧЕНИЯ

КРУТИЗНЫ, НЕ СВЯЗАННОГО С ВТОРИЧНЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ.........................139

1У.1. Воспроизведение в лабораторных условиях эффекта аномального увеличения крутизны угловых характеристик при штатном распределении потенциалов на электродах

чувствительного элемента датчика...................................................139

1У.2. Исследование причин возникновения эффекта увеличения крутизны угловой характеристики ионного датчика

ориентации, не связанного с вторичными электронами.

Результаты эксперимента...............................................................146

IV.3. Численные исследования эффектов формирования

модулированных потоков ионов в сеточных системах при

малой амплитуде модулирующего напряжения..................................152

IV.4. Результаты исследований в ионосферной трубе ЦАГИ ионного датчика ориентации НПО «Энергия» с повышенной помехозащищенностью..................................................................171

ВЫВОДЫ (Главы IV).......................................................................175

ГЛАВА V. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ АЭРОФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА МОЛЕКУЛ АЗОТА ПРИ СКОРОСТИ 7-14 КМ/С С ОБРАЗЦАМИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЯ МАТЕРИАЛЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МЕТОДОМ ИОННО-АТОМНОГО ОСАЖДЕНИЯ...............................................................................178

V.1 Применение разработанного источника в экспериментах по измерению коэффициента аккомодации нормального импульса молекул азота..........................................................................................................178

V.2. Разработка и исследование метода снижения коэффициента аккомодации кинетической энергии молекул

при орбитальных скоростях полета, основанного на использовании ионных технологий.......................................................................181

ВЫВОДЫ (Главы V).......................................................................194

Глава VI ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ ПРОДОЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В СВЕРХЗВУКОВЫХ

ПОТОКАХ ВОЗДУХА...............................................................196

VI. 1. Постановка задачи. Экспериментальная установка и методика измерений. Изучение свойств поперечных разрядов с точки зрения их применения в аэродинамических исследованиях по обтеканию моделей потоками воздуха, подвергнутыми воздействию электрических разрядов.....................................................................196

VI.2. Исследование возможности создания продольного разряда с минимальным уровнем пульсаций разрядного тока.............................221

VI.3 Исследование параметров течения в следе за продольным

разрядом.......................................................................................239

ВЫВОДЫ (Главы VI)........................................................................246

Глава VII ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПРОДОЛЬНЫХ РАЗРЯДОВ И РАЗРЯДОВ, СОЗДАВАЕМЫХ НА ГОЛОВНЫХ ЧАСТЯХ МОДЕЛЕЙ, ПРИ ИЗУЧЕНИИ СТАЦИОНАРНОСТИ ОБТЕКАНИЯ, ВЛИЯНИЯ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ НОСОВЫХ ЧАСТЕЙ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ.........................249

VII. 1. Исследование разрешенной во времени структуры обтекания моделей сверхзвуковым потоком воздуха, подвергнутым воздействию электрического разряда..................................................................249

VII.2. Экспериментальные исследования снижения сопротивления

осесимметричных моделей, установленных в следе продольного

разряда.........................................................................................258

VII.3. Исследование аэродинамических эффектов при создании электрических разрядов на моделях в сверхзвуковых потоках воздуха ... .265

ВЫВОДЫ (Главы VII).......................................................................287

Приложение I (к главе IV)..................................................................290

Приложение II (к главе V)..................................................................294

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................305

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................310

ВВЕДЕНИЕ Основные направления исследований

В практике аэродинамических и аэрокосмических исследований хорошо известны такие направления применения электрических разрядов, создаваемой в них плазмы, как электродуговые подогреватели воздуха в форкамерах аэродинамических труб, МГД ускорители и плазмотроны для получения высокоскоростных высокоэнтальпийных потоков, как метод визуализации течений. Ведутся исследования по применению приповерхностных разрядов для снижения сопротивления трения и разработке устройств плазменно-стимулированного горения в высокоскоростных потоках. Под задачи управления космическими аппаратами разрабатываются и применяются электрические реактивные двигатели.

В представляемой работе рассматриваются и анализируются результаты исследований в двух направлениях. Одно из них содержит результаты исследований, связанных с разработкой научного направления: аэрофизические и прикладные исследования в потоках ионизованного газа и нейтрального газа, параметры которых воспроизводят условия полета орбитальных аппаратов на высотах - 200 и более км по скорости набегающих на них потоков заряженных и нейтральных частиц, их концентрации, температуре, при возможности плавного регулирования скорости потока ионизованного газа в диапазоне 5-15 км/с, а нейтрального - 7 - 15 км/с на

основе метода создания потока синтезированной плазмы и плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях и протяженной зоной ускорения (УЗДП); проведения в потоке ионизованного газа исследований таких натурных приборов, как ионные датчики ориентации орбитальных аппаратов, а в нейтральном потоке - метода модификации поверхности конструкционных материалов с помощью современной ионной технологии под задачи аэрокосмических приложений.

Вторая часть включает исследования, задача которых состояла в том, чтобы в концептуальном плане определить основной механизм влияния разрядов на волновое сопротивление тел, прежде всего с низкими начальными значениями коэффициента сопротивления Сх, характерными для авиационных приложений, на основе экспериментов в классических аэродинамических трубах с хорошо известными и стабильными параметрами потока и предваряющие их исследования вопросов создания разряда с низким уровнем пульсаций тока и подводимой к разряду мощности в сверхзвуковых потоках, что необходимо для корректного проведения соответствующих аэродинамических экспериментов.

Актуальность темы

В области аэрокосмических приложений практикой орбитальных полетов была поставлена задача разработки методов воспроизведения условий полета на высотах ~ 200 и более км по скорости набегающих на аппараты потоков заряженных и нейтральных частиц, их концентрации, температуре. В

то время как при моделировании движения тел в ионосфере могли использоваться потоки плазмы, скорость которых, концентрация и температура частиц в которых, отличались от натурных значений, одним из основных требований при испытаниях натурных приборов в лабораторных условиях является требование воспроизведения реальных значений скорости полета. Важным требованием является также воспроизведение всего диапазона значений концентрации заряженных частиц. Их температура должна соответствовать реальным значениям. К числу необходимых требований относится также требование достаточно больших размеров создаваемых потоков, чтобы в них могли испытываться натурные приборы.

Актуальными, как показала практика, оказались исследования характеристик штатных приборов в таких условиях.

При исследовании взаимодействия потока разреженного нейтрального газа с поверхностями конструкционных материалов актуальной является возможность изучения этого взаимодействия при орбитальных значениях скорости, причем для установления функциональных зависимостей важным моментом является возможность плавного ее регулирования в представляющем интерес диапазоне изменения данной величины при воспроизведении реальных значений концентрации нейтральных частиц. Разработке соответствующего метода на базе современной технологии плазменных ускорителей и его применения в экспериментах, в которых была практически реализована гипотеза проф. М.Н. Когана (ЦАГИ) о возможности целенаправленного изменения аэродинамических свойств конструкционных

материалов с помощью ионных технологий посвящена одна из глав диссертации на примере снижения коэффициента аккомодации энергии.

Проводившиеся в последние 15 лет в ряде организаций физические исследования особенностей обтекания тел сверхзвуковыми потоками воздуха, подвергнутыми воздействию электрических разрядов, созданных непосредственно вблизи моделей, баллистические эксперименты, в которых модели простреливались через ионизованную область, свидетельствовали о том, что в некоторых случаях имеют место эффекты сильного энергетически выгодного снижения волнового сопротивления. На основании этих физических экспериментов высказывалось мнение о перспективности применения на летательных аппаратах устройств для реализации метода с целью снижения волнового сопротивления аппаратов в целом.

Другая точка зрения на проблему состояла в том, что если не учитывать достаточно слабых объемных сил, обусловленных электрическими полями в плазме в отсутствии магнитного поля, то основным фактором, который может существенно влиять на волновое сопротивление, является объемное, в том числе в форме каналов, выделение тепловой энергии около тела и изменение из-за этого структуры обтекания. По этой концепции эффект теплового влияния в сильной степени зависит от геометрии тела, уменьшаясь при переходе к телам с низкими значениями коэффициента сопротивления Сх, характерными для современных авиационных аппаратов. Так как сильные электрические поля в разрядах в отсутствии магнитного поля возникают в основном вблизи электродов и, возможно, на скачках уплотнения, то

дополнительные к тепловым эффекты следует ожидать в этих случаях. Вместе с тем, только исследования, проведенные в условиях корректно поставленных аэродинамических экспериментов, могли подтвердить справедливость этой концепции. Важность ответа на поставленную физическими опытами задачу выяснения реальных возможностей этого метода снижения сопротивления для авиационной летательной техники, обоснование того, что теоретические расчеты эффекта можно корректно проводить на основе тепловой концепции, определили необходимость исследований в данном направлении.

Исследованиям в перечисленных направлениях и посвящена данная диссертационная работа.

Цель и задачи исследований

Основная цель данной диссертационной работы состояла в разработке комплекса вопросов, связанных с формированием потоков ионизованного газа и потока разреженного нейтрального газа для применения этих потоков в следующих аэрокосмических и аэродинамических приложениях: исследование характеристик натурных приборов, в частности, таких как ионные датчики ориентации орбитальных аппаратов, для объяснения наблюдавшихся в натурных условиях особенностей их угловых характеристик и выработки рекомендаций по устранению этих особенностей; изучение взаимодействия свободномолекулярных потоков, имеющих скорость и концентрацию частиц, соответствующих орбитальным условиям полета на высотах ~ 200 и более км, с поверхностью конструкционных материалов, в том числе модифицированных с применением ионной технологии, (в плане реализации

гипотезы проф. М.Н.Когана (ЦАГИ) о возможности управления соответствующими характеристиками с помощью этих технологий); изучение взаимодействия сверхзвуковых потоков воздуха, подвергнутых воздействию электрических разрядов, с моделями, имеющими различные значения коэффициента сопротивления Сх, формулировка на основании полученных результатов выводов относительно основного механизма влияния разрядов на волновое сопротивление.

Из этой цели вытекали следующие задачи:

- Разработать методику создания и изучить характеристики течения слабо ионизованного газа, параметры которого воспроизводят условия орбитального полета по скорости набегающего на аппарат потока, концентрации заряженных частиц, их температуре при размерах потока, позволяющих проводить исследования натурных приборов. Разработать методики, позволяющие воспроизвести в лабораторных экспериментах особенности, которые наблюдались при работе штатных ионных датчиков ориентации в натурных условиях, дать объяснение этих эффектов, чего не удалось сделать при полетах на основании телеметрической информации. Выработать рекомендации по устранению или снижению роли этих эффектов.

- На основе плазменных ускорителей типа УЗДП разработать источник потока разреженного нейтрального газа с плавно регулируемой величиной скорости, соответствующей орбитальным �