87

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им.Р.Е.Алексеева

Доцент, к.т.н. Соловьёв В.Е.

(СД-12)

Нетрадиционные виды преобразования

энергии в импульсных тепловых машинах

(курс лекций)

Нижний Новгород

2010 г.

Введение

В настоящее время в технике значительное место занимают импульсные устройства, с известными достоинствами. Множество импульсных явлений наблюдается и в природе. Наш курс будет перекликаться с вашей специальностью, и называться «Нетрадиционные виды преобразования энергии в импульсных тепловых машинах». Все вопросы преобразования будем разбирать на уровне схемных решений установок, физики протекающих в них процессов, методики расчёта, возможностей получения конкретных выходных характеристик.

Такой подход к изучению явлений будет полезным в вашей будущей работе – кто будет работать в направлениях по созданию новой техники, остальные же могут технически грамотно осмыслить ряд происходящих вокруг нас явлений.

Основные рассмотренные нами вопросы будут следующие:

1. высокоскоростные метательные установки и методики их расчёта

2. установки ВСМ (взрывчатого ствольного метания)

3. преобразование энергии методом адиабат сжатия

4. основные вопросы, связанные с понятием плазмы и её присутствием в ряде устройств

5. импульсные высокоэнергетические устройства для космических условий

6. некоторые технологические импульсные устройства г/д лазеры, вопросы связанные с импульсными устройствами

1. Высоко скоростные метательные установки.

На сегодняшней лекции мы познакомимся с общими представлениями о высокоскоростных метательных установках.

В последние десятилетия в области а. технике возникло новое направление – создание средств высокоскоростного метания, т.е. устройств для метания тел со скоростью, превышающей 2500-3000 м/с.

В связи с тем, что в этих условиях в большинстве случаев применяются лёгкие газы

( Н₂, Не), то рассмотрим эти установки, которые и называются ЛГУ (ЛГП).

В настоящее время с помощью ЛГУ телам сообщаются скорости, превышающие 10000-12000 м/с.

ЛГУ применяются для проведения научных исследований в области аэродинамики, физики соударений твёрдых тел и в ряде случаев могут находить применение для поражения хорошо защищённых объёмов.

Помимо ЛГУ в лабораторных условиях разрабатываются высокоскоростные метательные установки, в которых разгон тела производится электродинамическими силами. Эти установки требуют энергии, изучения целого рода процессов, что затрудняет их практическое применение. Поэтому в этом разделе основное внимание сосредоточено на ЛГУ, т.е. на газодинамических методах разгона тел.

0. Физические принципы метания. Обоснование применения газов с низким молекулярным весом.

Легкогазовая установка является частным случаем артиллерийского оружия, состоящего из двух основных частей : ствола ( включая заряд, снаряд и т.д.) и лафета.

В легкогазовой установки, как и в любой артиллерийской установке, метание снаряда (тела) осуществляется расширяющимся в стволе газом. Энергия к этому газу подводится либо за счёт сгорания пороха, либо за счёт предварительного сжатия специальным поршнем, разогревом электрическим зарядом и т.д.

Схему метания тела из цилиндрической трубы можно изобразить следующим образом.

L_k L_ст

m V

L

Для понимания физики процесса метания необходимо установить факторы, которые определяют скорость этого метания V. Рассмотрим простейший случай мгновенного сгорания порохового заряда. Закон сохранения энергии можно записать

, где S-площадь сечения трубы,

внутренняя энергия ид. газа ρ-плотность,

U-скорость газа,

m₁-масса газа,

a-скорость звука в газе,

k-показатель адиабаты.

, m₁=S ρ_ср L

средняя скорость газа U_ср выражается через скорость снаряда V следующим образом

(b₁- коэффициент пропорциональности) :

после этого из этого уравнения легко может быть получена известная в баллистики формула :

(*)

Эта формула показывает, что даже в предельном случае, когда η=1, т.е. когда расширение газа происходит без потерь в бесконечно длинном стволе, а снаряд бесконечно лёгок, т.е.

скорость метания не может быть выше чем

Итак, скорость снаряда определяется в первую очередь скоростью звука в метательном газе.

Если учесть, что скорость звука определяется внутренней энергией газа Е,

. Здесь используется и уравнение Майера .

Если ввести универсальную газовую постоянную, которая как известно R^*=Rµ, то для скорости звука

Т.о., скорость звука в идеальном газе определяется Т и µ.

Видно, чтобы увеличить V надо повысить Т и понизить µ.

В общем случае скорость снаряда определяется не только скоростью звука , но также К, η, b₁ и . Т.е. можно представить

(**) , где V₁- переносная скорость

всего газа как целого, φ-суммарный поправочный коэффициент,

- в основном определяет КПД выстрела, f – функция .

Основная задача теории метания заключается в том, чтобы определить влияние всех перечисленных параметров на скорость снаряда (т.е. определить функцию f) и показать наиболее перспективные направления создания метательных установок.

Формула (**) показывает три основных направления, в которых происходит развитие установок с повышенной скоростью метания :

1. Увеличение скорости звука в метающем газе, что требует увеличения Т газа и уменьшение µ

2. Увеличение переносной скорости V₁; на практике это пристигается применением гидродинамического (или пластического) поршня, ускорением газа в стволе с помощью электродинамических сил и т.о.

3. Увеличение коэффициента φ за счёт уменьшения всех видов потерь

Все указанные направления находят своё отражение в конструкции метательных устройств.

Переёдём теперь классификации средств высокоскоростного метания.