Баллистические установки

В отличие от аэродинамических установок, на которых изучается взаимодействие потока с неподвижной и совершающей ограниченное движение моделью, баллистические установки дают возможность в лабораторных условиях проводить исследования тел в условиях свободного полета.

С появлением новой техники основными экспериментальными установками стали сверхскоростные баллистические установки с закрытой трассой.

На таких установках можно решать задачи о соударении твердых тел со скоростями до 100 км/с.

Баллистические установки имеют ряд преимуществ перед аэро- и гидродинамическими:

1. Широкий диапазон изменения чисел M и Re и возможность получения больших значений этих чисел.

2. Моделирование реальных температур торможения.

3. Отсутствие державок или креплений модели.

4. Невозмущенный набегающий поток.

5. Точный и надежный контроль параметров набегающего потока.

6. Возможность исследования нестационарных явлений.

К недостаткам баллистических стендов необходимо отнести следующие:

1. После каждого выстрела модель обычно разрушается.

2. Желаемое положение модели в потоке задается более сложным способом, чем в аэродинамической трубе.

3. Силы и моменты, действующие на модели, определяются расчетным путем по данным траекторных измерений.

4. Из-за малых размеров модели затруднено размещение внутри нее измерительных приборов.

Сущность аэродинамического баллистического эксперимента сводится к регистрации тем или иным методом координат летящих моделей непрерывно или в последовательных дискретных точках вдоль траектории.

Баллистические установки для аэро- и газодинамических исследований можно разбить на два типа:

1. Баллистические стенды, в которых исследуемая модель выстреливается в неподвижный воздух (открытые установки) или в камеру, в которой параметры газа могут изменяться (закрытые установки).

2. Установки, в которых модель выстреливается навстречу сверхзвуковому потоку аэродинамической трубы. Такие установки называются аэробаллистическими трубами.

Баллистические установки состоят из метательного устройства, сообщающего моделям необходимую начальную скорость, и измерительного участка, на котором производится регистрация кинематических (пространственно-временных) характеристик полета модели. Измерительные участки различаются как по конструкции, так и по размерам. Длина их изменяется от одного метра до нескольких километров. На выходе измерительного участка баллистической установки помещают системы торможения и улавливания моделей.

По принципу разгона модели метательные устройства, применяемые при высокоскоростном метании, могут быть разделены на два класса: газодинамические установки, в которых модель разгоняется газом; электродинамические установки, в которых модель разгоняется иод действием электромагнитных сил.

Газодинамические устройства по конструктивному принципу делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.

В одноступенчатых устройствах энергия к рабочему газу подводится непосредственно, или за счет горения, или за счет электрического разряда.

В многоступенчатых устройствах энергия подводится к рабочему газу через промежуточные ступени.

В современных баллистических установках применяются главным образом пороховые и легкогазовые метательные устройства. Их обычно называют пороховыми и легкогазовыми пушками.

В пороховых пушках используется нитроглицериновый порох. Поэтому максимально достижимые скорости на срезе ствола ограничены максимальной скоростью звука в продуктах сгорания пороха и весом газов, которые должны ускоряться вместе со снарядом при движении вдоль ствола. Предельная скорость метания в пороховых пушках не превышает 3 км/с.

В легкогазовых пушках для разгона снаряда применяются легкие газы (водород и гелий), скорость звука в которых значительно больше, чем в пороховых газах. С помощью легкогазовых пушек моделям могут быть сообщены относительные скорости, превышающие 10 — 12 км/с. В настоящее время применяются легкогазовые пушки двух типов: одноступенчатые и двухступенчатые.

В одноступенчатой легкогазовой пушке (рис. 2.62) камера сгорания заполняется смесью газов (кислородно-водородно-гелиевая смесь). После воспламенения смеси давление достигает расчетного значения, происходит разрыв диафрагмы, отделяющей камеру сгорания от объекта, газ устремляется в ствол пушки и разгоняет объект до высокой скорости. На таких установках достигается скорость метания 3,5 — 4 км/ с.

Многоступенчатые газодинамические метательные устройства принципиально отличаются от пороховых пушек тем, что в них введены дополнительные ступени для подогрева и сжатия рабочего легкого газа (рис. 2.63). После воспламенения пороха в камере 1 пороховые газы разгоняют до сверхзвуковых скоростей поршень 8, который движется в камере 7, заполненной легким газом. Ударная волна, возникающая перед поршнем, нагревает и сжимает рабочий газ. Когда температура и давление в камере 7 достигнут расчетных величин, диафрагма 3 разрывается, а сжатый и разогретый газ устремляется в ствол пушки и Разгоняет объект до высокой скорости. Поршневые установки бывают с низкой степенью сжатия (p_max/Po=100) и с высокой степенью сжатия (P_max /р₀ = 1000). Здесь ртах — давление, допускаемое в установке, р$ — Начальное давление легкого газа.

В установках с ртах Zp0 = 100 скорость метания не превышает 4 KmIci в установках с,PmaxZpo= 5000 Vmct «6 + 7 км/с.

Выстреливая модель в барокамеру, заполненную воздухом иле газом с регулируемым давлением и температурой, можно смоделировать течение около объекта, движущегося с относительной скоростью 12 км/с.

На аэробаллистических установках (рис. 2.64) достигаются скорости с числами M = 83 и перегрузками до 10б.

С целью предохранения моделей от разрушения при движении в канале ствола модели вставляются в предохраняющие обкладки, называемые поддонами. При выходе из ствола поддоны отделяются от модели.

Для определения параметров траектории модели, по которым затем рассчитываются аэродинамические характеристики, производите» фотографирование положений модели в нескольких точках траектории при одновременном измерении времени между экспозициями. Совпадение моментов экспонирования с моментами нахождения модели в поле фотографирования обеспечивается применением электронных и радиолокационных систем синхронизирования.