Газодинамические методы ускорения тел. Легкогазовые пушки

Московский Государственный  Открытый Университет им. Черномырдина 
 
 
 
 

Курсовая  работа

 «Газодинамические  методы ускорения тел. Легкогазовые  пушки» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011

Введение.2

1. Современные газодинамические методы ускорения тел.

2. Легкогазовые  баллистические установки (пушки):

А. Общие сведения

Б. Газодинамический подход к баллистике

3. Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение: 

В пятидесятых  годах двадцатого века развитие энергетической, авиационной, ракетной и других отраслей потребовало экспериментального изучения явлений, происходящих при высокоскоростных столкновениях тел с преградами, движениях тел в различных газовых смесях и в других процессах. Для исследований подобных явлений широко используются метательные системы различных типов, позволяющие ускорять небольшие тела массой от долей грамма до десятков граммов до сверхзвуковых скоростей порядка нескольких километров в секунду. В отличие от газодинамических исследований в аэродинамических трубах, где изучается взаимодействие сверхзвукового потока газа с неподвижной моделью, баллистический эксперимент фактически является лётным испытанием модели в лабораторных условиях и обладает рядом преимуществ: отсутствуют устройства для поддержания модели (как в аэродинамических трубах), имеются возможности создать невозмущённую среду с точно известными характеристиками и не загрязнённую инородными частицами, изучать нестационарные явления, независимо менять числа Маха и Рейнольдса. В последние годы с применением метательных установок проводились следующие исследования:

1. Изучение картины гиперзвукового обтекания моделей космических аппаратов и их аэродинамических характеристик, т. е. сил и моментов, действующих на тело при полёте в атмосферах планет.

2. Исследование структуры газовой детонации и горения в сверхзвуковых потоках, вызванных полётом тел в смесях водорода с воздухом и кислородом.

3. Измерения в различных диапазонах спектра излучения разных газов и аблирующих примесей около тел, летящих с гиперзвуковой скоростью.

4. Определение основных неравновесных процессов в ударном слое и в следе за аблирующими и неаблирующими моделями, летящими в газовых смесях.

5. Изучение соударения быстролетящих тел с препятствиями из различных материалов, в том числе с горными породами. Эти исследования позволяют выяснить, как происходила «переработка» древних пород Земли под действием ударов метеоритов и астероидов, выявлять механизмы образования метеоритных кратеров. Исследование динамических характеристик и термодинамических уравнений состояния различных веществ при высоких давлениях и температурах.

Диапазон экспериментальных  исследований на баллистических установках непрерывно расширяется, и в последнее  время такие системы предлагается использовать в новых направлениях науки и техники. Например, разгон частиц размерами порядка 1 мм до высоких скоростей предполагается использовать для инициирования термоядерного микровзрыва при ударе макрочастицы и подпитки топливом термоядерных реакторов. Ещё одной областью применения баллистических установок может стать их использование для запуска в космос летательных аппаратов. Существуют проекты метательных устройств различных типов, которые, возможно, позволят выводить в космическое пространство искусственные спутники и контейнеры с различными материалами, причём запуск должен обходиться гораздо дешевле, чем использование нынешних ракет-носителей. С помощью наземной метательной установки можно запускать снаряды через атмосферу со скоростью свыше 8 км/с. Оценки показывают, что для вывода хорошо обтекаемых снарядов при малой абляции скорость пуска должна ненамного превышать конечную скорость в космосе, а при запуске тел с планет без атмосферы (например, с Луны) проблема абляции вообще отсутствует.

1. Современные  газодинамические методы ускорения тел.

Существующие  методы ускорения макротел до гиперзвуковых скоростей достаточно разнообразны как по принципам работы установок, так и по массам ускоряемых тел и достигаемым скоростям, а также по возможности использования в тех или иных исследованиях, размерам, стоимости, удобству эксплуатации, износоустойчивости при многократных метаниях тел. Разнообразие типов метательных установок объясняется необходимостью получения скоростей моделей в широком диапазоне, чего нельзя добиться посредством лишь одного типа разгонных устройств. Современное состояние методов ускорения тел до гиперзвуковых скоростей, а также возможности применения метательных установок в аэробаллистических экспериментах и задачах защиты от метеоритов, управляемого термоядерного синтеза, моделирования ударных явлений и др. обсуждаются в обзорах многих известных физиков. Рассмотрим кратко некоторые наиболее распространённые типы метательных систем.

В задачах, в  которых не требуется ускорять тела заданной формы и допустимо частичное разрушение метаемой частицы, широко используются метательные устройства, в которых тело ускоряется продуктами детонации обычного или кумулятивного заряда взрывчатого вещества (ВВ). Такие устройства принципиально просты, легко адаптируются к лабораторным условиям, сравнительно дёшевы, позволяют получать скорости метания в достаточно широком диапазоне и достаточно полно удовлетворяют потребности исследователей как в плане изучения свойств и поведения веществ при экстремальных нагрузках, так и для моделирования метеоритного удара. Для получения кумулятивной струи обычно заряд ВВ имеет коническую выемку, покрытую металлической облицовкой; образующаяся при кумуляции струя расплавленного металла может двигаться с большой скоростью и ускорять тела. Применяют также заряды, имеющие цилиндрическую полость, в которой при кумуляции образуется ударная волна, распространяющаяся вдоль канала. В таких установках тела простой формы массой Ю-2—10 г ускоряются до скоростей 2—12 км/с, микрочастицы массой Ю-11—Ю-5 г — до скоростей 8—15 км/с, фрагменты кумулятивных струй массой Ю-1—1 г — до скоростей 8—21 км/с. Скорости кумулятивных струй, получаемые с помощью взрывчатых веществ, на практике ограничены величинами порядка удвоенной скорости распространения детонационной волны в ВВ и сравнимы с теми, которые дают легкогазовые пушки, но создаваемые взрывом ускорения частиц имеют в некоторые моменты гораздо большие значения. В этом одна из причин, почему ВВ не применяются в настоящее время для метания моделей заданной формы, которые могут разрушаться при движении с большими ускорениями. При взрыве ВВ метаемое тело подвержено абляции, часто разрушается под действием газовой струи, и его характеристики приходится определять косвенным образом и с трудом подвергаются контролю. Кроме того, тело трудно 5 отделить от спутного потока, а отношение массы ВВ к массе метаемого тела может достигать величин 104—106, и для метания тел массой порядка нескольких граммов масса заряда может составлять 10—100 кг.

Можно выделить подкласс метательных установок, использующих энергию, выделяющуюся при детонации  ВВ, для сжатия газа, который, в свою очередь, ускоряет метаемое тело. Например, приведем описание и теоретический расчёт гиперзвуковой метательной установки, в которой сжатие газа в цилиндрическом стволе инициируется сходящейся сферической ударной волной в газе, образующейся при детонации заряда ВВ, расположенного на поверхности полусферы. Сообщается о достижении скоростей около 6 км/с телами массой 0,35 г. Таким образом тела массой 100 г ускорялись до скоростей порядка 6 км/с, частицы массой 0,1 г — до скоростей 7—9 км/с. Газодинамический расчёт метательного устройства, использующего для разгона деформируемого поршня газ, сжимаемый в сужающемся канале при детонации заряда ВВ, проводится в. Хотя, строго говоря, при подробном описании работы таких метательных систем необходимо рассматривать волновые процессы в рабочем газе, некоторый интерес представляет модельное описание этих устройств с использованием некоторых упрощающих предположений, считая, в частности, что движение газа происходит с однородной деформацией. Такой подход позволяет упростить математическую модель установки и получить решения различных оптимизационных задач.

К другой большой  группе метательных устройств можно  отнести основанные на разных принципах  системы, в которых используется энергия мощных источников электрического тока. В так называемых индукционных ускорителях разгон магнитного диполя осуществляется при включении синхронно с движением модели тока в соленоидах, причём в некоторых случаях увеличение магнитного поля достигается за счёт обжатия соленоида при детонации взрывчатого вещества. Рельсотронные (англ. rail-gun) ускорители основаны на ускорении проводника с током (якоря) в магнитном поле электрической цепи, частью кото6 рой является сам проводник (иногда дополнительное магнитное поле создаётся специальным контуром). Ток от источника питания пропускается по контуру, состоящему из двух проводящих параллельных рельсов и замыкающей рельсы подвижной перемычки, которая ускоряется за счёт действия силы Лоренца и выталкивает метаемое тело, то есть фактически такая система является электродвигателем постоянного тока. При использовании в качестве перемычки плазменного якоря, образующегося при взрыве тонкой фольги, рельсотроны называют магнитоплазменными ускорителями (МПУ); впервые такая схема была предложена в 1964 году. Применяются также комбинированные установки, в которых тело сначала разгоняется в предускорителях на основе газовых, легкогазовых, пороховых, электротермических и др. пушек, а затем уже используются электромагнитные силы для дальнейшего ускорения. Так, на двухкаскадном ускорителе, первая ступень которого представляет собой легкогазовую пушку, а вторая — электродинамический ускоритель, стеклянные шарики диаметром 0,6 мм ускорялись до 20 км/с.

Экспериментальные исследования с электродинамическими установками начались в 1944 году, когда  были получены скорости около 1 км/с  для тел массой 10 г. Максимальные скорости метания получены на рельсотронах с плазменным якорем: в воспроизводимых  опытах с МПУ зарегистрированы скорости 5—7 км/с, а в единичных — 8—11 км/с  для тел массой 0,1—1 г и 16 км/с  для тел массой порядка Ю-5 г, однако в проведённых испытаниях рельсовые пушки сильно повреждались от воздействия плазменного якоря и мощных магнитных полей. В ряде работ рассматривались проекты устройств для ускорения частиц массой порядка 1 г до скоростей 12—25 км/с, однако реально пока осуществим разгон тел массой в несколько граммов до скорости, близкой к 10 км/с. Состояние рельсовых метательных установок и предполагаемые возможности их развития обсуждаются в работах.

На конструкцию  и работу рельсовых пушек налагается ряд практических ограничений. В  большинстве случаев металлический якорь плавится из-за омического нагрева, при этом происходит эрозионное разрушение, обгорание и оплавление рельсов. В процессе выстрела на рельсы и метаемый снаряд действуют значительные нагрузки, большая 7 напряжённость поля между рельсами приводит к возникновению паразитных дуговых разрядов до и после метаемого тела, а сам плазменный якорь может терять устойчивость. Для борьбы с этими нежелательными явлениями используется ряд специальных технических решений: создание предварительного напряжения сжатия конструкции, стабилизация плазменной области с помощью задней подвижной стенки, магнитного поля внешнего соленоида и др. Проведённые оценки предельных скоростей разгона метаемого тела по различным физическим механизмам показывают, что допустимые значения скорости в МПУ в типовом режиме ограничены величинами порядка 10 км/с для тел с массой порядка грамма.

Для ускорения  очень маленьких частиц используются электростатические ускорители, в которых  заряженные тела разгоняются в сильном  электрическом поле. Максимальные скорости разгона в таких системах определяются максимальным зарядом частиц (ограничиваемым эмиссией электронов при отрицательном заряде или прочностью частицы при положительном заряде) и достижимым значением напряжённости электрического поля. В настоящее время электростатические ускорители позволяют ускорять тела массой Ю-10—Ю-6 г до скоростей 10 км/с, тела субмикронных размеров разгонялись до рекордных скоростей в 160 км/с. Применение нескольких расположенных друг за другом и включаемых синхронно с движением разгоняемой частицы электродов может ещё более увеличить скорость метания микротел. Также применяются установки, в которых ускорение происходит за счёт захвата метаемого тела потоком плазмы. Обычно потоки плазмы получают при взрыве тонких проволочек и фольг или с помощью импульсных плазмотронов. При взрыве проводников максимальные скорости расширения продуктов взрыва значительно выше, чем скорость продуктов взрыва ВВ (скорость звука в плазме может достигать 30—50 км/с). Несмотря на то, что скорости плазменных потоков, получаемые в настоящее время, достигают 103 км/с, скорости разогнанных таким методом крупинок массой порядка 1 мг не превышают 40 км/с. Это связано с малыми плотностями массы и импульса, 8 сильной неоднородностью существующих импульсных плазменных потоков, что делает эти ускорители наиболее эффективными для разгона относительно лёгких частиц малого размера. Кроме этого, как и при работе взрывных ускорителей, в электротермических ускорителях в результате абляции происходит изменение массы метаемого тела, вплоть до полного его испарения.

Интересны разгонные  устройства, в которых метаемое тело разгоняется в стволе пушки реактивным твердотопливным двигателем. Этот метод  позволяет разгонять тело с почти постоянным ускорением и теоретически достижимые скорости не имеют верхнего ограничения. Однако такая установка должна иметь очень большую длину ствола, требует топлива с очень высокой скоростью горения (на три порядка выше, чем у обычных топлив) и имеется опасность детонации топлива. Рассмотрим возможность ускорения плотных макрочастиц пучком заряженных элементарных частиц или лазерным лучом с помощью создания реактивной тяги при испарении вещества в тонком поверхностном слое частицы или при рассеянии частиц электронного «ветра» на заряженной микрочастице. Проблемы здесь связаны с возможностью зарядки крупинки до высокого потенциала, а также осуществления энергичного электронного пучка большой длительности. Отметим, что при абляционном ускорении, в отличие от обычного реактивного ускорения, источник нагрева находится вне ускоряемого тела. Реально получены скорости 50—70 км/с для частиц с размерами порядка микрометра, однако оценки показывают, что для тел миллиметровых размеров даже скорости в 20 км/с не достижимы из-за малой длительности импульса.