Расширительный туннель

В аэронавтике расширительные и ударные трубы являются аэродинамическими испытательными установками с особым интересом к высоким скоростям и испытаниям при высоких температурах. Ударные трубы используют расширение сопла при постоянном потоке, тогда как расширительные трубы используют нестационарное расширение с более высокой энтальпией или тепловой энергией. В обоих случаях газы сжимаются и нагреваются до тех пор, пока газы не высвободятся, быстро расширяясь вниз по камере расширения. Туннели достигают скорости от 3 до 30 Маха, чтобы создать условия испытаний, которые имитируют гиперзвуковой полет для входа в атмосферу . Эти туннели используются военными и правительственными агентствами для испытания гиперзвуковых транспортных средств, которые подвергаются различным природным явлениям, происходящим во время гиперзвукового полета. ^[1]

В туннелях расширения используется система с двумя диафрагмами, в которой диафрагмы действуют как разрывные диски или предохранительные клапаны. Туннель разделен на три секции: привод, ведомый и ускоряющий. Приводной участок заполнен гелием под высоким давлением. Ведомый участок заполнен требуемым испытательным газом с более низким давлением, таким как углекислый газ, гелий, азот или кислород. Ускорительный участок заполнен испытательным газом с еще более низким давлением. Каждый участок разделен диафрагмой, которая должна разрываться последовательно, вызывая разрыв первой диафрагмы, смешивая и расширяя привод и ведомый. Когда ударная волна достигает второй диафрагмы, она разрывается, заставляя два газа смешиваться с ускорением и расширяться вниз по закрытому испытательному участку. Время работы составляет приблизительно 250 микросекунд. ^[2]

Отраженные ударные туннели нагревают и сжимают застойный газ, используя ударные волны, которые перенаправляются обратно в центр; это возбуждает газы и производит движение, тепло и давление. Затем газы выпускаются и расширяются через сопло в испытательную камеру. Время работы составляет приблизительно 20 миллисекунд. ^[3]

В процессе расширения проводятся различные испытания для анализа аэродинамических и термических свойств испытываемого автомобиля.

Трение кожи

Сопротивление, которое возникает, когда объект движется через жидкость или газ.

Химия потока

Анализ реакций, происходящих при непрерывном течении

Прочность

Способность противостоять ухудшению

Турбулентность

Беспорядочное движение жидкостей

Передача тепла

Передача тепловой энергии из одной системы в другую

Аэроэластичный

Силы, создаваемые движением воздуха, и способ, которым воздух огибает объект.

Тепловая защита

Способность выдерживать теплопередачу, снижая температуру

Вибрация

Колебание или встряхивание молекул

Тонкопленочный датчик теплопередачи

При нагревании датчика его сопротивление изменяется; это приводит к изменению напряжения, которое используется для расчета количества тепла, переданного объекту.

Пьезоэлектрический преобразователь давления

Под давлением кристаллы приобретали электрический заряд, пропорциональный оказываемому давлению.

Лазерный диодный спектрограф

Измеряет свойства преломленного света, генерируемого лазером, проходящим через турбулентный газ вокруг объекта.

Баланс силы и момента

Используется для измерения трех или шести компонентов, трех сил (подъемная сила, сопротивление и боковая сила) и трех моментов (тангаж, крен и рыскание), чтобы полностью описать условия на модели. Силы на модели определяются тензодатчиками, расположенными на весах. Каждый датчик измеряет силу путем растяжения электрического элемента или фольги в датчике. Растяжение изменяет сопротивление датчика, которое изменяет измеряемый электрический ток через датчик в соответствии с законом Ома. Это изменение сопротивления, обычно измеряемое с помощью моста Уитстона, связано с деформацией величиной, известной как коэффициент датчика.

HET — одна из ударных труб в группе Caltech Hypersonics в Калифорнийском технологическом институте под руководством профессора Джоанны Остин. Она работает аналогично ударной трубе, где удар, образованный первичной диафрагмой, нагревает испытательный газ. Новизна этой установки заключается в том, что ее испытательный газ дополнительно ускоряется скачком расширения, который образуется, когда первичный удар взаимодействует со второй нисходящей диафрагмой. Это установка с внутренним диаметром 150 мм, способная достигать числа Маха 4-8, и была построена в 2005 году. ^[4]

Гиперзвуковой импульсный комплекс (HYPULSE) эксплуатируется Университетом Пердью в Западном Лафайете, штат Индиана, на территории кампуса Maurice J. Zucrow Laboratories в Пердью. Ранее HYPULSE эксплуатировался как HYPULSE NASA Лабораторией прикладных наук (GASL) в Нью-Йорке, прежде чем был передан в дар Пердью в 2020 году компанией Northrop Grumman . Комплекс HYPULSE был разработан для испытаний возвращаемых аппаратов и воздушно-реактивных двигателей. Технические характеристики HYPULSE включают диаметр 7 футов и длину 19 футов. Этот комплекс был модернизирован для работы в двух режимах: туннель отраженной ударной волны (RST) и туннель ударно-расширительной волны (SET). HYPULSE-RST генерирует скорости от 5 до 10 Махов, тогда как HYPULSE-SET генерирует скорости от 12 до 25 Махов. ^{[3] [5] [6]}

Транспортные средства, протестированные на HYPULSE:

• Х-34
• Х-43
• Система тепловой защиты космического челнока (TPS)
• Модель Scramjet HYPLUSE (HSM)

Большие энергетические национальные ударные туннели (LENS) были построены за последние 15 лет в Центре аэротермической/аэрооптической оценки (AAEC) в CUBRC. Установки LENS были разработаны для испытаний усовершенствованных головок самонаведения ракет и двигателей ГПВРД. LENS I и LENS II имеют схожие системы управления, сжатия и сбора данных. Установка LENS I имеет приводную трубу диаметром 11 дюймов и длиной 25,5 футов, которая электрически нагревается с приводной секцией размером 8 дюймов на 60 футов, способной достигать скорости от 7 до 18 Маха. Испытательные модели могут иметь максимальную длину 12 футов и диаметр 3 фута. LENS I нагревает приводной газ до 750 градусов по Фаренгейту для работы при максимальном давлении 30 000 фунтов на квадратный дюйм. Установка LENS II объединяет диаметр 24 дюйма как с приводной трубой длиной 60 футов, так и с приводной трубой длиной 100 футов, которая работает со скоростью от 3 до 9 Маха. ^[7]

Транспортные средства, испытанные на LENS-I:

• HyFly
• Х-34
• Модель орбитального аппарата
• Национальный аэрокосмический самолет (NASP)

Транспортные средства, протестированные на LENS-II:

• HyFly
• БЛК IVA
• Х-43
• АРРРМД
• HyCause
• РРСС

LENS-X — это расширительный туннель диаметром 8 футов и длиной 100 футов с максимальной скоростью 30 Махов. Приводная камера, заполненная гелием или водородом, сжимается до 3000 фунтов на квадратный дюйм при температуре 1000 градусов по Фаренгейту; это разрушает первую диафрагму, в результате чего в ведомую камеру поступает поток горячего газа, создавая давление более 20 000 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем разорвется вторая диафрагма. ^[8]

Транспортные средства, протестированные в LENS-X:

• Орион
• DARPA Сокол

Он расположен в исследовательском центре Kakuda Space – JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований). В этом туннеле можно одновременно моделировать как высокое давление, так и высокую температуру. Основные области применения включают аэродинамические и аэротермодинамические испытания на масштабных моделях возвращаемых космических аппаратов; и испытания процесса сгорания на гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателях. HYFLEX (эксперимент по гиперзвуковому полету), который был прототипом демонстрационного аппарата для возвращения в атмосферу JAXA, был испытан в этом центре. Еще одной особенностью этого туннеля является возможность использования 3 поршней разной массы. ^[9]

Он расположен в Университете Квинсленда , Австралия. Это большая ударная труба со свободным поршнем, способная производить суборбитальные скорости потока в диапазоне чисел Маха. Ударная труба T4 начала работу в апреле 1987 года и начала повседневную эксплуатацию после периода ввода в эксплуатацию в сентябре 1987 года. 10000-й выстрел T4 был произведен в августе 2008 года. Университет Квинсленда также обслуживает установки X2, X3 и X3R. X3R теперь превосходит установку T4. ^[10]

Это ударная труба свободного поршня, расположенная в Калифорнийском технологическом институте , США. Это самая большая ударная труба свободного поршня в мире при университете. Это импульсная установка, способная достигать очень высоких энтальпий застоя (25 МДж/кг) и давлений (40 МПа). Время испытания составляет порядка 1 мс. В качестве движущего газа она использует гелий и аргон, а в качестве первичной диафрагмы — стальную пластину толщиной 0,25 дюйма. Испытательные газы включают воздух, азот, углекислый газ или их смеси. Поршень весом 120 кг может достигать максимальной скорости свыше 300 м/с. ^[11]