1.7. Диафрагменные метательные устройства.

В установках диафрагменного типа область высокого давления (пороховые газы или КВГС) отделена от легкого газа диафрагмой. При разрыве диафрагмы по легкому газу идет ударная волна, нагревающая газ.

Схема установки

Уд. камера камера с

легким газом

Преимуществом установки является её относительная простота и возможность достигнуть более высокого роста функции энтропии, чем в случае легкого поршня. Недостатком является пониженная стабильность скорости метания, т.к. трудно осуществить хорошую повторяемость процесса открывания диафрагмы.

1.8. Установка с дросселированием.

Осуществить процесс сжатия газа с ростом энтропии можно не только с помощью ударных волн. Для этого можно использовать и более сложный термодинамический цикл, в процессе которого энтропия газа повышается.

Таким циклом является. например, следующий. С помощью какого-либо процесса получается газ с параметрами Р₀ и Т₀, а затем этот газ расширяется в вакуумный объем.

В этом случае давление понижается до некоторого

значения Р₁, а температура сохраняется неизменной.

Действительно, уравнение первого закона термодинамики

р₀ W имеет вид dQ = dE+pdW. Т.к. р=0, то dQ=dE=C_νdT

Т₀ Р=0 В предположении отсутствуют потери dq=0

W₀ и следовательно dT=0, т.е. Т=const.

Определим рост функции энтропии.

После перетекания для давления газа имеем

, W₁=W+W₁

До перетекания газа, функция энтропии была равна ,где m₁- масса газа.

После перетекания , следовательно

Ф ункциональная зависимость Ф₁/Ф₀ от W₁/W₀ для различных значений к приведена на рисунке

Ф₁/Ф₀

4 k=1,67

3

k=1,4

2

1 k=1,22

1 2 3 4 5 6 7 W₁/W₀

Как видно из рисунка, функция энтропии в процессе расширения в вакуум возрастает в 2-3 раза. Использование этого явления может оказаться важным для ЛГП.

1.9. Комбинированные установки.

Анализ двухступенчатых газодинамических установок показал, что для дальнейшего увеличения их эффективности необходимо повышать температуру легкого газа.

В двухступенчатых установках температура повышается только за счет однократного сжатия газа. Однако в зависимость входит Т₀ – начальная температура газа, чем выше Т₀ тем выше Т_мах.

В комбинированных установках могут использоваться различные способы предварительного подогрева газа, а также разгон снаряда в стволе за счет дополнительного ввода энергии.

Простейшим методом предварительного подогрева является использование вместо легкого газа КВГС. В этом случае, прежде чем воспламенить основной заряд воспламеняется КВГС впереди поршня. В результате получается смесь, которая в зависимости от состава может иметь различные температуру, К и μ.

Использование КВГС в качестве рабочего легкого газа в поршневых установках имеет несколько преимуществ, важнейшее из которых заключается в следующем. При температуре порядка 3000-5000К (в зависимости от давления) водяной пар начинает сильно диссоциировать и поэтому в процессе сжатия часть кинетической энергии поршня переходит в энергию диссоциации газа. Затем, когда заканчивается сжатие и модель начинает двигаться в стволе, температура газа резко падает и начинается рекомбинация молекул. Так как процесс рекомбинации длится в течении времени порядка 10^-5 – 10^-8с,

в то время как процесс движения модели в канале ствола имеет характерное время порядка 10^-4 – 10^-3с, ассоциация успевает полностью завершиться в стволе, что эквивалентно подводу тепла к газу в процессе расширения. На схеме(рис ) иллюстрируется характер изменения температуры газа во времени в случае учёта диссоциации и без неё. Очевидным недостатком этого метода подогрева является повышение молекулярного веса легкого газа.

Т

с диссоциацией

зона

предвар. зона

подогр. сжатия

поршнем расширение

в стволе без диссоциации

t

Более сложным методом начального подогрева газа является использование специального подогревателя, установленного вне установки. В этом случае легкий газ пропускается через подогреватель (обычно электрического типа) и затем заполняет ствол. Пропускание газа проводится в течение нескольких минут с тем, чтобы прогреть ствол.

Возможен и другой тип подогрева (рис.). В этом случае легкий газ пропускается через плазматрон, в котором нагрев газа производится до температуры ≈ 1000К.

( - )

дуга вакуумная

( + ) газовая

камера

плазматрон

Мощность плазматрона такова, что процесс заполнения должен производится за 1-2 с.

Нагретый газ расширяется в вакуумную камеру баллистической установки. Однако этот метод предварительного нагрева требует весьма больших мощностей. Например для нагрева 1кг гелия до Т=1300 К за 1 сек. (КПД плазматрона η=0,5; Сν гелия=1,25 ккал/кг град) необходимо 10⁷Дж=10МДж ( 100 Дж/кг составляет 10⁵кг=100т)

Вместо плазматрона можно использовать электроимпульсную камеру, где нагрев газа производится электрическим разрядом, после чего прорывается диафрагма и газ перетекает в вакуумированный ствол.

В рассматриваемых установках подогрев производится до начала сжатия поршнем. Недостатками такой системы сжатия являются сравнительно большие тепловые потери и увеличение веса порохового заряда, т.к. работа, совершаемая поршнем, растет пропорционально начальной температуре газа. Можно, однако, осуществить подвод энергии внутрь камеры сжатия. В этом случае электрическая энергия подводится в наиболее ответственный момент метания, благодаря чему, во-первых, резко снижаются тепловые потери, и во-вторых, появляется возможность на некотором участке ствола за счет подвода тепла обеспечить почти постоянное давление, равное максимальному. Очевидно, что процесс подвода тепла может быть продолжен с помощью специальных разрядников, расположенных вдоль ствола. На рисунке приведены схематические зависимости давления в комбинированной установке вдоль ствола от времени при разряде и без разряда.

-- Р_мах 2 с разрядом

1 без разряда

t

Опять же недостатком этой схемы установки является необходимость иметь мощный импульсный поток электрической энергии.

Однако целесообразно использовать и механические способы предварительного подогрева газа. Можно представить несколько различных схем многоступенчатых метательных устройств, в которых используется только механическая и химическая форма энергии.

Принципы работы этих установок состоят в следующем. Сжатие легкого газа производится последовательного несколько раз, причем после каждого сжатия производится расширение газа в вакуумированный объем (камера сжатия следующей ступени). Сжатие может производится как с помощью ударных волн, так и с помощью тяжелых и легких поршней (рис).

Например, установка, состоящая только из камер 5 и 6, будет установкой с ударным подогревом; если в камере 5 поставить поршень, то установка будет установкой с поршневым двукратным подогревом. Наконец, в принципе, возможно использовать в установках и реактивные снаряды.

заряд

Представляет интерес провести сравнительную оценку работы, рассмотренных выше устройств (рассмотрим рисунок, по оси ординат отложена температура, по оси абсцисс – давление).

Т Т₆

6

10

Т₄

4 Т₃

9 Т₅

5

8 2

3 7 Т₁

1

Т₀

Р₀ Р_мах

Пусть начальное давление р₀, температура Т₀ во всех случаях одинаковы.

Пусть одинаково также и Р_мах.

Кривая 1 соответствует установке с тяжелым поршнем, цикл в этом случае характеризуется максимальной температурой Т₁.

Кривая 2 соответствует установке с легким поршнем; цикл характеризуется максимальной температурой Т₂, причем Т₂ > Т_1, поскольку сжатие происходит с ростом энтропии.

Кривая 3 соответствует диафрагменной установке. Эта кривая идет выше, чем 1 и 2 , т.к. рост энтропии газа в этом случае выше; однако кривая не может дойти до Р_мах, т.к.ударная волна не может осуществить таких высоких степеней сжатия, как поршневая установка. Поэтому Т₃ может лежать и ниже Т₂ или Т₁. В то же время следует помнить, что, если ударной волной удастся дожать газ до р=Р_мах, температура Т₄ всегда будет больше, чем Т₂.

В установке с ударным подогревом зависимость, характеризующая процесс в ударной приставке, совпадает с кривой 3. Процесс расширения в вакуум (уменьшение давления при постоянной температуре) описывается участком 5 и сжатие поршнем – кривой 6. Очевидно, что величина Т₆ будет больше и Т₃ и Т₄.

Теперь можно рассмотреть цикл установки с многоступенчатым поршневым сжатием. Сжатие в первой ступени – кривая 1; расширение в вакуум – кривая 7, новое сжатие поршнем – кривая 8. Очевидно, что если ограничиться двумя ступенями сжатиями, температура сжатия будет ниже, чем Т₆. Однако процесс сжатия можно продолжить – кривые 9 и 10 – это ещё одна ступень и т.д. Следовательно, в принципе этим методом можно получить сколь угодно большие температуры при заданном максимальном давлением, но здесь большие трудности могут возникать при синхронизации системы. Необходимо также учесть большие тепловые потери в процессе перетекания.

Особый интерес представляют ЛГУ с пластическим поршнем. Вообще говоря, ЛГУ с пластическим поршнем относятся к установкам с тяжелым поршнем, однако в связи с важностью этого типа устройств рационально остановиться на них отдельно. Для этого необходимо рассмотреть установившийся поток несжимаемой жидкости через канал в единицу времени должно пройти одно и тоже количество жидкости, то, очевидно,

SρU=S₀ρU₀=const , где S-сечение канала, U-скорость, ρ-плотность, откуда U=U₀S₀/S (*)

следовательно, скорость струи увеличивается в отношении площадей сечений.

Пусть имеется удлиненный поршень, изготовленный из пластического мало сжимаемого материала. Если предложить, что поршень проходит суживающуюся часть без замедления, то скорость его передней части должна увеличиваться в соответствие с формулой (*). Точный расчет движения поршня в канале может быть выполнен методами гидродинамики, если известны вязкостные свойства материала из которых изготовлен поршень. Практически, однако, удобнее ввести в формулу (*) некоторый коэффициент, определяемый экспериментально.

на рисунке приведена схематическая зависимость, характеризующая изменение скорости передней кромки поршня : на участке I – скорость V_0, на участке II – V=V₀(S₀/S)b, на участке III- скорость V₁=V₀(S₀/S_ст)b

V₁

I II III

V

V₀

x

Способность пластического несжимаемого поршня увеличивать скорость своей передней поверхности при прохождении сужения используется в поршневых установках следующим образом. Суживающийся канал профилируется так, чтобы на некотором участке скорость передней кромки следила бы за скоростью движения модели в канале ствола. Давление газа на модель на этом участке можно сохранить постоянным, и поэтому увеличивается скорость модели (практически используется коническая камера с углом раствора 5-10⁰).

На американских установках такого типа достигнута скорость метания до 11 км/с.

В случае тяжелого или легкого (но не пластического) поршня скорость последнего при подходе в переднее положение мала и ей можно пренебречь. В случае гидродинамического пластического поршня эта скорость имеет порядок тысячи метров в секунду и её необходимо учитывать.