Различные механизмы разрушения тел в гиперзвуковом потоке, выявленные с помощью оптической и рентгенографической регистрации
С.И. Герасимов1,2,4, В.И. Ерофеев3, В.А. Кикеев4, А.П. Фомкин2
1 Саровский физико-технический институт НИЯУ МИФИ, 607186, Саров, Россия
2 Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, 607190, Саров, Россия
3 Институт проблем машиностроения, Нижний Новгород, Россия
4 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева, 603950, Россия
E-mail: s.i.gerasimov@mail.ru, erf04@sinn.ru, vkikeev@mail.ru, fomkin@mail.ru
Содержание
3. Результаты оптической и рентгенографической регистрации
Аннотация
Движение тел в воздухе атмосферного давления с гиперзвуковыми скоростями сопровождается их интенсивным нагревом и может приводить к аэротермомеханическому разрушению. Унос материала меняет обводы движущегося тела и приводит к изменению его аэродинамических характеристик. Поскольку в эксперименте предельно высокие скорости достижимы при использовании легкогазовых баллистических установок при ограничении массы метаемого тела, изучению, как правило, подвергаются различные материалы эталонной формы. Использование оптических и рентгенографических средств регистрации быстропротекающих процессов позволяет визуализировать происходящие процессы и выявить разницу в характере разрушения тел из разных материалов.
Ключевые слова: гиперзвуковое обтекание, рентгенографическая регистрация, оптическая регистрация, аэротермомеханический унос, аэробаллистический эксперимент.
1. Введение
Исследования процесса аэротермомеханического уноса и торможения могут представлять интерес как для исследования разрушения корпуса космического аппарата при спуске в атмосфере Земли, так и для анализа опасности падающих на поверхность Земли фрагментов метеоритов. Указанные исследования экспериментально могут быть проведены на аэробаллистических установках.
2. Постановка задачи
Основными объектами испытаний в постановочных опытах в аэробаллистическом тире [1] являлись шары, изготовленные из:
- сплава ВНЖ-90, диаметром 10,4 мм и массой 10 г,
- стали ШХ15, диаметром 13,5 мм, массой 10 г.
Сплав ВНЖ-90 является композитным материалом (вольфрам-90%, никель-7%, железо-3%). В отличие от стали его структура неоднородна, т.к. получают его методами порошковой металлургии спеканием компонент при определенных условиях. Основой являются зерна вольфрама размером 70...200 мкм (90% по массе), скрепленные пленкой расплава железо-никель.
Испытания проводились путем отстрела метаемого объекта в
свободный полет с начальной скоростью 3,77 
6,34 км/с из легкогазовой установки. В
процессе полета под действием аэродинамического теплового потока
(конвективного излучения) происходит интенсивный нагрев лобовой поверхности
объектов. Ее температура достигает температуры разрушения материала, и
начинается его унос, обуславливающий изменение массы и обводов. По мере
торможения тепловые потоки снижаются, унос прекращается, и в дальнейшем обводы
объектов уже не меняются, а температура поверхности падает. Отмеченные
обстоятельства являются характерными для всех проведенных экспериментов.
3. Результаты оптической и рентгенографической регистрации
На рис.1 представлены результаты регистрации аэрофотокамерой (АФА) с открытым затвором полета шарика из ВНЖ-90 на участке, где происходит унос. Характерным является наличие плотного трека светящегося шарика в ореоле расходящихся треков светящихся частиц значительно меньших размеров.
Рис.1 Регистрация камерой АФА полета шарика из ВНЖ-90 на участке траектории, где происходил унос (Х=66м (от среза ствола), V≈4 км/с)
Представленные на рис.2 рентгеновские снимки различных стадий полета шарика из ВНЖ-90 позволяют предложить качественную картину процессов, в том числе, и регистрируемых фотокамерами АФА.
Рис. 2 Рентгеновские снимки шарика из сплава ВНЖ в различных стадиях полета. (а-Х=14м, V = 4,9 км/с; б - X =26м, V = 4,6 км/с, в - X = 43м, V =4,1км/с, г - X = 156м, V=1,5км/c)
В процессе уноса на рентгеновских снимках в зоне лобовой поверхности шарика вверх по потоку регистрируется затемненная область с размытой границей. Судя по характеру границы, эта область является двухфазной и распространяется вниз по потоку до окрестности точки начала резкого расширения потока (рис.2а-в). Наличие указанной области обусловлено особенностями процесса аэротермомеханического уноса ВНЖ и аэробаллистическими условиями полета. Сплав ВНЖ является композитным материалом и его компоненты имеют отличающиеся теплофизические свойства, в частности, температуру плавления. В этой связи, по мере разогрева лобовой части шарика первой достигается температура плавления связующего звена железо-никель, которая примерно в 2 раза ниже температуры плавления основы - зерен вольфрама. В результате плавления связки зерна вольфрама или их отдельные ассоциации теряют механическую связь между собой и начинают автономное движение в ударном слое. Судя по рентгеновским снимкам, торможение шарика оказывается более интенсивным, и поэтому в относительном движении зерна вольфрама продвигаются вверх по потоку относительно твердой поверхности шарика.
Численные расчеты обтекания шарика с обводами, принятыми на основе рентгеновских снимков, потоком невязкого равновесно-диссоциирующего воздуха показали, что внешняя граница затемненной зоны на рентгеновских снимках в полюсной части практически примыкает к головной ударной волне, т.е. зерна вольфрама в этой зоне занимают практически весь объем ударного слоя.
Начав автономное движение в ударном слое совместно с газовой фазой, омывающей твердую поверхность, они приобретают составляющую скорости, нормальную к направлению полета. В этой связи, их траектории отклоняются от траектории шарика и формируют ореол треков, регистрируемых фотокамерами. Снимки, выполненные в этих условиях электронно-оптическими фотокамерами в проходящем свете, свидетельствуют, что зерна вольфрама практически равномерно распределены в зоне, охватываемой головной ударной волной вниз по потоку (рис. 3).
Рис. 3 Регистрация полета шарика из сплава ВНЖ-90 двумя камерами с электронно-оптическим затвором на участке траектории, где происходит унос (X ≈ 14 ÷20 м, V ≈ 4км/с)
Отсутствие значимого влияния частиц вольфрама на газодинамическую картину обтекания подтверждаются и данными рис.4.
Рис. 4 Регистрация полета аэродинамически устойчивого тела с наконечником из сплава ВНЖ камерой СБФ (X ≈30м, V ≈3,5 км/с )
Здесь представлены результаты эксперимента, где объектом испытаний служило аэродинамически устойчивое тело, наконечник которого был выполнен из сплава ВНЖ, а остальная часть корпуса из высокопрочной стали (общая длина тела составляла L = 46,3 мм, наконечник затуплен по сфере радиуса R = 1,5 мм, диаметр миделя тела Ø =16 мм). Снимок выполнен синхробаллистическим фотоаппаратом (СБФ) и позволяет видеть как прямое изображение в отраженном свете так и теневое изображение, построенное на экране. В числе особенностей этого снимка можно отметить наличие треков, практически нормальных к направлению полета. Все они сосредоточены на участке изображения светящегося объекта, примыкающем к боковой поверхности тела.
Анализируя природу этих треков необходимо отметить, что при съемке СБФ перемещение фотопленки синхронизировано с перемещением тела в направлении полета, что и подтверждается фиксированием его тени практически без линейных искажений. Самосветящиеся объекты, скорость или направление движения которых отличается от скорости или направления полета тела, на снимке будут формировать трек. Этим объясняется зарегистрированный на рассматриваемом снимке световой шлейф за телом. Он сформирован частицами вольфрама, возникшими в процессе аэротермомеханического разрушения наконечника и интенсивно тормозящимися в свободном полете.
Эти же частицы, ускоряясь относительно тела, взаимодействуют с поверхностью его стального корпуса. В результате этого взаимодействия появляются новые частицы, формирующие поперечные треки. Вероятнее всего, это стальные частицы, а не отразившиеся от поверхности вольфрамовые. Основанием для такого предположения служит относительно небольшая длина этих треков и наличие у них четкой границы, соответствующей моменту окончания существования частицы как твердого материального объекта, способного формировать головную ударную волну и соответствующие световые эффекты. Такая частица может быть только стальной, поскольку вольфрамовые, судя по длине и характеру их треков (см. рис.1,4), сохраняются в течение всего времени наблюдаемых процессов.
Характер процессов, наблюдаемых при полете стального шарика, существенно отличается от рассмотренных выше. Прежде всего, следует отметить, что трек, регистрируемый фотокамерами АФА (рис. 5), имеет четкие границы и не содержит дополнительных треков каких-либо сопутствующих фрагментов.
Рис. 5 Регистрация полета стального шарика камерой АФА на участке траектории, где происходил унос (X = 30м, V = 3,4 км/с)
Другим важным обстоятельством является пульсирующий характер трека. Периодически происходит увеличение его поперечных размеров (яркости свечения, вспышки). Частота следования участков трека увеличенных размеров и их протяженность непостоянна. Этот процесс характерен только для той части траектории, где происходит унос с поверхности стального шарика. При этом следует отметить, что на снимках с ракурсами, отличающимися на 90°, один и тот же участок трека фиксируется различным (рис.6).
Рис. 6 Регистрация полета стального шарика на участке траектории, где происходил унос, двумя камерами АФА с ракурсами, отличающимися на 90°
На одном из них имеется участок с изменяющейся шириной трека, на другом она постоянна. Отмеченные обстоятельства позволяют сформировать качественную схему процессов, реализующихся при полете стального шарика.
Сталь, в отличие от сплава ВНЖ, является гомогенным материалом, и по достижении соответствующей температуры (≈ 1540 °С) начинает плавиться. С момента прогрева лобовой поверхности до температуры плавления начинается течение жидкой пленки расплава. При продвижении от полюсного участка лобовой поверхности вниз по потоку происходит снижение уровня тепловых нагрузок и, соответственно, остывание пленки. Поэтому возрастает вязкость расплава, скорость течения пленки падает, происходит формирование наплыва. Накапливающийся расплав периодически срывается с поверхности шара.
В результате срыва капель и их возможного последующего дробления могут интенсифицироваться процессы окисления (горения), что может быть причиной наблюдаемого периодического увеличения ширины (или яркости свечения) трека. Однако это явление может быть обусловлено и соответствующим периодическим увеличением габаритов шарика из-за формирования наплывов.
Следует отметить, что периодическое формирование наплывов и срыв капель должны происходить, по-видимому, в различных меридиональных плоскостях, о чем свидетельствует различный характер одних и тех же участков трека, снятого при различных ракурсах. Это же обстоятельство в объяснении увеличения ширины трека позволяет отдать предпочтение предположению о влиянии увеличения габаритов шарика из-за наплыва расплава. Если бы причиной было горение капель расплава, сорвавшихся с поверхности шара, то характер оптических эффектов, сопровождающих это явление (увеличение ширины трека), скорее всего не зависел бы от ракурса наблюдения.
Существование наплывов расплава подтверждается рентгеновским снимком шарика на конечном участке траектории, когда унос прекратился (рис. 7,а). Достаточно четко просматривается, что радиус поперечного сечения в окрестности плоскости сопряжения обгоревшей лобовой части и сферической кормовой, сохранившей неизменными обводы, больше радиуса исходного шарика.
В качестве еще одного важного обстоятельства следует отметить, что на рентгеновских снимках в стадии уноса стального шарика в его лобовой зоне не наблюдается затемнений, аналогичных затемнениям на снимках шарика из сплава ВНЖ. Это обстоятельство можно рассматривать как подтверждение того, что унос происходит за счет плавления стали.
а) б)
Х=156м, V=1,4км/c Х=26 м, V=4,4 км/с
Рис. 7 Рентгеновские снимки стального шарика и кубика из ВНЖ в полете
В числе результатов опытов отметим, что оба шарика, стальной и из сплава ВНЖ, в конечной стадии полета, когда унос прекратился, имеют подобные обводы (рис. 2, 7), характерные для типичной "метеоритной" формы.
Интересно отметить, что шарики и кубики, не имеющие преимущественной аэродинамической ориентации, в полете оказываются статически устойчивыми и сохраняют ориентацию с момента начала уноса (рис. 2, 7).
Заключение
Из представленных результатов постановочных экспериментов по исследованию аэротермомеханических процессов, сопутствующих движению тел с гиперзвуковыми скоростями в плотных слоях атмосферы, следует, что в условиях аэробаллистического эксперимента наблюдаются эффекты, схожие с наблюдаемыми при полете болидов.
Используемые методы научной визуализации показали различные механизмы аэротермомеханического уноса для объектов, изготовленных из разных материалов. Данная информация может служить для разработки соответствующих теоретических моделей уноса и тестирования численных методик.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект №14-19-01637.
Литература
1. С.И. Герасимов Ю.И. Файков С.А. Холин. Кумулятивные источники света. Саров, 2011, 326с.
Various mechanisms of aerothermomechanical destruction of objects in hypersonic flow recorded with optical and X-ray techniques
S.I. Gerasimov1,2,4, V.I. Erofeev3, V.A. Kikeev4, A.P. Fomkin2
1 Sarov Physics and Technical Institute of National Research Nuclear University «MEPHI», Russia
2 Russian Federal Nuclear Center - The All-Russian Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Russia
3 Institute of Problems of Mechanical Engineering RAS, N.Novgorod, Russia
4 Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, N.Novgorod, Russia
E-mail: s.i.gerasimov@mail.ru, erf04@sinn.ru, vkikeev@mail.ru, fomkin@mail.ru
Abstract
The movement of bodies in atmosphere with hypersonic velocities is followed by their intensive heating that could effect their aerothermomechanical destruction. The material entraining effects the shape of the moving body and changes its aerodynamic characteristics. As extremely high velocities could be only realized experimentally with the light gas ballistic guns at restricted mass of the body under investigation, as a rule, the materials of etalon shape are studied. The use of optical and X-ray recording apparatus is allowed one to visualize the corresponding processes and discover the difference in character of destruction for bodies with different compositions.
Key words: hypersonic flow, X-ray recording, optical recording, aerothermomechanical entraining, aeroballistic experiment.
References
1. S.I. Gerasimov, Yu.I. Faykov, S.A. Kholin. Cumulative light sources. Sarov, 2011, P.326.