Plazma fáklya (asztronautika)
A plazmaégő az asztronautika egy teszt szánt eszközök előállítására gáz néhány ezer fok, és nagy nyomáson a vizsgálati használt anyagok hiperszonikus , különösen a légköri visszatérés .
Ez a fajta közeg is nevezik plazmasugárnak vagy angolul, arcjet vagy ív melegítő .
Történelem
Ezt a típusú közeget az 1950-es években hozta létre az amerikai légierő a ballisztikus visszatérő testeken használt anyagok tesztelésére. Híres példa erre a Légierő Repülési Dinamikai Laboratórium által épített, 10 MW-os REentry NoseTip (RENT), amelyet aztán az Arnold Mérnöki Fejlesztő Komplexumba helyeztek át, ahol az 1990-es évekig működött. Erőteljesebb eszközök, mint például a magas entalpia ív teszt (HEAT) H3) (70 MW ) 1995-ben. Ez a fajta új eszköz új technológiát igényel, az elektródák szegmentálásának technológiáját (lásd alább), amelyet a HEAT H1-n fejlesztettek ki .
Franciaországban ezt a típusú közeget 1979-ben az Aerospace ipar fejlesztette ki a JP200 (4 × 5 MW ) néven, amely négy párhuzamos generátor eredeti konfigurációja, amelyet korábban JP50 néven fejlesztettek ki .
Ezt követően erőteljesebb eszközök jelentek meg a civil szektor számára. Mi lehet idézni Interaction fűtés Facility (60 MW ) a NASA a Ames Research Center és Scirocco (70 MW ) meg az olasz Központ Aerospace Research (CIRA) eszköz által finanszírozott ESA és megbízást 2001-ben.
Generátor működése
- Huels típusú plazma fáklya. A mágneses tekercs az ívláb forgatására szolgál..
- Plazmafáklya szegmentált elektródákkal. Minden szegmensnek megvan a maga gázinjektora..
Egy ilyen generátor célja a hozzá társuló fúvókától függetlenül néhány ezer fokos és nagy nyomású gáz előállítása, amely egy szuperszonikus fúvókán való áthaladás után kivetül egy modellre vagy mintára. anyag.
A generátorban a kisülés által létrehozott közeg hideg plazma, amelyet a nehéz részecskéknél jóval magasabb elektronikus hőmérséklet jellemez : atomok, molekulák vagy ionok. Éppen ellenkezőleg, a teszthez használt sugárban arra törekszünk, hogy termodinamikai egyensúlyban közeget hozzunk létre , reprezentálva a repülés közben fellépő áramlást.
Az ív több tízezer voltos potenciálkülönbség és néhány ezer amper áramerősség mellett keletkezik. A hozam 50-90% a gázban, a p üzemi nyomástól függően, amely elérheti a száz bar körüli értéket. A h gáz entalpiája tíz MJ / kg és a gáz áramlási sebessége kg / s nagyságrendű. A felhasznált energia fennmaradó részét a fal fűtésére fordítják, amely több tíz MW / m 2 mennyiséget képes befogadni . Ez a szempont korlátozza a hatalom növekedését. Ezt a korlátozást egy empirikus törvény fejezi ki
Az állandó jellemző az alkalmazott technológiára.
Mivel a generátor áramlási sebessége alacsony, a nyomás (közvetlenül mérve) és az entalpia (energiamérleggel vagy aerodinamikai módszerrel mérve) tekinthető generáló értéknek a lefelé irányuló áramlás számára.
| Út | Operátor | Teljesítmény (MW) |
Enthalpia (MJ / kg) |
Nyomás (atm) |
Áramlás (kg / s) |
Mach fúvóka (k) | Φ kimenet (mm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BÉRLÉS | Eltávolítva a szolgáltatásból | 10. | 2.5 | 125 | 3 | 2 | 25 |
| H3 H3 | AEDC | 70 | 20 | 115 | 2-10 | 1,8-3,5 | 28-102 |
| Scirocco | CIRA | 70 | 25 | 16. | 0,1-3,5 | 12. | 900-1950 |
| IHF | NASA | 60 | 2-28 | 1–9 | 0,03-1,7 | 5,5-7,5 | 76,2-1041 |
Tesztelés
Bizonyos vizsgálatokat a szabadban végeznek olyan térrészben, amelyet a fúvókát elhagyó sugár relaxációja és a külső környezet nem zavarják. Alacsony statikus nyomáson végzett vizsgálatoknál szükség van egy kísérleti kamrára, amely egy elszívóval van felszerelve, és amelynek célja a nyomás fenntartása a vizsgálat során.
A tesztbeállítások különböző formákat ölthetnek. A legegyszerűbb a minta vagy a minta bemutatása a fúvóka kimeneténél, az úgynevezett „megállási pont” konfiguráció.
Alapvető szempontok azt mutatják, hogy a próbatest maximális mérete a teljesítmény négyzetgyökeként változik, ami fontos korlátozás.
DemonstrációLegyen W a teljesítmény, d a gázáram, h az entalpia és r a hatékonyság
Az izentropikus áramlásokra vonatkozó egyenletek lehetővé teszik a fúvókatorkon az áramlási sebesség értékelését
ahol ρ az sűrűség, a hangsebesség, az értékek az S terület nyakánál.
A gáz állapotegyenletének ismeretében így kifejezhetjük az entalpiát a termelő nyomás és az áramlási sebesség függvényében (a levegőre vonatkozó jelen példában)
az előző egyenletekből következtetünk
Ez az egyenlet azt mutatja
- az egyiket a kémcső Φ átmérőjében a fúvóka kimenete korlátozza (S ~ Φ 2 ): ha megduplázza a minta méretét adott teljesítményen, akkor az entalpia 10-szeresére csökken,
- Φ arányos a W 1/2 értékkel : a szükséges teljesítmény nagyon gyorsan növekszik a kívánt próbamérettel.
Általánosságban elmondható, hogy az ilyen típusú eszközök által generált áramlások nem teljesen homogének és idővel ingadoznak, ez annál is inkább igaz a nyomás növekedésével.
Hivatkozások
- (in) J. Muylaert W. Kordulla, D. Giordano, L. Marraffa, R. Schwane, Mr. Spel Walpot L. és H. Wong, " Űrjármű-jelenségek aerotermodinamikai elemzése " , ESA Bulletin , n o 105 ,2001( online olvasás )
- (hu) Advanced Hypersonic Test facilities , vol. 198, AIAA ,2002( ISBN 1-56347-541-3 , online olvasás )
- (in) Space Simulation , Vol. 336., Nemzeti Szabványügyi Iroda ,1970( online olvasás )
- (in) DD Horn, WE Bruce III, EJ és Felderman GR Beitel, " Arc Heater Manifold Assessment " , AEDC TR-95-28 jelentés ,1996( online olvasás )
- (in) WE Nicolet EC Shepard, KJ Clark, A. Balakrishnan, JP Kesselring, KE Suchsland és JJ Reese, " Analitical Studies and Design for a High-Pressure, High- Enthalpia Constricted Arc Feater " , AEDC technikai jelentés TR 75 47 ,1975( online olvasás )
- (en) N. Winovich, „ Az egyensúlyi szonikus áramlás módszeréről az elektromos íves légfűtő teljesítményének értékelésére ” , a NASA TN-D-2132 technikai jelentése ,1964
- (en) Duffa G. , Ablatív hővédő rendszerek modellezése , Reston, VA, AIAA Educational Series,2013, 431 p. ( ISBN 978-1-62410-171-7 )
Lásd is
Külső linkek
- en) " Plazma szélcsatorna-komplexum " , a CIRA-n