Қанатты туннельдер: Гипердыбыстық ағындарды зерттеу және құрылысы
Hypersonic wind tunnel
Гипердыбыстық тоннельдер: Мах 5-15 жылдамдықтарында ауа ағынын зерттеу, конструкциясы, қуат талаптары және тарихы. AEDC Tullahoma-дағы алғашқы тоннель.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гипердыбыстық жел туннелі жұмыс бөлімінде гипердыбыстық ағын өрісін құру үшін жобаланған, осылайша осы ағын режимінің ерекшеліктерін – қысымдық шоктарды, айқын шекаралық қабат әсерлерін, энтропиялық қабатты, тұйық әрекеттесу аймақтарын және, ең бастысы, ағынның жоғары жалпы температурасын модельдеуге мүмкіндік береді. Мұндай туннельдердің жылдамдығы Мах 5-тен 15-ке дейін өзгереді. Жел туннеліне қажетті қуат көлденең қимасы мен ағын тығыздығына пропорционалды түрде өседі, бірақ сынақ жылдамдығына қатысты кубикалық өсім байқалады. Сондықтан, жабық контурлы жел туннелін орнату өте қымбат. Бірінші үздіксіз Мах 7-10 жел туннелі 1x1 м сынақ бөлімімен Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Германияның Кохель-ам-Зе қаласында жоспарланған, ал 1950 жылдардың соңында АҚШ-тың Теннесси штатындағы Таллахома қаласындағы AEDC-де «А туннелі» ретінде пайдалануға берілді, оның орнатылған қуаты 57 МВт құрады. Осындай жоғары талаптарды ескере отырып, гипердыбыстық ағынды модельдеу үшін үзіліспен жұмыс істейтін, мысалы, үрлеу типтес жел туннелдері де жобаланып, орнатылады. Гипердыбыстық жел туннелі ағын бағыты бойынша негізгі компоненттерден тұрады: жылытқыш/салқындатқыш құрылғылар, кептіргіш, конвергентті/дивергентті сопло, сынақ бөлімі, екінші тамақ және диффузор. Үрлеу типтес жел туннелінің артқы жағында төмен қысымды резервуар орналасқан, ал үздіксіз жұмыс істейтін, жабық контурлы жел туннелінде жоғары қуатты компрессор орнатылады. Ағынның кеңеюімен температура төмендейтіндіктен, сынақ бөліміндегі ауа сұйықтануы мүмкін. Осы себепті алдын ала қыздыру аса маңызды (соплоны салқындату қажет болуы мүмкін).
A hypersonic wind tunnel is designed to generate a hypersonic flow field in the working section, thus simulating the typical flow features of this flow regime including compression shocks and pronounced boundary layer effects, entropy layer and viscous interaction zones and most importantly high total temperatures of the flow. The speed of these tunnels vary from Mach 5 to 15. The power requirement of a wind tunnel increases linearly with its cross section and flow density, but cubically with the test velocity required. Hence installation of a continuous, closed circuit wind tunnel remains a costly affair. The first continuous Mach 7 10 wind tunnel with 1x1 m test section was planned at Kochel am See, Germany during WW II and finally put into operation as 'Tunnel A' in the late 1950s at AEDC Tullahoma, TN, USA for an installed power of 57 MW. In view of these high facility demands, also intermittently operated experimental facilities like blow down wind tunnels are designed and installed to simulate the hypersonic flow. A hypersonic wind tunnel comprises in flow direction the main components: heater/cooler arrangements, dryer, convergent/divergent nozzle, test section, second throat and diffuser. A blow down wind tunnel has a low vacuum reservoir at the back end, while a continuously operated, closed circuit wind tunnel has a high power compressor installation instead. Since the temperature drops with the expanding flow, the air inside the test section has the chance of becoming liquefied. For that reason, preheating is particularly critical (the nozzle may require cooling).
Ыстық соққы жел құбыры
HWT-ның бір түрі Gun Tunnel немесе Hot shot tunnel (M=27 дейін) деп аталады, оны баллистикалық зымырандардың, атмосфераға кіретін ғарыш кемелерінің және плазма физикасының немесе жоғары температурадағы жылу алмасудың ағындарынан өтетін ағындарды талдау үшін пайдалануға болады. Ол үзіліспен жұмыс істейді, бірақ жұмыс істеу уақыты өте қысқа (бір секундтан кем). Жұмыс істеу принципі аркалық камерада жасалған жоғары температуралы және қысымды газға (ауа немесе азот) және туннельдің қалған бөлігіндегі жақын вакуумға негізделген. Аркалық камера бірнеше МПа қысымға жете алады, ал вакуумдық камерадағы қысым 0,1 Па дейін төмендеуі мүмкін. Бұл осы туннельдердің қысым арақатынасы 10 миллион шамасында екенін білдіреді. Сондай-ақ, ыстық газдың температурасы 5000 К-қа дейін жетеді. Аркалық камера оқ түтігіне орнатылған. Жоғары қысымды газ вакуумнан диафрагма арқылы бөлінеді. Сынақ жүргізу алдында, қысылған ауа оқ түтігінің камерасынан мембранамен бөлінеді. Мембрананы жарып алу үшін мылтық (немесе осыған ұқсас құрал) қолданылады. Қысылған ауа оқ түтігінің камерасына құйылып, шағын снарядты оқ түтігінен жоғары жылдамдықпен ұшуға мәжбүрлейді. Снарядтың оқ түтігінен шығуына жол берілмесе де, снаряд алдындағы ауа жұмыс бөліміне гипердыбыстық жылдамдықпен кіреді. Әрине, сынақ өте қысқа болғандықтан, мағыналы деректер алу үшін жоғары жылдамдықты құралдар қажет.
One form of HWT is known as a Gun Tunnel or hot shot tunnel (up to M=27), which can be used for analysis of flows past ballistic missiles, space vehicles in atmospheric entry, and plasma physics or heat transfer at high temperatures. It runs intermittently, but has a very low running time (less than a second). The method of operation is based on a high temperature and pressurized gas (air or nitrogen) produced in an arc chamber, and a near vacuum in the remaining part of the tunnel. The arc chamber can reach several MPa, while pressures in the vacuum chamber can be as low as 0.1 Pa. This means that the pressure ratios of these tunnels are in the order of 10 million. Also, the temperatures of the hot gas are up to 5000 K. The arc chamber is mounted in the gun barrel. The high pressure gas is separated from the vacuum by a diaphragm. Prior to a test run commencing, a membrane separates the compressed air from the gun barrel breech. A rifle (or similar) is used to rupture the membrane. Compressed air rushes into the breech of the gun barrel, forcing a small projectile to accelerate rapidly down the barrel. Although the projectile is prevented from leaving the barrel, the air in front of the projectile emerges at hypersonic velocity into the working section. Naturally the duration of the test is extremely brief, so high speed instrumentation is required to get any meaningful data.
Үндістандағы гипердыбысты жел туннелі
Үндістанның ғарыш зерттеулер ұйымы (ISRO) ғарышқа шығу құнын азайту үшін Викрам Сарабхай ғарыш орталығында үш маңызды құрылысты – гипердыбысты жел туннелін, соққы туннелін және плазма туннелін пайдалануға берді. Бұл біріктірілген кешен жел туннельдері мен аэродинамика саласында зор үлес қосқан профессор Сатиш Даванның құрметіне Сатиш Даван жел туннелі кешені деп аталды. ISRO төрағасы А. С. Киран Кумар мұндай құрылыстардың іске қосылуы Үндістандағы қазіргі және болашақ ғарыш көлік жүйелерін жобалау және дамыту үшін қажетті мәліметтерді ұсынып, тиімдірек ететінін мәлімдеді. Қорғаныс ғылыми-зерттеу және даму ұйымы (DRDO) 2020 жылдың 20 желтоқсанында Д.А.П.Ж.Абдулқалам атындағы зымыран кешенінде жоғары жылдамдықты жел туннелі (HWT) сынақ орталығын пайдалануға берді, бұл жоғары жылдамдықты технологиялық демонстрациялық ұшқышсыз аппарат жобасын дамыту бағдарламасының бір бөлігі болды.
The Indian Space Research Organization (ISRO) commissioned three major facilities, namely a Hypersonic Wind Tunnel, a Shock Tunnel and a Plasma Tunnel at Vikram Sarabhai Space Center as part of its continuous and concerted efforts to minimize cost of access into space. This integrated facility was named as Satish Dhawan Wind Tunnel Complex as a tribute to Prof. Satish Dhawan, who has made very significant contributions in the field of wind tunnels and aerodynamics. ISRO Chairman A. S. Kiran Kumar said commissioning of such facilities would provide adequate data for design and development of current and future space transportation systems in India. Defence Research and Development Organisation (DRDO) commissioned an advanced Hypersonic Wind Tunnel (HWT) test facility at Dr APJ Abdul Kalam Missile Complex on 20 December 2020 as part of facility development programme for Hypersonic Technology Demonstrator Vehicle project.
MARHy, Франциядағы Орлеандағы гипердыбысты жел туннелі
Франциядағы Орлеан қаласындағы ICARE зертханасында орналасқан MARHy гипердыбыстық төмен тығыздықты жел туннелі – ғарыш зерттеулеріне қолданылатын, сирек сығымдалған ағындардағы сұйықтық динамикасы құбылыстарын фундаменталды және қолданбалы түрде зерттеуге арналған ғылыми-зерттеу мекемесі. Оның атауы "Махқа бейімделетін сирек гипердыбыстық" деген сөздердің аббревиатурасы, ал жел туннелі осы атаумен MERIL еуропалық порталында тіркелген.
The MARHy Hypersonic low density Wind Tunnel, located at the ICARE Laboratory in Orléans, France, is a research facility used extensively for fundamental and applied research of fluid dynamic phenomena in rarefied compressible flows, applied to space research. Its name is an acronym for Mach Adaptable Rarefied Hypersonic and the wind tunnel is recorded under this name under the European portal MERIL.