Статья опубликована в рамках: XXXIX Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Россия, г. Новосибирск, 22 октября 2014 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Аэрокосмическая техника и технологии
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
- Условия публикаций
- Все статьи конференции
дипломов
Статья опубликована в рамках:
Выходные данные сборника:
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 2К 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 2K 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 2K.
Keywords : laser rocket engine; thrust; conical nozzle; full factorial experiment type 2K.
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:
|
(1) |
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
номер опыта |
фактор x1, мм |
фактор x2, градусы |
тяга экспериментального образца, мН |
σ, среднеквадратическое отклонение |
доверительный интервал, мН (при 90 % вероятности) |
1 |
3 (-1) |
0 (-1) |
2,24 |
0,234 |
0,479 |
2 |
9 (+1) |
0 (-1) |
2,45 |
0,212 |
0,433 |
3 |
3 (-1) |
12 (+1) |
1,93 |
0,256 |
0,523 |
4 |
9 (+1) |
32,5 (+1) |
3,83 |
0,244 |
0,499 |
Используя данные таблицы 1 находим по следующие коэффициенты [3]:
,
,
,
;
Тогда уравнение (1) будет иметь следующий вид:
|
(2) |
Оценим ошибку воспроизводимости опыта по критерию Кохрена. Для нашего случая критерий Кохрена G=0,152. Ближайшее меньшее табличное значение GТ=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
коэффициент регрессии |
t -критерий Стьюдента |
Табличное значение |
Значимость |
b0 |
12,324 |
1,98 |
значим |
b1 |
2,481 |
1,98 |
значим |
b2 |
1,260 |
1,98 |
условно значим |
b12 |
1,99 |
1,98 |
значим |
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.
дипломов
Оставить комментарий