RU2661345C1

RU2661345C1 - Method for simulation of a shock-compressed layer in arc discharge conditions

Info

Publication number: RU2661345C1
Application number: RU2017108526A
Authority: RU
Inventors: Александр Геннадьевич Бедрин; Валентин Михайлович Громовенко; Иван Сергеевич Миронов
Original assignee: АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП")
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2018-07-16

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to plasma engineering, in particular to methods and devices with controlled plasma, and can be used to solve technical problems during the development of optical observation systems, as well as in the testing of structural and heat-protection materials. In the method for modeling a shock-compressed layer (SCL) under conditions of an arc discharge, which includes the initiation of a discharge, the formation of a plasma and the creation of pressure on the plasma, formation of plasma is carried out under conditions of a magnetically pressed discharge in a channel made in the form of a dielectric tray with open ends coated with a covering material similar to the coating material of the hypersonic object under test, and the discharge is carried out under conditions found from certain formula.

EFFECT: possibility of modeling SCL with the values of the enthalpy, pressure, and radiation of the SCL, characteristic of the SCL, emerging into the external medium.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к способам и устройствам с управляемой плазмой, и может быть использовано для решения технических задач при разработке оптических систем наблюдения, а также при испытаниях конструкционных и теплозащитных материалов.The invention relates to plasma technology, in particular to methods and devices with controlled plasma, and can be used to solve technical problems in the development of optical surveillance systems, as well as in testing structural and heat-protective materials.

Под ударно-сжатым слоем (УСС) понимают область нагретого излучающего газа, возникающую в окрестности объектов, движущихся в атмосфере с гиперзвуковой скоростью (гиперзвуковых объектов), с числом Маха >5. Тепловые потоки, создаваемые УСС на поверхности объектов при их движении в атмосфере со скоростями вплоть до орбитальной (~8 км/с), составляют 10⁶-3,5⋅10⁷ Вт/м², давление в слое достигает 10⁷ Па, энтальпия потока доходит до 4⋅10⁷ Дж/кг.By shock-compressed layer (CSS) is meant a region of a heated emitting gas arising in the vicinity of objects moving in the atmosphere with hypersonic speed (hypersonic objects) with a Mach number> 5. The heat fluxes created by CSS in the surface of objects during their movement in the atmosphere with velocities up to orbital (~ 8 km / s) are 10 ⁶ –3.5 × 10 ⁷ W / m ² , the pressure in the layer reaches 10 ⁷ Pa, enthalpy flow reaches 4 до10 ⁷ J / kg.

Задача моделирования УСС представляется актуальной в связи с разработкой оптических методов обнаружения и селекции гиперзвуковых объектов, а также при испытаниях теплозащитных материалов, способных выдержать воздействие УСС.The task of modeling CSS is relevant in connection with the development of optical methods for the detection and selection of hypersonic objects, as well as in tests of heat-protective materials that can withstand the effects of CSS.

При моделировании условий входа тел в атмосферу использовались два типа процессов: создание течения газов с небольшой длительностью на гиперскоростных установках (ударные трубы, импульсные аэродинамические установки), или создание горячих потоков газа с большой продолжительностью существования течения (аэродинамические трубы с электродуговыми нагревателями, плазмотроны, ракетные двигатели). Время эксперимента в ударных трубах составляет величину порядка 100 мкс. Такие же времена реализуются в опытах, когда исследуемая модель выстреливается из легкогазовой пушки. Из-за малой продолжительности эксперимента для установления стационарного режима разрушения исследуемого материала необходимы тепловые потоки порядка 10⁹ Вт/м² [1].Two types of processes were used to simulate the conditions for the entry of bodies into the atmosphere: the creation of a gas flow with a short duration at hyper-velocity installations (shock tubes, pulsed aerodynamic installations), or the creation of hot gas flows with a long duration of the flow (wind tunnels with electric arc heaters, plasmatrons, rocket engines). The experiment time in shock tubes is of the order of 100 μs. The same times are realized in experiments when the investigated model is fired from a light-gas gun. Due to the short duration of the experiment, heat fluxes of the order of 10 ⁹ W / m ^{2 are} required to establish a stationary mode of destruction of the investigated material [1].

Невозможность создания с помощью ударных труб и легкогазовых пушек высокоэнтальпийных стационарных потоков привело к возникновению нового типа аэродинамические процессов с электродуговым нагревом рабочего газа, в настоящее время являющихся наилучшим способом получения высокотемпературных потоков в течение продолжительного времени.The impossibility of creating high-enthalpy stationary flows using shock tubes and light-gas guns has led to the emergence of a new type of aerodynamic processes with electric-arc heating of the working gas, which at present is the best way to obtain high-temperature flows for a long time.

Известен выбранный нами в качестве прототипа способ моделирования УСС [В. Уоррен, Н. Диаконис. Моделирование гиперзвуковых условий с помощью воздушной электрической дуги. Исследование гиперзвуковых течений. Пер. с англ. М.: Мир, 1964. с. 470-499], включающий инициирование разряда, формирование плазмы в форкамере нагреванием газа электрическим дуговым разрядом и создание гиперзвукового потока нагретого газа. Установки, созданные по такому способу, используются при испытаниях теплозащитных материалов и воспроизводят энтальпию торможения и конвективные тепловые потоки на поверхность материала. Радиационная составляющая нагрева при использовании этого способа не воспроизводится. Кроме того, газовый поток в таких установках загрязнен продуктами эрозии электродов, в струе имеются пульсации температуры, плотности, скорости [2].Known we have chosen as a prototype method of modeling CSS [V. Warren, N. Deaconess. Simulation of hypersonic conditions using an air electric arc. The study of hypersonic flows. Per. from English M.: Mir, 1964. 470-499], including the initiation of the discharge, the formation of plasma in the prechamber by heating the gas with an electric arc discharge and the creation of a hypersonic flow of heated gas. Installations created by this method are used in testing heat-shielding materials and reproduce the braking enthalpy and convective heat fluxes to the surface of the material. The radiation component of heating when using this method is not reproduced. In addition, the gas flow in such installations is contaminated with the products of electrode erosion; there are pulsations of temperature, density, and velocity in the stream [2].

Воспроизведение всего комплекса параметров УСС на моделирующих установках в настоящее время является технически нерешенной задачей.Reproduction of the whole complex of CSS parameters on modeling installations is currently a technically unsolved problem.

Задача воспроизведения излучения УСС, выходящего во внешнюю среду, до настоящего времени даже не рассматривалась.The task of reproducing the radiation of the CSS with the external medium has not even been considered to date.

Нами предложен способ моделирования УСС с характерными для УСС значениями энтальпии, давления и излучения УСС, выходящего во внешнюю среду.We have proposed a method for modeling CSS with the characteristic values of enthalpy, pressure and radiation of CSS for the external environment.

Такой технический результат получен нами, когда в способе моделирования ударно-сжатого слоя в условиях дугового разряда, включающем инициирование разряда, формирование плазмы и создание давления на плазму, новым является то, что формирование плазмы осуществляют в условиях магнитоприжатого разряда в канале, выполненном в виде диэлектрического лотка с открытыми торцами с покрытием из материала покрытия испытуемого гиперзвукового объекта, а разряд осуществляют при условиях, найденных из следующих соотношений:This technical result was obtained by us when, in a method for simulating a shock-compressed layer in an arc discharge, including initiating a discharge, forming a plasma and creating pressure on the plasma, it is new that the plasma is formed under conditions of a magnetically pressed discharge in a channel made in the form of a dielectric tray with open ends coated with a coating material of the test hypersonic object, and the discharge is carried out under conditions found from the following relationships:

I - сила тока, А;I is the current strength, A;

В - индукция внешнего магнитного поля, А/м;In - the induction of an external magnetic field, A / m;

b - ширина канала разряда, м;b is the width of the discharge channel, m;

ρ - плотность воздуха на высоте полета, кг/м³;ρ is the air density at flight altitude, kg / m ³ ;

ν - скорость полета объекта, создающего моделируемый ударно-сжатый слой, м/с;ν is the flight speed of the object creating the simulated shock-compressed layer, m / s;

I - сила тока, А;I is the current strength, A;

U - напряжение, В;U is the voltage, V;

- скорость разрушения материала покрытия, кг/с;

- the rate of destruction of the coating material, kg / s;

U - напряжение, В;U is the voltage, V;

Е₀=2850 В/м;E ₀ = 2850 V / m;

I - сила тока, А;I is the current strength, A;

- длина канала разряда, м;

- length of the discharge channel, m;

- длина канала разряда, м;

- length of the discharge channel, m;

b - ширина канала разряда, м.b is the width of the discharge channel, m

Подходы к инициированию разряда и конструкции инициатора разряда и его блока питания известны.The approaches to initiating a discharge and the design of a discharge initiator and its power supply are known.

Подходы к решению задачи создания магнитоприжатого разряда известны [3].Approaches to solving the problem of creating a magnetically pressed discharge are known [3].

Подходы к решению системы уравнений известны.Approaches to solving a system of equations are known.

Нами было установлено, что возможно смоделировать параметры УСС в условиях магнитоприжатого разряда (МПР) при выполнении строго определенных, найденных нами соотношений для нахождения габаритов канала разряда, величины тока разряда, напряжения на плазменном канале, индукции магнитного поля.We found that it is possible to simulate the parameters of the CSS in the conditions of a magnetically pressed discharge (MPR) when strictly defined relationships we have found to find the dimensions of the discharge channel, the magnitude of the discharge current, voltage on the plasma channel, and magnetic field induction are fulfilled.

В процессе исследований нами было показано, что движение плазмы в МПР подобно обтеканию затупленного тела УСС. В отличие от других способов моделирования УСС в МПР плазма с характерными параметрами УСС создается не при торможении высокоскоростных струй на испытываемом материале, а при разряде вдоль его поверхности и прижимается к ней внешним магнитным полем. Разряд растекается по поверхности, к которой его прижимает магнитное поле, и проявляется в различных конфигурациях, задаваемых формой этой поверхности. В центре разрядного промежутка, соответствующего критической точке УСС, движение плазмы отсутствует. По мере продвижения к электродам скорость течения плазмы вдоль поверхности исследуемого материала возрастает.In the process of research, we showed that the plasma motion in the MPR is similar to the flow around a blunt body of a CSS. Unlike other methods for modeling CSS in MPR, a plasma with characteristic parameters of CSS is created not when braking high-speed jets on the test material, but during a discharge along its surface and is pressed against it by an external magnetic field. The discharge spreads over the surface to which the magnetic field presses it, and manifests itself in various configurations specified by the shape of this surface. At the center of the discharge gap corresponding to the critical point of the CSS, there is no plasma motion. As you move toward the electrodes, the plasma flow velocity along the surface of the material under study increases.

Габариты канала разряда, величины тока разряда, напряжения на плазменном канале, индукции магнитного поля найдены нами так, что их комбинация определяет требуемое давление ударно-сжатого слоя, а вкладываемая в разряд электрическая мощность обеспечивает требуемую энтальпию ударно-сжатого слоя, плазмообразующее покрытие подложки, изготовленное из материала, аналогичного материалу гиперзвукового объекта, обеспечивает характерное для УСС излучение.The dimensions of the discharge channel, the magnitude of the discharge current, the voltage on the plasma channel, and the induction of the magnetic field were found by us so that their combination determines the required pressure of the shock-compressed layer, and the electric power put into the discharge provides the required enthalpy of the shock-compressed layer, a plasma-forming substrate coating made from a material similar to the material of a hypersonic object, provides radiation characteristic of CSS.

Найденные нами соотношения обеспечивают соответствие между параметрами УСС, определяемыми скоростью ν гиперзвукового объекта и плотностью воздуха ρ на высоте его полета: давлением торможения Р_усс=ν²/2, энтальпией торможения ΔН_усс=ρν²/2 и параметрами плазмы МПР, определяемыми величинами I, В, U, b,

и характеристиками плазмообразующего материала: пондеромоторным давлением плазмы МПР

и энтальпией плазмы МПР

.We have found ratios provide matching between the parameters of CSS determined velocity ν hypersonic object and the density of air ρ at its altitude: stagnation pressure P _NCT = ν ^2/2, enthalpy deceleration? H _NCT = ρν ^2/2 and the parameters MNR plasma determinable quantities I , B, u, b,

and characteristics of plasma-forming material: ponderomotive plasma pressure MPR

and plasma enthalpy MPR

.

Первое соотношение вытекает из условия Р_усс=Р_пнд, второе - из условия ΔН_усс=ΔН_пл. Третье условие описывает вольт-амперную характеристику МПР и устанавливает зависимость U от

Четвертое соотношение устанавливает связь между

и b [6]. С помощью второго и четвертого соотношения выбираются

для определенных с помощью первого и второго уравнений I, B, U. Для получения требуемого значения

при моделировании УСС с помощью МПР плазмообразующая подложка должна изготавливаться из материала, аналогичного материалу покрытия испытуемого гиперзвукового объекта.The first relation follows from the condition P _ouss = P _pnd , the second from the condition ΔH _ouss = ΔH _pl . The third condition describes the current – voltage characteristic of the MPR and establishes the dependence of U on

The fourth relation establishes a connection between

and b [6]. Using the second and fourth ratios are selected

for defined using the first and second equations I, B, U. To obtain the desired value

when modeling CSS with the help of MPR, the plasma-forming substrate should be made of a material similar to the coating material of the tested hypersonic object.

Решение системы уравнений (1)-(4) осуществляется численным методом последовательных приближений. Подходы к решению системы уравнений методом последовательных приближений известны.The system of equations (1) - (4) is solved by the numerical method of successive approximations. Approaches to solving a system of equations by the method of successive approximations are known.

Заявленный способ обеспечивает моделирование УСС, возникающего при движении объектов в атмосфере со скоростями до 12 км/с на высотах 30-60 км.The claimed method provides modeling of CSS, arising from the movement of objects in the atmosphere with speeds up to 12 km / s at altitudes of 30-60 km.

На фиг. 1 представлен общий вид плазменного имитатора УСС на основе МПР и мгновенная фотография канала разряда.In FIG. Figure 1 shows a general view of a plasma simulator of the CSS based on MPR and an instant photograph of the discharge channel.

На фиг. 2 представлена система электропитания плазменного имитатора УСС, где тиристорный выпрямитель 1 питания МПР, МПР 2, блок 3 запуска и управления, емкостной накопитель 4 энергии, дополнительное сопротивление 5, обмотки 6 электромагнита, тиристорный выпрямитель 7 питания обмоток электромагнита.In FIG. 2 shows the power supply system of the plasma simulator of the CSS, where the thyristor rectifier 1 power supply MPR, MPR 2, block 3 start and control, capacitive energy storage 4, additional resistance 5, windings 6 of the electromagnet, thyristor rectifier 7 powering the windings of the electromagnet.

На фиг. 3 представлены ток I разряда и напряжение U на плазменном канале при питании МПР от тиристорного выпрямителя.In FIG. Figure 3 shows the current I of the discharge and the voltage U on the plasma channel when supplying the MPR from the thyristor rectifier.

На фиг. 4 представлены яркостная температура Т_я, К и энергетическая светимость W, Вт/см² плазмы МПР.In FIG. 4 presents the brightness temperature T _i , K and the energy luminosity W, W / cm ² plasma MPR.

На фиг. 5 представлена яркость В, Вт/см² МПР с подложкой из стеклофенольного пластика.In FIG. 5 shows the brightness of V, W / cm ² MPR with a substrate of fiberglass plastic.

На фиг. 6 - яркость В, Вт/см² МПР с подложкой из углефенольного пластика.In FIG. 6 - brightness V, W / cm ² MPR with a substrate of carbon phenolic plastic.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.The claimed method is as follows.

Инициирование разряда. Электроды соединяются между собой узкой полоской алюминиевой фольги, служащей инициатором разряда. К электродам подключается автономный блок питания инициатора разряда, выполненный в виде высоковольтного емкостного накопителя небольшой емкости.Initiation of discharge. The electrodes are interconnected by a narrow strip of aluminum foil, which serves as the initiator of the discharge. An autonomous discharge initiator power supply unit, made in the form of a high-voltage capacitive storage of small capacity, is connected to the electrodes.

Формирование магнитоприжатого разряда. Магнитоприжатый разряд формируют известным способом: в разрядной камере с диэлектрическим лоткомс открытыми торцами с покрытием из материала аналогичного гиперзвуковому объекту. Для этого лоток помещают, например, в зазор ярма электромагнита. При использовании электромагнита удается относительно малыми токами (~100 А) создать магнитное поле с высокой индукцией в значительном объеме. Благодаря размещению лотка в зазоре ярма электромагнита образуется устойчивая во времени и пространстве конфигурация плазменного канала. В открытых торцах лотка размещаются графитовые электроды. Для получения МПР электроды подключают к мощному тиристорному выпрямителю. Вследствие этого возникает возможность пропускания через разрядный канал тока большой величины при относительно низких, характерных для дуговых разрядов напряжениях в течении длительного времени. Используя тиристорный выпрямитель, появляется возможность регулирования величины и временной формы тока разряда. Сечение ярма электромагнита в области зазора выбирается таким, что магнитное поле в объеме лотка однородно. Выводы обмотки электромагнита подключают к отдельному тиристорному выпрямителю. Благодаря этому появляется возможность регулирования индукции магнитного поля в лотке и изменения величины давления в плазме.The formation of magnetically pressed discharge. A magnetically pressed discharge is formed in a known manner: in a discharge chamber with a dielectric tray with open ends coated with a material similar to a hypersonic object. For this, the tray is placed, for example, in the gap of the yoke of the electromagnet. When using an electromagnet, it is possible to create a magnetic field with high induction in a significant volume with relatively small currents (~ 100 A). Due to the placement of the tray in the gap of the yoke of the electromagnet, a plasma channel configuration that is stable in time and space is formed. In the open ends of the tray are graphite electrodes. To obtain the MPR, the electrodes are connected to a powerful thyristor rectifier. As a result, it becomes possible to transmit large amounts of current through the discharge channel at relatively low voltages characteristic of arc discharges for a long time. Using a thyristor rectifier, it becomes possible to control the magnitude and time shape of the discharge current. The cross section of the yoke of the electromagnet in the gap region is chosen such that the magnetic field in the volume of the tray is uniform. The conclusions of the electromagnet winding are connected to a separate thyristor rectifier. This makes it possible to control the induction of the magnetic field in the tray and change the pressure in the plasma.

Рабочий цикл начинают с подачи напряжения от тиристорного выпрямителя на обмотку электромагнита. После достижения током обмотки амплитудного значения на графитовые электроды одновременно подается высокое напряжение от емкостного накопителя и напряжение от тиристорного выпрямителя основного разряда. Под действием тока разряда емкостного накопителя происходит электрический взрыв полоски фольги. По образовавшемуся плазменному каналу в течение заданного времени протекает ток от тиристорного выпрямителя. Под действием джоулева нагрева током тиристорного выпрямителя плазменный канал разогревается и прижимается магнитным полем к плазмообразующей подложке, изготовленной из материала, аналогичного материалу гиперзвукового объекта. Продукты испарения материала покрытия дна и стенок лотка непрерывно поступают в канал разряда, разогреваются до плазменного состояния и формируют УСС. Регулирование амплитуды и временной формы тока разряда осуществляется подачей на вход тиристорного выпрямителя управляющего напряжения соответствующей формы. (Подходы к управлению тиристорными выпрямителями известны.)The duty cycle begins with a voltage supply from the thyristor rectifier to the electromagnet winding. After the winding current reaches the amplitude value, the high voltage from the capacitive storage and the voltage from the thyristor rectifier of the main discharge are simultaneously supplied to the graphite electrodes. Under the action of the discharge current of the capacitive storage, an electric explosion of the foil strip occurs. A current from the thyristor rectifier flows through the formed plasma channel for a predetermined time. Under the influence of the Joule heating by the thyristor rectifier current, the plasma channel is heated and pressed by the magnetic field to the plasma-forming substrate made of a material similar to the material of a hypersonic object. The evaporation products of the coating material of the bottom and the walls of the tray continuously enter the discharge channel, are heated to a plasma state and form a CSS. The amplitude and time shape of the discharge current are regulated by applying to the input of the thyristor rectifier a control voltage of the corresponding form. (Approaches to controlling thyristor rectifiers are known.)

Для реализации заявленного способа моделирования УСС в нашей организации изготовлен макет квазинепрерывного плазменного генератораTo implement the claimed method for modeling CSS in our organization, a model of a quasi-continuous plasma generator was made

Общий вид плазменного имитатора УСС на основе МПР приведен на фиг. 1.A general view of the plasma simulator of the CSS based on MPR is shown in FIG. one.

В его состав входит разрядное устройство и электромагнит, в зазор сердечника которого вставляется разрядное устройство.It consists of a discharge device and an electromagnet, into the core gap of which a discharge device is inserted.

Электромагнит создает однородное прижимающее магнитное поле в зазоре размерами 80×40×40 мм индукцией до 2.2 Тл при токе обмоток до 500 А.The electromagnet creates a uniform pressing magnetic field in a gap of 80 × 40 × 40 mm by induction up to 2.2 T at a winding current of up to 500 A.

Система электропитания плазменного имитатора УСС (см. Фиг. 2) обеспечивает протекание тока тиристорного выпрямителя 1 силой до 6 кА в течение времени ~1 с через разрядный канал МПР 2 и обеспечивает получение плазмы при относительно невысокой температуре и давлении плазмы. В этом режиме работы МПР воспроизводятся параметры УСС для объектов, движущихся в атмосфере со скоростями 3-8 км/с на высотах 30-60 км. Протекание тока емкостного накопителя энергии 4 амплитудой в десятки килоампер в течение времени ~10^-2 с через разрядный канал обеспечивает получение температуры плазмы до 20000 К и давления в разрядном канале ~10⁷ Па, что позволяет воспроизводить параметры УСС, возникающего при движении объектов со скоростями до 12 км/с. Прижимающее магнитное поле создается при протекании через обмотки электромагнита 6 тока тиристорного выпрямителя 7. Регулирование амплитуды и временной формы тока разряда осуществляется подачей на вход тиристорного выпрямителя 1 питания МПР управляющего напряжения соответствующей формы от блока управления и запуска 3 и изменением величины зарядного напряжения емкостного накопителя 4 и величины дополнительного сопротивления 5 в цепи разряда емкостного накопителя.The power supply system of the USS plasma simulator (see Fig. 2) ensures that the thyristor rectifier 1 current flows up to 6 kA for a time of ~ 1 s through the discharge channel MPR 2 and provides plasma at a relatively low temperature and plasma pressure. In this mode of MPR operation, the CSS parameters are reproduced for objects moving in the atmosphere with speeds of 3-8 km / s at altitudes of 30-60 km. The current flow of a capacitive energy storage unit of 4 amplitudes of tens of kiloamperes for a time of ~ 10 ^-2 s through the discharge channel provides a plasma temperature of up to 20,000 K and a pressure in the discharge channel of ~ 10 ⁷ Pa, which makes it possible to reproduce the parameters of the CSS that occurs when objects move at speeds up to 12 km / s. The pressing magnetic field is created when the thyristor rectifier current 7 flows through the windings of the electromagnet 6. The amplitude and time shape of the discharge current are regulated by applying to the input of the thyristor rectifier 1 an MPR supply of a control voltage of the corresponding form from the control unit and start 3 and by changing the value of the charging voltage of the capacitive storage 4 and the value of the additional resistance 5 in the discharge circuit of the capacitive storage.

Ток разряда I и напряжение U на плазменном канале при питании МПР от тиристорного выпрямителя приведены на фиг. 3. Амплитуда тока в этом режиме достигает 6000 А, напряжение на плазменном канале U=300 В. Максимальная электрическая мощность разряда W_эл достигает 1,8 МВт.The discharge current I and voltage U on the plasma channel when supplying the MPR from the thyristor rectifier are shown in FIG. 3. The current amplitude in this mode reaches 6000 A, the voltage on the plasma channel U = 300 V. The maximum electric discharge power W _el reaches 1.8 MW.

Временные зависимости параметров излучения плазменного имитатора на основе МПР приведены на фиг. 4. Измерение параметров излучения МПР проводилось с помощью калиброванных фотоэлементов в трех спектральных интервалах: УФ Δλ=300÷400 нм (λ_max=360 нм), видимом Δλ=400÷650 нм (λ_max=555 нм) и ИК Δλ=650÷1100 нм (λ_max=730 нм). Яркостные температуры Т_я в этих спектральных диапазонах близки по значениям и составляют 5000 К. Энергетическая светимость W_изл в Δλ=300÷1100 нм 1500 Вт/см².The time dependences of the radiation parameters of the plasma simulator based on MPR are shown in FIG. 4. The radiation parameters of the MPR were measured using calibrated photocells in three spectral ranges: UV Δλ = 300 ÷ 400 nm (λ _max = 360 nm), visible Δλ = 400 ÷ 650 nm (λ _max = 555 nm) and IR Δλ = 650 ÷ 1100 nm (λ _max = 730 nm). The brightness temperatures T _i in these spectral ranges are close in value and amount to 5000 K. The energy luminosity W _rad in Δλ = 300 ÷ 1100 nm is 1500 W / cm ² .

Для сопоставления параметров МПР и УСС оценены энтальпия плазмы, эквивалентная высота и скорость полета, а также габариты объекта, при движении которого возникает УСС с параметрами, реализованными в МПР.To compare the parameters of MPR and CSS, the plasma enthalpy, the equivalent altitude and speed of flight, as well as the dimensions of the object, during the movement of which the CSS is compared with the parameters realized in the MPR, are estimated.

Для режима разряда с I=6000 А, индукцией внешнего магнитного поля B=6⋅10⁵ А/м, b=2 см,

=7 см,

=0.1 кг/с ΔН_пл=3.6⋅10⁷ Дж/кг. Считая ΔH_пл энтальпией торможения

определяем скорость полета ν=6 км/с.For the discharge mode with I = 6000 A, induction of an external magnetic field B = 6⋅10 ⁵ A / m, b = 2 cm,

= 7 cm

= 0.1 kg / s ΔН _pl = 3.6⋅10 ⁷ J / kg. Assuming ΔH _{pl is the} braking enthalpy

we determine the flight speed ν = 6 km / s.

Давление в плазме МПР в этом режиме Р_пнд=2⋅10⁵ Па. Приравнивая это давление к скоростному напору

, находим плотность воздуха на высоте полета ρ=0.01 кг/м³, что соответствует высоте полета 35 км.The pressure in the plasma of the MPR in this mode is P _pnd = 2⋅10 ⁵ Pa. Equating this pressure to pressure head

, we find the air density at the flight altitude ρ = 0.01 kg / m ³ , which corresponds to a flight altitude of 35 km.

Оценка излучения УСС проводилась по формуле, приведенной в [7]:The evaluation of the CSS radiation was carried out according to the formula given in [7]:

I_Δλ=A_ΔλG_wc_xs(ρ/ρ₀)^0.3ν⁵, кВт/ср., гдеI _Δλ = A _Δλ G _w c _x s (ρ / ρ ₀ ) ^0.3 ν ⁵ , kW / sr, where

A_Δλ - коэффициент, значение которого определяется выбранным спектральным интервалом;A _Δλ is a coefficient whose value is determined by the selected spectral interval;

G_w - скорость уноса массы объекта, кг/сек;G _w - the rate of ablation of the mass of the object, kg / s;

с_х -коэффициент аэродинамического торможения;with _{x -} aerodynamic drag coefficient;

s - площадь миделевого сечения объекта, м²;s is the mid-sectional area of the object, m ² ;

Считая для спектрального интервала 300-1100 нм А_Δλ=0.2, для сферического объекта с_х=0.15, можно определить, что интенсивность излучения МПР в эксперименте совпадает с I_Δλ УСС, возникающего при движении сферического тела радиусом 0.4 м на высоте 35 км со скоростью 6 км/с.Assuming for the spectral interval 300-1100 nm A _Δλ = 0.2, for a spherical object with _x = 0.15, it can be determined that the MPR emission intensity in the experiment coincides with I _{Δλ of the} CSS, which occurs when a spherical body with a radius of 0.4 m at a height of 35 km moves at a speed 6 km / s

Спектральные зависимости яркости МПР с подложками из стеклофенольного и углефенольного пластиков приведены на рисунках 5 и 6. Спектральные яркости В измерены спектрометром Ocean Optics. В УФ области спектра наиболее контрастными являются линии SiI λ=288.1 нм для стеклофенольного пластика и CI λ=247.8 нм для углефенольного пластика.The spectral dependences of the brightness of MPRs with substrates of glass-phenol and carbon-phenol plastics are shown in Figures 5 and 6. Spectral brightness В was measured by an Ocean Optics spectrometer. In the UV spectral region, the most contrasting lines are SiI λ = 288.1 nm for fiber glass phenol and CI λ = 247.8 nm for carbon phenolic plastic.

Таким образом, предложенный способ позволяет воспроизводить энтальпию торможения, конвективные тепловые потоки на поверхность материала, радиационную составляющую нагрева, а также излучение УСС, выходящее во внешнюю среду для объектов, движущихся на высотах 30-60 км со скоростями 3-12 км/с.Thus, the proposed method allows reproducing the braking enthalpy, convective heat fluxes to the surface of the material, the radiative component of heating, and also the CSS radiation emitted into the external environment for objects moving at heights of 30-60 km at speeds of 3-12 km / s.

Источники информацииInformation sources

1. С. Георгиев. Сравнение различных экспериментальных установок с точки зрения моделирования процессов теплового разрушения материалов при гиперзвуковых скоростях. Техника гиперзвуковых исследований: Пер. с англ. - М.: Мир, 1964, с. 484-521.1. S. Georgiev. Comparison of various experimental facilities in terms of modeling the processes of thermal destruction of materials at hypersonic speeds. The technique of hypersonic research: Per. from English - M.: Mir, 1964, p. 484-521.

2. Ю.В. Полежаев, Ф.Б. Юревич. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976. 392 с.2. Yu.V. Polezhaev, F.B. Yurevich. Thermal protection. M .: Energy, 1976.392 s.

3. Бедрин А.Г., Миронов И.С. Патент на изобретение №2370002 «Способ получения плазменного источника излучения и устройство для его осуществления». Бюллетень изобретений №28, 10.10.2009 г.3. Bedrin A.G., Mironov I.S. Patent for invention No. 2370002 “Method for producing a plasma radiation source and device for its implementation”. Bulletin of inventions No. 28, 10/10/2009

4. Горшкова Л.Д., Горшков В.А., Подмошенский И.В. Получение плазмы в разряде, прижатом к стенке магнитным полем // ТВТ, 1968. - Т. 6. - №6. - С. 1130-1132.4. Gorshkova L.D., Gorshkov V.A., Podmoshensky I.V. Plasma production in a discharge pressed against a wall by a magnetic field // TVT, 1968. - V. 6. - No. 6. - S. 1130-1132.

5. Горшкова Л.Д. Миронов И.С., Подмошенский И.В. Электромагнитные характеристики и баланс энергии Н-прижатого разряда // ТВТ, 1978. - Т. 16. - №6. - С. 1130-1133.5. Gorshkova L.D. Mironov I.S., Podmoshensky I.V. Electromagnetic characteristics and energy balance of the N-pressed discharge // TVT, 1978. - T. 16. - No. 6. - S. 1130-1133.

6. Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ, 1986, Т. 24, №5, с. 837-843.6. Kalachnikov EV, Mironov IS, Rogovtsev P.N. et al. Study of the dynamics of radiation of a high-current magnetically pressed discharge. TVT, 1986, T. 24, No. 5, p. 837-843.

7. Бедрин А.Г., Миронов И.С. Экспериментальный стенд для воспроизведения параметров ударно-сжатого слоя. Труды XII Международной конференции «Прикладная оптика - 2016». СПб., 2016 г. Т. 2, с. 197-201.7. Bedrin A.G., Mironov I.S. An experimental bench for reproducing the parameters of a shock-compressed layer. Proceedings of the XII International Conference "Applied Optics - 2016". SPb., 2016, vol. 2, p. 197-201.

Claims

Способ моделирования ударно-сжатого слоя в условиях дугового разряда, включающий инициирование разряда, формирование плазмы и создание давления на плазму, отличающийся тем, что формирование плазмы осуществляют в условиях магнитоприжатого разряда в канале, выполненном в виде диэлектрического лотка с открытыми торцами с покрытием из материала, аналогичного материалу покрытия испытуемого гиперзвукового объекта, а разряд осуществляют при условиях, найденных из следующих соотношений:A method for simulating a shock-compressed layer under conditions of an arc discharge, including the initiation of a discharge, the formation of plasma and the creation of pressure on the plasma, characterized in that the plasma is formed under the conditions of a magnetically pressed discharge in a channel made in the form of a dielectric tray with open ends coated with a material, similar to the coating material of the test hypersonic object, and the discharge is carried out under conditions found from the following relationships: