|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Аэродинамическая труба | Аэродинамическая труба (далее А) установка, создающая поток воздуха или газа для эксперимент, изучения явлений, сопровождающих обтекание тел. С помощью А определяются силы, возникающие при полете самолетов и вертолетов, ракет и космических кораблей, при движении подводных судов в погруженном состоянии; исследуются их устойчивость и управляемость; отыскиваются оптимальные формы самолетов, ракет, космических и подводных кораблей, а также автомобилей и поездов; определяются ветровые нагрузки, а также нагрузки от взрывных волн, действующие на здания и сооружения — мосты, мачты электропередач, дымовые трубы и т. п. В специальных А исследуется нагревание и теплозащита ракет, космических кораблей и сверхзвуковых самолетов.
Опыты в А основываются на принципе обратимости движения, согласно которому перемещение тела относительно воздуха (или жидкости) можно заменить движением воздуха, набегающего на неподвижное тело. Для моделирования движения тела в покоящемся воздухе необходимо создать в А равномерный поток, имеющий в любых точках равные и параллельные скорости (равномерное поле скоростей), одинаковые плотность и температуру. Обычно в А исследуется обтекание модели проектируемого объекта или его частей и определяются действующие на нее силы. При этом необходимо соблюдать условия, которые обеспечивают возможность переносить результаты, полученные для модели в лабораторных условиях, на полноразмерный натурный объект (см. Моделирование, Подобия теория). При соблюдении этих условий аэродинамические коэффициенты для исследуемой модели и натурного объекта равны между собой, что позволяет, определив аэродинамический коэффициент в А, рассчитать силу, действующую на натуру (например, самолет).
Прототип А был создан в 1897 К. Э. Циолковским, использовавшим для опытов поток воздуха на выходе из центробежного вентилятора. В 1902 Н. Е. Жуковский построил А, в которой осевым вентилятором создавался воздушный поток со скоростью до 9 м/сек. Первые А разомкнутой схемы были созданы Т. Стантоном в Национальной физической лаборатории в Лондоне в 1903 и Н. Е. Жуковским в Москве в 1906, а первые замкнутые А — в 1907—1909 в Геттингене Л. Прандтлем и в 1910 Т. Стантоном. Первая А со свободной струей в рабочей части была построена Ж. Эйфелем в Париже в 1909. Дальнейшее развитие А шло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель), которая является одной из основных характеристик А
В связи с развитием артиллерии, реактивной авиации и ракетной техники появляются сверхзвуковые А, скорость потока в рабочей части которых превышает скорость распространения звука. В аэродинамике больших скоростей скорость потока или скорость полета летательных аппаратов характеризуется числом М = v/a (т. е. отношением скорости потока v к скорости звука а). В соответствии с величиной этого числа А делят на 2 основные группы: дозвуковые, при М < 1, и сверхзвуковые, при М > 1.
Дозвуковые аэродинамические трубы. Дозвуковая А постоянного действия (рис. 1) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника). Рабочая часть А может быть закрытой или открытой (рис. 2, а и б), а если необходимо создать А с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (рис. 2) (высотной камерой). Исследуемая модель 2 (рис. 1) крепится державками к стенке рабочей части А или к аэродинамическим весам 3. Перед рабочей частью расположено сопло 4, которое создает поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой (6 — спрямляющая решетка, выравнивающая поле скоростей). Диффузор 5 уменьшает скорость и соответственно повышает давление струи, выходящей из рабочей части. Компрессор (вентилятор) 7, приводимый в действие силовой установкой 8, компенсирует потери энергии струи; направляющие лопатки 9 уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 12 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся в струе за диффузором. Радиатор 10 обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части А Если в каком-либо сечении канала А статическое давление должно равняться атмосферному, в нем устанавливают клапан 11.
Размеры дозвуковых А колеблются от больших А для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолетов) до миниатюрных настольных установок.
А, схема которой приведена на рис. 1, относится к типу т. н. замкнутых А Существуют также разомкнутые А, в которых газ к соплу подводится из атмосферы или специальных емкостей. Существенной особенностью дозвуковых А является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счет изменения перепада давления.
Согласно теории подобия, для того чтобы аэродинамические коэффициенты у модели и натуры (самолета, ракеты и т. п.) были равны, необходимо, кроме геометрического подобия, иметь одинаковые значения чисел М и Рейнольдса числа в А и в полете ( = rvl/m, r — плотность среды, m — динамич. вязкость, l — характерный размер тела). Чтобы обеспечить эти условия, энергетическая установка, создающая поток газа в А, должна обладать достаточной мощностью (мощность энергетической установки пропорциональна числу М, квадрату числа и обратно пропорциональна статическому давлению в рабочей части pc.
Сверхзвуковые аэродинамические трубы. В общих чертах схемы сверхзвуковой и дозвуковой А аналогичны (рис. 1 и 3). Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части А применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определенный контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых А для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.
В диффузоре сверхзвуковой А скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося — расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения (ударная волна), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых А часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.
В сверхзвуковой А потери энергии в ударных волнах, возникающих в диффузоре, значительно больше потерь на трение и вихреобразование. Кроме того, значительно больше потери при обтекании самой модели, поэтому для компенсации этих потерь сверхзвуковые А имеют многоступенчатые компрессоры и более мощные силовые установки, чем дозвуковые А
В сверхзвуковом сопле по мере увеличения скорости воздуха уменьшаются его температура Т и давление р, при этом относительная влажность воздуха, обычно содержащего водяные пары, возрастает, и при числе М " 1,2 происходит конденсация пара, сопровождающаяся образованием ударных волн — скачков конденсации, существенно нарушающих равномерность поля скоростей и давлений в рабочей части А Для предотвращения скачков конденсации влага из воздуха, циркулирующего в А, удаляется в специальных осушителях 11.
Одним из основных преимуществ сверхзвуковых А, осуществляемых по схеме рис. 3, является возможность проведения опытов значительной продолжительности. Однако для многих задач аэродинамики это преимущество не является решающим. К недостаткам таких А относятся: необходимость иметь энергетические установки большой мощности, а также трудности, возникающие при числах М > 4 вследствие быстрого роста требуемой степени сжатия компрессора. Поэтому широкое распространение получили т. н. баллонные А, в которых для создания перепада давлений перед соплом помещают баллоны высокого давления, содержащие газ при давлении 100 Мн/м2 (1000 кгс/см2), а за диффузором — вакуумные емкости (газгольдеры), откачанные до абсолютного давления 100—0,1 н/м2 (10-3—10-6 кгс/см2), или систему эжекторов (рис. 4).
Одной из основных особенностей А больших чисел М (М > 5) является необходимость подогрева воздуха во избежание его конденсации в результате понижения температуры с ростом числа М. В отличие от водяных паров, воздух конденсируется без заметного переохлаждения. Конденсация воздуха существенно изменяет параметры струи, вытекающей из сопла, и делает ее практически непригодной для аэродинамического эксперимента. Поэтому А больших чисел М имеют подогреватели воздуха. Температура T0, до которой необходимо подогреть воздух, тем больше, чем больше число М в рабочей части А и давление перед соплом p0. Например, для предотвращения конденсации воздуха в А при числах М " 10 и p0 " 5 Мн/м2 (50 кгс/см2) необходимо подогревать воздух до абсолютной температуры T0 " 1000 К.
Развитие техники идет в направлении дальнейшего увеличения скоростей полета. Спускаемые космические аппараты "Восток" и "Восход" входят в атмосферу Земли с первой космической скоростью v1кос " 8 км/сек (т. е. М > 20). Космические корабли, возвращающиеся на Землю с Луны и др. планет, будут входить в атмосферу со второй космической скоростью v2кос ³ 11 км/сек (М > 30). При таких скоростях полета температура газа за ударной волной, возникающей перед летящим телом, превыщает 10000 К, молекулы и диссоциируют (распадаются на и становится существенной ионизация Необходимо исследовать влияние этих процессов на силы, возникающие при обтекании тела, и тепловые потоки, поступающие к его поверхности. Для этого в А необходимо получить не только натурные значения чисел М и , но и соответствующие температуры T0. Это привело к созданию новых типов А, работающих с газом, нагретым до высоких температур, значительно превышающих температуру, необходимую для предотвращения конденсации воздуха при данном числе М. К установкам этой группы относятся ударные трубы, импульсные установки, электродуговые установки и т. п.
Ударная труба (рис. 5, а) представляет собой ступенчатую цилиндрическую трубу, состоящую из двух секций — высокого 1 и низкого 2 давления, разделенных мембраной 3. В секции 1 содержится "толкающий" газ (обычно Не или Н), нагретый до высокой температуры и сжатый до давления p1. Секция низкого давления заполняется рабочим газом (воздухом) при низком давлении p2 Это состояние, предшествующее запуску А, соответствует на рис. 5, б времени t0. После разрыва мембраны 3 по рабочему газу начинает перемещаться ударная волна 4, которая сжимает его до давления р и повышает температуру. За ударной волной с меньшей скоростью двигается контактная поверхность 5, разделяющая толкающий и рабочий газы (момент времени t1). Давление и температура рабочего газа в объеме между ударной волной и контактной поверхностью постоянны. В дальнейшем ударная волна 4 пройдет через сопло 6 и рабочую часть А 7 в емкость 8, и в рабочей части установится сверхзвуковое течение с давлением p4 (момент времени t2).
Исследование обтекания газом модели 9 начинается в тот момент, когда ударная волна 4 пройдет сечение, в котором расположена модель, и заканчивается, когда в это сечение придет контактная поверхность. Поскольку скорость движения ударной волны в трубе 2 больше скорости контактной поверхности, очевидно, что длительность эксперимента в А тем больше, чем больше длина "разгонной" трубы 2. В существующих ударных А эта длина достигает 200—300 м.
Рассмотренный тип ударных А дает возможность получить температуры около 8000 К при времени работы порядка миллисекунд. Применяя ударные А с несколькими мембранами, удается получить температуры до 18000 К.
Электродуговые А Для решения многих задач аэродинамики можно ограничиться меньшими температурами, но требуется значительное время эксперимента, например при исследовании аэродинамического нагрева или теплозащитных покрытий.
В электродуговых А (рис. 6) воздух, подаваемый в форкамеру сопла, подогревается в электрической дуге до температуры ~6000 К. Дуга, образующаяся в кольцевом канале между охлаждаемыми поверхностями центрального электрода 1 и камеры 2, вращается с большой частотой полем, создаваемым индуктивной катушкой 7 (вращение дугового разряда необходимо для уменьшения эрозии электродов). А этого типа позволяет получить числа М до 20 при длительности эксперимента в несколько сек. Однако давление в форкамере обычно не превышает 10 Мн/м2 (100 кгс/см2).
Большие давления в форкамере ~60 Мн/м2 (600 кгс/см2) и, соответственно, большие значения числа М можно получить в т. н. импульсных А, в которых для нагревания газа применяется искровой разряд батареи высоковольтных конденсаторов. температура в форкамере импульсной А ~ 6000 К, время работы — несколько десятков мсек.
Недостатки установок этого типа — загрязнение потока продуктами эрозии электродов и сопла и изменение давления и температуры газа в процессе эксперимента.
Лит.: Пэнкхерст Р. и Холдер Д., Техника эксперимента в аэродинамических трубах, пер. с англ., М., 1955; Закс Н. А., Основы экспериментальной аэродинамики, 2 изд., М., 1953; Хилтон У. Ф., Аэродинамика больших скоростей, пер. с англ., М., 1955; Современная техника аэродинамических исследований при гиперзвуковых скоростях, под ред. А. М. Крилла, пер. с англ., М., 1965; Исследование гиперзвуковых течений, под ред. Ф. Р. Риддела, пер. с англ., М., 1965.
М. Я. Юделович.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 22.12.2024 20:11:20
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
