2774.Вакуумные технологии

и проводить другие аэродинамические испытания. Конструктивно аэродинамическая труба имеет пять основных элементов:

1)форкамеру, являющуюся сосудом, откуда происходит истечение газа через сопло в рабочую часть аэродинамической трубы;

2)сопло, служащее для получения потока с заданными газодинамическими параметрами в рабочей части;

3)рабочую часть трубы, где устанавливаются испытуемые модели ЛА и производятся необходимые наблюдения и измерение параметров;

4)диффузор, назначение которого – наиболее эффективно преобразовать кинетическую энергию движения газового потока, истекающего из рабочей части трубы, в потенциальную энергию давления;

5)приводной агрегат, служащий источником энергии для создания потока в трубе.

Вакуумные аэродинамические трубы относятся к трубам периодического действия, в которых перепад давлений создается посредством образования вакуума на выходе из диффузора. Воздух в форкамеру вакуумной аэродинамической трубы засасывается непосредственно из атмосферы, а давление в форкамере либо равно, либо меньше атмосферного.

Воздух из вакуумного ресивера откачивается вакуумным насосом в течение длительного времени до низкого давления. Для запуска трубы открывается быстродействующий клапан. Под действием перепада давлений между атмосферой и вакуумным ресивером создается газовый поток в трубе.

Эксперимент может проводиться до тех пор, пока в ресивере давление не повысится до некоторого максимального критического значения, после чего трубный скачок уплотнения войдет

всопло трубы и заданные газодинамические параметры потока

врабочей части будут при этом нарушены. Для прекращения эксперимента быстродействующий клапан закрывается.

221

Т-117 – гиперзвуковая аэродинамическая труба (АДТ) периодического действия незамкнутого типа, предназначена для исследования аэротермодинамических характеристик моделей объектовракетно-космической техники и их элементов (рис. 9.4).

а

б

Рис. 9.4. Внешнийвид(а) иустройство(б) гиперзвуковойаэродинамической трубы Т-117 (ЦАГИ): 1 – электродуговой подогрев; 2 – рабочая часть; 3 – теплообменник; 4 – вакуумная емкость; 5 – отсечные задвижки; 6 – эжекторы; 7 – сопло; 8 – сверхзвуковой диффузор

Для создания рабочего потока с широким диапазоном чисел Маха и Рейнольдса (М и Re) труба оборудована набором профилированных осесимметричных сопел с диаметром выходного сечения 1 м. Сжатый воздух из баллонов с давлением до 28 МПа

222

поступает в форкамеру трубы, где нагревается до необходимой температуры при помощи электродуговых подогревателей. Для создания разрежения в рабочем канале труба оборудована двумя системами: системой из четырех сверхзвуковых эжекторов и вакуумной системой.

Рабочая часть трубы представляет собой камеру Эйфеля с охлаждаемыми стенками и оснащена двумя системами подвески, позволяющими быстро вводить модель в поток и изменять ее пространственную ориентацию. В стенках рабочей части имеются оптические окна для визуализации обтекания моделей различными методами и проведения кинофотовидеорегистрации.

АДТ оборудована набором тензометрических весов для измерения аэродинамических сил и моментов моделей и их конструктивных элементов, а также автоматизированным измеритель- но-вычислительным и управляющим комплексом.

Аэродинамическая труба Т-117 обеспечивает проведение следующих видов экспериментальных исследований:

определение суммарных аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов (ЛА) и их элементов;

испытание моделей со струями;

измерения стационарного и нестационарного распределений давления по поверхности модели;

определение распределения тепловых потоков на по-

верхности модели методом термоиндикаторных покрытий

ис помощью датчиков;

физические исследования (визуализация потока теневым

иинтерферометрическим методами, визуализация предельных линий тока методом размывающихся капель краски и др.).

Основные технические параметры аэродинамической трубы Т-117:

Исследование формирования отрывных и вихревых течений при наличии электрического разряда на поверхности тела проводилось на сверхзвуковой атмосферно-вакуумной аэродинамической трубе СТ-4. Аэродинамическая труба оснащена соплом Лаваля, позволяющим получать равномерный по скорости поток газа за соплом при расчетном истечении. Газгольдеры, откачиваемые вакуумными насосами, имеют общий объем 240 м3, что позволяет получать сверхзвуковое течение воздуха в течение 1 мин, а расчетный режим истечения – в течение нескольких секунд. Число М потока составляет величину 2,0 (520 м/с) при статическом давлении потока 0,15 атм, число Re составляет 106, массовый расход воздуха 1,5 кг/с. Рабочая камера аэродинамической трубы оснащена поворотным механизмом, позволяющим изменять положение модели относительно набегающего сверхзвукового потока воздуха, а также прозрачными окнами из оптического стекла, через которые проводится оптическая диагностика течения. Рабочая камера также оснащена датчиками давления и вакуумметрами, позволяющими контролировать режимытечения.

Сверхзвуковая аэродинамическая труба БМР (рис. 9.5) в ГНЦ ФГУП «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша» предназначена для определения аэродинамических характеристик воздухозаборников межконтинентальных крылатых ракет типа «Буря», РН типа «Протон», «Энергия», «Буран», «Ангара» с ускорителем «Байкал» с работающими двигателями, венерианских и марсианских посадочных модулей.

224

Основные характеристики трубы БРМ:

давление набегающего потока воздуха (до Ро = 20 MПа);

число Маха набегающего потока до М = 6;

число Рейнольдса Re = 0,4...7·106;

объем ваккумных баллонов V = 2400 м3, создаваемый вакуум до 3–4 Торр;

диаметр рабочей части трубы до 400 мм.

Рис. 9.5. Аэродинамическая труба БМР, Исследовательский центр им. М.В. Келдыша

Ударные трубы используются в аэрокосмических исследованиях более 50 лет. В ударных трубах проводятся экспериментальные исследования физической и химической кинетики газовых смесей за фронтом сильных ударных волн, образующихся при гиперзвуковых скоростях движения объектов. В ударных аэродинамических трубах экспериментально исследуются вопросы обтекания моделей летательных аппаратов газовыми потоками при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях.

В ИПМех РАН введена в опытную эксплуатацию гиперзвуковая аэродинамическая ударная труба (ГУТ) (рис. 9.6). Она выполняет функции как ударной, так и аэродинамической трубы. В первом варианте задействованы камера высокого давления

225

(КВД), камера низкого давления (КНД) с измерительным блоком и заглушкой. Здесь исследуется ионизационная релаксация газов за фронтом падающих и отраженных ударных волн. Аэродинамическая часть трубы подсоединяется к трубе без заглушки посредством сопел и второй тонкой мембраны. Она предназначена для экспериментальных исследований задач обтекания газами профилей элементов конструкции летательных объектов.

Рис. 9.6. Гиперзвуковая аэродинамическая ударная труба ИПМех РАН

Диаметр гиперзвуковой ударной трубы 0,08 м, длина КВД 2 м, КНД – 6 м, ресивера – 4 м, диаметр ресивера − 0,6 м. Мак-

симальное расчетные давления РКВД = 200 МПа, РКНД = 80 МПа. Безмасляное откачное оборудование позволяет производить от-

226

качку камер высокого и низкого давлений перед наполнением толкающим и рабочим газами. Глубина вакуума ресивера может варьироваться от 1 до 5·10–5 МПа, толкающий газ N2. Время существования стационарного потока, при котором возможны аэродинамические измерения из гиперзвукового сопла, при М = 4 составляет 1 мс, а само стационарное истечение из гиперзвукового сопла составляет 20 мкс.

9.2.Вакуумные технологии

вавиационной и ракетно-космической технике

Вавиационной технике вакуумные технологии широко используются для получения сверхчистых материалов и сплавов, упрочнения конструкционных материалов авиационных двигателей и турбин, увеличения термостойкости, повышения их износостойкости и коррозионной стойкости.

Создание новых материалов для авиационной техники является предметом авиационного материаловедения – отдельного направления техники. В последние десятилетия при помощи вакуумных технологий для авиационной техники создан целый ряд высокопрочных материалов.

Результатом совместных исследований фирмами Stork Veco B.V. и Fokker Aircraft B.V. стала разработка нового материала, основанного на микропористом никеле и получившего торговое название «перфолин». Этот материал в авиационной промышленности предназначен для использования в звукоизолирующих покрытиях.

Высокотермостойкие, обладающие высокой металлоустойчивостью к жаропрочным никелевым сплавам огнеупорные корундомуллитовые материалы, созданы в Обнинском НТП «Технология». Материалы используются для изготовления тиглей

втехнологиях высокоточного литья лопаток газовых ракетных двигателей, в производстве мерных заготовок из жаропрочных сплавов, для изготовления коробов для обжига стержней.

227

Испытаниями установлено, что улучшенные материалы, такие как суперсплавы, будут оказывать существенное влияние на характеристики современных двигателей. Внедрение интерметаллидных материалов в конструкцию авиационных двигателей позволяет уменьшить массу и улучшить характеристики двигателей. Фирмой Martin Marietta Со для изготовления лопаток предложен интерметаллидный сплав с гафнием марки MarM200+Hf. Фирмой International Electric Co разработан сплав

Inconel 718 для изготовления дисков турбин.

Во многих исследовательских работах показана перспективность использования керамических материалов при изготовлении элементов поршневых двигателей и газовых турбин. При этом значительно повышается их КПД и долговечность.

В авиационной и ракетной промышленности широко применяются технологии вакуумной термодиффузионной и плаз- менно-дуговой сварки (см. подразд. 2.4).

228

10. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ВАКУУМНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ РАБОТЫ С РАДИОАКТИВНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

10.1.Вакуумные технологии в производстве урана

иего оксидов. Разделение изотопов

Оксиды урана UO3, UO2 и U3O8 – важные промежуточные продукты уранового производства при получении фторидов урана и металлического урана. Некоторые из них к тому же могут непосредственно использоваться (после изотопного обогащения, естественно) как топливо АЭС. Например, применение огнеупорного, коррозионно- и радиационно устойчивого UO2 позволяет повысить рабочую температуру реактора, по сравнению с металлическими ТВЭЛами. Оксиды урана, как наиболее устойчивые его соединения, могут быть использованы для целей его длительного хранения и служить промежуточным звеном между урановорудным, фторидным и аффинажно-металлургическим производствами. Поэтому к оксидам урана предъявляются вполне определенные требования. Необходимо, чтобы они соответствовали техническим условиям по содержанию примесей, а в том случае, если предполагается их применение в ядерных реакторах, содержание примесей в них должно быть весьма малым, соответствующим требованию ядерной чистоты продуктов.

Процесс получения оксидов из уранилнитрата основан на термической диссоциации соли урана (шестивалентного гидрата) при повышенной температуре. Физические свойства получаемых оксидов в значительной степени зависят от условий прокаливания (температуры и скорости ее подъема, глубины вакуума и т.п.).

Оксиды урана также могут быть получены при термической диссоциации оксалата уранила, который в интервале температур 120–210 °С теряет свою кристаллизационную воду. При дальнейшем повышении температуры до 350 °С происходит образование триоксида урана UO3.

229

При еще более высоких температурах 500–600 °С процесс разложения оксалата уранила в вакууме или инертной атмосфере сопровождается образованием уже диоксида урана UO2, что обусловлено восстанавливающим действием СО. Диоксид урана (пирофорен), полученный термической диссоциацией оксалата уранила, легко взаимодействует с газообразным фтористым водородом и плавиковой кислотой.

Металлический уран является источником плутония и ядерным топливом для уранграфитовых промышленных реакторов. В этом случае из металлического урана изготавливают тепловыделяющие элементы. Металлические ТВЭЛы представляют собой цилиндрические урановые блоки диаметром 25 мм и высотой 50 мм. Урановый блок снаружи покрыт оболочкой из алюминия. Промышленные уранграфитовые реакторы предназначены для наработки в них плутония. После кампании атомного реактора (кампания – время работы реактора с одной и той же загрузкой ядерного топлива) урановые блоки извлекаются, растворяются и поступают на радиохимический завод для выделения из них плутония.

Основная масса урана в настоящее время получается в виде слитков восстановлением тетрафторида урана кальцием или маг-

нием (рис. 10.1).

Высокие требования предъявляются к кальцию, используемому в металлотермии урана. Предварительно кальций подвергается вакуумной дистилляционной очистке и последующему диспергированию в токе аргона. В результате кальций получается в виде шарообразных гранул размером около 1 мм.

Рафинировочная переплавка урана. Для очистки урана от различных примесей используют так называемую рафинировочную переплавку. Переплавку урана осуществляют в индукционных печах. Мощность индукционных печей достигает 200 кВт.

Технология получения урановых слитков достаточно сложна, что связано с физико-химическими особенностями этого металла. Основная трудность урановой металлургии заключается в том, что нагретый металл реагирует со всеми применяемыми

230