Главная » Экспериментальная база института » Экспериментальная база по отработке теплообмена и аэрогазодинамики

Экспериментальная база по отработке теплообмена и аэрогазодинамики

Экспериментальная база ЦНИИмаш для исследований и наземной отработки ракетно-космических систем по направлениям аэрогазодинамики и теплообмена представляет собой комплекс многоцелевых среднемасштабных и крупномасштабных установок с широким диапазоном параметров рабочего потока, с подводом инертных газов и реагирующих компонентов топлива. Отвечая мировому уровню, она является уникальным экспериментальным комплексом по номенклатуре аэродинамических труб и газодинамических стендов, а также по их энергетическому обеспечению. Поэтому наземная экспериментальная отработка перспективных образцов ракетно-космической техники ведётся преимущественно в установках ЦНИИмаш. Все аэродинамические и тепловые установки оснащены различными вспомогательными механизмами и современными средствами измерений, а также измерительно-вычислительным комплексом для обработки результатов в темпе эксперимента. Адекватность разработанных средств реальным условиям полёта была подтверждена путём сопоставления результатов теоретических расчётов и модельных испытаний с лётными данными.

 

Ниже приводится краткий перечень имеющихся экспериментальных установок с описанием их назначения и параметров моделирования.

 

Основные установки экспериментальной базы ЦТА

 

 

Комплекс аэродинамических установок

 

Комплекс имеет в своем составе шесть аэродинамических установок разного класса. Он обеспечивает возможность моделирования условий полёта летательных аппаратов (ЛА) в широком диапазоне чисел Маха и Рейнольдса и по своим параметрам не уступает современным аэродинамическим центрам мира. В состав аэродинамического комплекса входят следующие установки:

  • трансзвуковая аэродинамическая труба У-3,
  • трансзвуковая и сверхзвуковая аэродинамическая труба переменной плотности У-3М,
  • сверхзвуковая аэродинамическая труба переменной плотности У-4М,
  • гиперзвуковая аэродинамическая труба переменной плотности У-6,
  • крупномасштабная трансзвуковая аэродинамическая труба переменной плотности У-21,
  • крупномасштабная сверх- и гиперзвуковая аэродинамическая труба переменной плотности У306-3.

Основные параметры установок приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Установка

У-3

У-3М

У-4М

У-6

У-21

У306-3

Числа Маха

0,2÷1,2; 1,75

0,2÷1,2; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0

1,8; 2,0÷6,0 через 0,5

6; 8

0,2÷1,4; 1,8

3; 4; 6; 8

Числа Re1·10-6

0,6÷2,0

0,9÷90

0,8÷50

18÷70

0,1÷100

1,0÷200

Размер рабочей части и диаметр  среза сопла, м

0,6×0,6×2,4

0,6×0,6×2,8

0,6×0,6×2,8

0,35

1,4×1,4×5,6

2,5×2,5×6,5

1,2

Размер модели:

 - длина, м

 - диаметр, м


<0,5
<0,09


<0,6
<0,09


<0,6
<0,2


<0,4
<0,12


<1,4
<0,4


<2,0
<0,5

 

Основными видами экспериментов при наземной отработке в аэродинамических трубах являются:

  • весовой, позволяющий определять интегральные аэродинамические характеристики модели и её элементов;
  • нестационарный, в соответствии с которым определяются параметры динамической устойчивости изделия;
  • дренажный, в котором измеряются распределения статического давления и характеристик пульсации давления на поверхности модели;
  • струйный, предназначенный для определения характеристик истекающих газовых струй и их воздействия на элементы изделия;
  • оптико-физический, предназначенный для визуализации спектра обтекания модели.

 

 

Струйная газодинамическая установка У-22

 

Струйная газодинамическая установка У-22 (барокамера с пониженным уровнем давления и объёмом вакуумной части 1000 м3) предназначена для проведения исследований струйных моделей с большим расходом рабочего газа через сопла модельных ДУ, в частности, для отработки газодинамики посадки и старта на Луне и других планетах, струйного взаимодействия при маневрировании, стыковке и расстыковке космических объектов на орбите, газодинамики ступеней ракет в условиях разреженной внешней среды.

 

 

Установки для моделирования и исследований аэротермодинамических процессов около гиперзвуковых летательных аппаратов

 

3.1. Ударные трубы

 

Наибольшее количество исследований физических и физико-химических процессов, протекающих в воздухе при высоких температурах, и свойств высокотемпературных газовых смесей, было проведено в ударных трубах. Параметры ударных труб, имеющихся в ЦНИИмаш, приведены в таблице 2.

 

Таблица 2

Установка

Диаметр канала, м

Длина канала, м

Числа Маха

Числа Re1·10-6

P0, МПа

Т0, К (воздух)

У-12

0,5

200

6÷11

0,1÷50

7

3200

У-8М

0,1

17

12÷20

0,05÷5

150

4400

 

Ударная труба У-8М обеспечивает получение ударных волн различной интенсивности, нагрев газов до высокой температуры и проведение исследований протекающих в них физико-химических процессов, определение вызванных ударными волнами импульсных нагрузок на модель, исследование радиофизических характеристик плазмы и ионизованных пылевых образований при концентрации электронов ne = 109÷1015 см-3 и частоте их соударений n = 108÷1012 с-1. Диапазон скоростей ударных волн: 400÷10000 м/с. Рабочие газы: воздух, азот, водород, гелий, взрывчатые смеси.

 

Ударная труба У-12 предназначена, кроме того, для исследования процессов горения и детонации газовых смесей, испытания радиотехнических устройств. Диапазон скоростей ударных волн: 350÷9000 м/с.

 

Установки снабжены соплами с выходным диаметром 1,5 м.

 

3.2. Высокотемпературные газодинамические установки

 

Выбор и наземная отработка материалов для тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) являются важнейшей задачей, которая решается, в основном, в процессе испытаний теплозащитных материалов (ТЗМ) в высокотемпературных потоках газа.

 

Для воспроизведения в наземных условиях теплосиловых нагрузок, близких к натурным величинам и весьма различных для ГЛА разного класса, служат газодинамические установки с использованием электрической энергии для нагрева рабочего газа. Наиболее распространены методы нагрева с помощью электрической дуги и индукционного разряда.

 

3.2.1. Электродуговые газодинамические установки (ЭДУ)

 

Газодинамические установки с электродуговыми подогревателями мощностью 1,0÷50 МВт (ТТ-1, ТТ-2, У-15Т-1 и У-15Т-2) позволяют воспроизводить широкий спектр условий аэродинамического нагрева при входе и движении ЛА в атмосфере, определяемый, прежде всего, полной энтальпией потока H0 и давлением в точке торможения за прямым скачком уплотнения. В таблице 3 показаны параметры установок с их основными нагревателями рабочего газа аксиального типа.

 

Основной вид испытаний в ЭДУ ТТ-1, ТТ-2, У-15Т-2 – испытания в свободной струе при лобовом натекании горячего газового потока на испытуемый образец, установленный на оси потока. В этом случае обеспечивается максимальный тепловой поток к поверхности образца в критической точке. Для отработки ТЗМ в условиях турбулентного теплообмена используется «кожухное сопло».

 

Режимы испытаний ЭДУ ТТ-1 и ТТ-2 с подогревателями мощностью до 10 МВт в основном используются для исследований теплозащитных материалов, работающих при небольших тепловых нагрузках и разрушающихся при сравнительно низких температурах поверхности.

 

В процессе испытаний на У-15Т-2 проводится цифровая фоторегистрация светящейся поверхности образца, а также цифровая стереоскопическая съёмка. По результатам обработки определяются яркостная температура разрушающейся поверхности и линейная скорость уноса материала. Стереоскопическая съёмка позволяет, используя известные методы стереофотограмметрии, определять трёхмерный рельеф поверхности. Эти данные используются для определения параметров шероховатости поверхности в процессе её разрушения.

 

Установка У-15Т-1 позволяет проводить испытания больших образцов и отдельных фрагментов реальных конструкций аппаратов.

 

Таблица 3

Установка

TT-1

TT-2

У-15T-1

У-15T-2

Мощность нагревателя газа, МВт

£10

£10

£50

£50

Размер рабочей части, м

0,8×0,8×0,8

0,6×0,6×0,6

Æ2,2×3,5

0,8×0,8×0,8

Выходной диаметр сопла (м) и соответствующие числа Маха

0,3; М=6; 8

0,022; М=1,5

0,15; M=2,5

0,09; M=4

0,065; M=6

1; М=6

0,3; М=6; 8

0,085; М=2,5

Расход рабочего газа, кг/с

0,15÷6

0,05÷3

1÷15

0,15÷15

Давление за прямым скачком уплотнения, MПа

0,01÷0,2

0,5÷1,2

0,01÷0,025

0,05÷2,5

Полная энтальпия, MДж/кг

0,5÷10

0,5÷8

£6,3

1,25÷8

 

3.2.2. Газодинамическая установка У-13ВЧП (ВЧ-плазмотрон)

 

Принцип действия установки основан на известном физическом явлении нагрева проводящих сред электрическим током, индуцированным в них переменным электромагнитным полем. В высокочастотных плазмотронах (ВЧ-плазмотронах) такой средой является ионизованный газ. Переменное электромагнитное поле создаётся внутри индуктора, через который протекает рабочий газ. Под воздействием этого поля свободные электроны, имеющиеся в газе, ускоряются. Приобретаемая электронами энергия достаточно велика, часть её передается молекулам при столкновениях, вызывая нагрев газа до температур ~ 10000 К.

 

Установка У-13ВЧП с выходной мощностью генератора 1 МВт работает как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом режимах и имеет ряд дополнительных устройств (сопел), существенно расширяющих диапазон моделируемых параметров: энтальпия газа – до 35 (в перспективе - до 50÷60) МДж/кг, давление на поверхности образца – до 500 мбар, рабочие газы – воздух, азот, аргон, СО2, гелий и др., коэффициент теплообмена – 0,002÷0,15 кг/(м2·с). Максимальный диаметр рабочей струи Ø180 мм.

 

Безэлектродный нагрев рабочего газа обеспечивает отсутствие загрязняющих примесей в потоке газа, а возможности воспроизведения и изменения определяющих параметров потока (полной энтальпии, давления, состава газа) в широком диапазоне для моделирования реальных условий полёта ЛА и возможность длительных (20 мин и более) испытаний делают ВЧ-плазмотроны незаменимым средством для решения проблем теплообмена, характерных для аппаратов планирующего спуска.

 

ВЧ-плазмотрон используется также для отработки новых плазменных технологий получения наноматериалов и нанесения нанопокрытий.

 

3.2.3. Другие установки для отработки ТЗМ

 

Комплекс стендов для эрозионных исследований и испытаний приборов на воздействие линейных перегрузок (в составе центробежных стендов ЛЦС-1, ЛЦС-5, ЦС-4 и пневмобаллистической установки ПБУ). Позволяет моделировать воздействие твёрдых и жидких частиц на теплозащитные и конструкционные материалы при скоростях соударения 100÷1000 м/с.

 

Комплекс высокотемпературных теплофизических и термохимических установок (в составе 4-х лабораторных установок). Позволяет определять теплофизические и термохимические характеристики ТЗМ при температурах до 3500 К.

 

3.3. Поршневые газодинамические установки многокаскадного сжатия (ПГУ МКС)

 

Комплекс ПГУ МКС предназначен для отработки в наземных условиях, максимально приближенных к натурным, на полноразмерных модулях или крупномасштабных моделях длиной LM ~ (0,5÷1) м вопросов теплообмена и аэрогазодинамики гиперзвуковых ЛА различного назначения.

 

В состав комплекса ПГУ входят: многоцелевая крупномасштабная ПГУ-11, гиперзвуковая крупномасштабная установка ПГУ-7, импульсная трансзвуковая труба ИТТ У-11, генератор струй высокого давления ГСВД. Нагрев модельного газа осуществляется высокоэффективным способом преобразования механической энергии газа в его тепловую энергию, основанным на разработанном в ЦНИИмаш методе многокаскадного сжатия газа (МКС-метод).

 

Отличительной особенностью проводимых на ПГУ исследований является возможность воспроизведения турбулентных и переходных режимов течения на поверхностях ЛА при значениях температурного фактора 0,1÷0,5 и высоких числах Маха М=4÷18 и Рейнольдса Re1=2·105÷108. Характерная продолжительность эксперимента при гиперзвуковых условиях ~ 0,2 с.

 

При проведении исследований измеряются стационарные и нестационарные поля давлений, тепловые потоки на поверхности моделей (инфракрасная техника, калориметры, термопары), акустические параметры, при помощи внутримодельных весов определяются силовые интегральные нагрузки и т.д.

 

Реконструкция ПГУ доведена до стадии, позволившей начать экспериментальные работы, необходимые для уточнения зон ламинарно-турбулентного перехода и теплообмена на боковой поверхности и в донной области, по завершению которых будет получена полная картина тепловых и аэродинамических нагрузок по траекториям изделий РКТ.

 

Комплекс установок для исследований газодинамики, ударно-волновых процессов, акустики и теплообмена при старте

 

Комплекс газодинамических установок ПВК, У2-ГД, ГГА и твердотопливных стендов ТТ для определения на маломасштабных моделях (М1:30) тепловых, газодинамических и акустических нагрузок на стартовое сооружение, РН (включая днище, боковую поверхность и космическую головную часть), а также для получения качественной картины взаимодействия струй ДУ со стартовым сооружением (тяга до 1500 кг, давление в камере сгорания до 200 атм, температура струй до 3600 К).

 

Комплекс ударно-волновых стендов УВ-102, 104, 106, 107 и ударных труб У-12, У-8 для исследований ударно-волновых нагрузок на РН при старте (в том числе подводном) и разделении ступеней на различных высотах, нестационарной аэродинамики, а также для радиофизических исследований, испытаний бортовой системы определения координат места пробоя корпуса гермоотсека КА (давление толкающих газов до 1500 атм, скорость ударных волн до 9000 м/с).

 

 

Комплекс тепловакуумных установок и стендов для имитации воздействия факторов космического пространства (ФКП)

 

Комплекс стендов для определения тепловых режимов КА и их элементов (в составе стендов «Луч», «Квант-20М» – рабочий объём до 20 м3, разрежение до 10-7 мм рт. ст.), для отработки материалов для узлов трения в вакууме (5 лабораторных установок с вакуумом до 10-7 мм рт. ст.).

 

Многоцелевая модельная баллистическая установка (МБУ) для наземной отработки экранной защиты КА от воздействия метеороидных и техногенных частиц и моделирования аварийных ситуаций при пробое гермоотсеков ОС и КА (скорости метаемых частиц до 7500 м/с при массе частиц ~ 2 г).

 

Комплекс из 5 лабораторных установок для определения свойств материалов в среде жидкого и газообразного водорода, а также газовыделения, газоосаждения и газопроницаемости материалов РКТ (рабочие температуры 20÷400 К).

 

Подробнее об основных установках экспериментальной базы ЦТА >>

Справочная информация

 

 

Контактная информация

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)

Россия, 141070, Московская область, г.Королёв, ул.Пионерская, д.4

т. (495) 513-59-51
ф. (495) 512-21-00

e-mail: corp@tsniimash.ru
© 2000-2017 ФГУП ЦНИИмаш
На печать Карта сайта На главную