ВЛИЯНИЕ  УГЛА  РАСКРЫТИЯ  КОНИЧЕСКОГО  СОПЛА  И  ЕГО  РАЗМЕРА  НА  ТЯГУ  ЛАЗЕРНОГО  РАКЕТНОГО  ДВИГАТЕЛЯ

Сочнев  Александр  Владимирович

аспирант  кафедры  реактивные  двигатели  и  энергетические  установки  Казанского  национального  исследовательского  технического  университета,  ассистент  кафедры  технологического  оборудования  медицинской  и  легкой  промышленности  Казанского  национального  исследовательского  технологического  университета,  РФ,  г.  Казань

E-mail: 

THE  INFLUENCE  OF  THE  OPENING  ANGLE  OF  THE  CONICAL  NOZZLE  AND  SIZE  FOR  THRUST  LASER  ROCKET  ENGINE

Sochnev  Aleksandr

Postgraduate  department  of  jet  engines  and  power  plants  of  Kazan  National  Research  Technical  University,  assistant  of  the  department  of  technological  equipment  medical  and  light  industry  Kazan  National  Research  Technological  University,  Russia,  Kazan

АННОТАЦИЯ

В  данной  работе  представлены  результаты  полного  факторного  эксперимент  типа  2^К  по  измерению  тяги  конического  сопла  импульсного  лазерного  ракетного  двигателя.  Изучалось  одновременное  влияние  угла  раскрытия  конического  сопла  и  его  размера  на  тягу  в  атмосфере.  Показано  преимущественное  влияние  угла  раскрытия  конического  сопла.

ABSTRACT

This  paper  presents  the  results  of  the  full  factorial  experiment  type  2^K  to  measure  the  thrust  of  conical  nozzle  pulsed  laser  rocket  engine.  We  investigated  the  simultaneous  influence  of  the  opening  angle  of  the  conical  nozzle  and  size  for  thrust  in  the  atmosphere.  Significant  effect  the  opening  angle  of  the  conical  nozzle.

Ключевые   слова:  лазерный  ракетный  двигатель;  тяга;  коническое  сопло;  полный  факторный  эксперимент  типа  2^K.

Keywords :  laser  rocket  engine;  thrust;  conical  nozzle;  full  factorial  experiment  type  2^K.

Введение

Для  реализации  лазерной  реактивной  тяги  очень  важно  получить  максимум  тяги  с  каждого  джоуля  лазерной  энергии.  Делоне  Н.Б.  (младший)  показал,  что  у  металлов  и  диэлектриков  есть  оптимальная  интенсивность  лазерного  излучения,  в  зависимости  от  их  теплофизических  свойств,  и  отклонение  от  нее  приводит  к  увеличению  затрачиваемой  энергии  на  каждую  единицу  испаренного  вещества  [2].  Ученые  из  Японии  получали  тягу  при  помощи  лазерной  абляции  фторопластовых  порошков  [6].  Их  экспериментальные  данные  согласуются  с  зависимостью  Н.Б.  Делоне.  В  статье  Бункина  Ф.В.,  Прохорова  А.М.  оценен  максимальный  удельный  импульс  лазерного  ракетного  двигателя  с  испарительным  механизмом  тяги  [1].  Он  равен  порядка  6000  м/с.  Удельный  импульс  лазерного  ракетного  двигателя  (ЛРД)  на  оптическом  разряде  может  значительно  превысить  10—15  тыс.  м/с,  причём  с  увеличением  энергии  в  импульсе  эффективность  энерговклада  в  оптический  разряд  только  растет,  достигая  75  %  при  энергии  в  импульсе  50  Дж  и  длительности  импульса  10^-6  с.  При  непрерывной  работе  ЛРД  возникают  сложности  с  непрерывном,  устойчивым  «горением»  плазмы  в  камере  [1].  Поэтому  организовать  рабочий  процесс  в  импульсном  ЛРД  проще.  В  данной  работе  исследуются  влияние  геометрического  размера  сопла  импульсного  лазерного  ракетного  двигателя  на  величину  тяги.

Экспериментальная  часть

На  рис.  1  показа  схема  экспериментальной  установки.  Исследовательский  стенд  работает  следующим  образом,  лазерный  луч  фокусируется  в  линзе  5,  попадает  в  основание  исследуемой  модели  сопла  экспериментального  образца.  Оптический  пробой  нагревает  воздух,  который  расширяясь,  создает  тягу.  Для  увеличения  чувствительности  электрического  динамометра  экспериментальный  образец  соединен  с  тензодатчиком  1  через  рычаг  3,  который  вращается  на  оси  2  через  подшипник.  Плечи  рычага  соотносятся  как  1:5.  Сигнал  тензодатчика  обрабатывается  АЦП  4  и  выводится  на  компьютер.  Нас  рис.  2  представлена  схема  экспериментального  образца,  который  состоит  из  корпуса  камеры  3,  внутри  которой  находятся  сменные  сопла.  Линза  1  выставляется  так,  чтобы  лазерный  луч  2  фокусировался  и  образовывал  оптический  разряд  в  2..3  мм  от  стенки.  Производился  замер  постоянной  тяги  при  частоте  работы  лазера  20  Гц,  энергии  в  одном  импульсе  0,35  Дж,  продолжительность  импульса  10  нс.

Для  полного  факторного  эксперимента  данного  типа  общее  число  испытаний  по  двум  факторам  составит:  .

Рисунок  1.  Общий  вид  исследовательского  стенда:1  —  тензодатчик,  2  —  ось  вращения,  3  —  рычаг,  4  —  аналого-цифровой  преобразователь,  5  —  держатель  фокусирующей  линзы,  6  —  экспериментальная  модель

Рисунок  2.  Схема  экспериментального  образца:  1  —  линза,  2  —  лазерный  луч,  3  —  корпус  камеры,  4  —  стягивающие  болты,  5  —  сменные  модели  сопел,  6  —  оптический  разряд

Для  полного  факторного  эксперимента  с  учетом  эффекта  взаимодействия  модель  матрицы  будет  выглядеть  следующим  образом:

Фактор  x₁  —  диаметр  выходного  сечения  сопла,  фактор  x₂  —  угол  полураствора  сопла  (при  угол  полураствора  сопла  0º  имеем  цилиндр).  Было  произведено  30  замеров.  Полученные  экспериментальные  данные  представлены  в  табл.1

Таблица  1. 

Экспериментальные  данные

Используя  данные  таблицы  1  находим  по  следующие  коэффициенты  [3]:

,  ,  ,  ;

Тогда  уравнение  (1)  будет  иметь  следующий  вид:

Оценим  ошибку  воспроизводимости  опыта  по  критерию  Кохрена.  Для  нашего  случая  критерий  Кохрена  G=0,152.  Ближайшее  меньшее  табличное  значение  G_Т=0,2  [4,  с.  99],  следовательно,  дисперсии  однородны  и  воспроизводимы.  Принимается  нулевая  гипотеза  о  незначимости  полученных  коэффициентов  и  отсутствии  влияния  соответствующих  им  базисных  функций  на  функцию  отклика.  Проверка  гипотезы  осуществляется  с  использованием  t-критерия  Стьюдента.  Результаты  проверки  сведены  в  табл.  2.

Таблица  2. 

Проверка  значимости  коэффициентов  регрессии

Выводы

По  полученному  уравнению  (2),  в  пределах  экспериментальных  варьировании  факторов  (табл.  1),  можно  сделать  вывод  о  преимущественном  влиянии  угла  полураствора  сопла  на  величину  тяги  лазерного  ракетного  двигателя.  Линейной  математическая  модель  эксперимента  может  дать  значительные  отклонения  при  значениях  факторов,  выходящих  за  экспериментальную  область.  Поэтому  имеет  смысл  построения  более  сложной  модели  эксперимента  и  широкой  экспериментальной  областью.

Список  литературы:

1.Бункин  Ф.В.,  Прохоров  А.М.  Использование  лазерного  источника  энергии  для  создания  реактивной  тяги  //  Успехи  физическиx  наук  —  1976  —  Т.  119,  —  №  3.  —  С.  425—446.

2.Делоне  Н.Б.  Взаимодействие  лазерного  излучения  с  веществом:  курс  лекций:  учеб.  руководство.  М.:  Наука,  1989.  —  280  с.

3.Любченко  Е.А.,  Чуднова  О.А.  Планирование  и  организация  эксперимента:  учеб.  пособие.  Ч.  1.  Владивосток:  Изд-во  ТГЭУ,  2010.  —  156  с.

4.Радоуцкий  В.Ю.,  Шульженко  В.Н.,  Носатова  Е.А.  Основы  научных  исследований:  учеб.  пособие.  Белгород:  Изд-во  БГТУ,  2008.  —  133  с.

5.Саттаров  А.Г.  Лазерный  ракетный  двигатель  на  основе  непрерывного  оптического  разряда//  Известия  высших  учебных  заведений.  Авиационная  техника  —  2008,  —  №  2  —  С.  46—49.

6.Sasoh  A.,  Ogita  N.,  Sinkob  J.E.  Usage  of  polyacetal  powders  as  laser  ablation  propulsion  propellants  //  beamed  energy  propulsion:  proc.  of  the  6'^h  international  symposium  edited  by  C.  Phipps,  K.  Komurasaki,  J.Sinko.  Scottsdale,  Arizona,  2009  —  P.  163—167.