Explosive generator high speed of solid particles

Abstract

The article describes the space experiment to study the impact of particle fluxes to the spacecraft. A model of the explosive source streams of dust particles.

Full Text

Последние десятилетия характеризуются увеличением концентрации техногенных загрязнений околоземного космического пространства, которые негативно влияют на работоспособность элементов конструкций летательных аппаратов. С целью исследования влияния техногенных частиц на характеристики элементов конструкций космических аппаратов (КА) создаются различные типы ускорителей (электростатических, электромагнитных, взрывных и т. д.). Наиболее эффективным инструментарием таких исследований является использование метеорологических ракет с установлением на их головных частях научной аппаратуры регистрации потоков высокоскоростных твердых частиц, инициируемых ускорителем взрывного типа [1-4]. Схема такого эксперимента показана на рис. 1 и включает доставку взрывного генератора частиц и средств диагностики на заданную высоту, отделение и удаление генератора от диагностического отсека ракеты, срабатывание генератора, работу измерительных средств и аппаратуру передачи данных результатов измерений по телеметрическому каналу на Землю. Указанный метод воздействия потоков частиц на космический аппарат требует изучения характеристик взрывного генератора (распределение частиц в потоке по скоростям и размерам). Исследование характеристик таких генераторов в лабораторных условиях требует использования вакуумной камеры больших размеров специальной конструкции [1]. Из числа возможных способов генерации потоков мелкодисперсных частиц для ракетных экспериментов был выбран наиболее простой взрывной способ, который должен был обеспечивать потоки со скоростями 5-10 км/с, характерными для взаимодействия с КА [2]. Для имитации антропогенного загрязнения использован широко применяющийся дешевый порошок алюминия со средним размером частиц 5-10 мкм. Следует отметить, что алюминий, как и его соединения, в частности окислы, является одним из распространенных компонентов загрязнения околоземного пространства. Были разработаны два типа генераторов. В первом из них порошок замешивался в состав взрывчатого вещества. Скорость частиц, ускоряемых таким генератором, должна была составлять (по результатам лабораторных исследований) в среднем 3-5 км/с. Во втором типе генератора для повышения скорости до  км/с использовался принцип метания частиц, при котором упаковка частиц накладывалась на заряд чистого ВВ. Рассмотрим модель взрывного источника потоков пылевых частиц. Не претендуя на строгую постановку, решим задачу ускорения пылевой частицы в процессе расширения образующегося при взрыве газа. Пусть в момент времени имеется сферически симметричный газовый сгусток с плотностью радиуса граница которого движется со скоростью Для простоты расчетов профиль плотности по сгустку берем постоянным; профиль скорости по сгустку - линейным. Плотность газа падает по кубическому закону . В момент частица находится на границе сгустка и имеет начальную радиальную скорость Сила давления газа направлена по радиусу, так что частица ускоряется в строго радиальном направлении. Пылевая частица считается сферической. В соответствии с принятой моделью уравнение Ньютона запишется в виде , (1) где t - текущее время; r - координата частицы; - масса частицы; - радиус частицы. Начальные условия для уравнения (1) таковы: при Введем переменные: где - начальный радиус газового облака ВВ. Тогда уравнение (1) можно записать в виде , где . Начальные условия: Если учесть, что - плотность частицы), то . Делая замену получим уравнение (2) с начальными условиями . Обозначим Тогда уравнение (2) преобразуется к уравнению Бернулли относительно переменных U и . Начальные данные: делая замену получаем линейное уравнение 1-го порядка: (3) с начальными данными , . Как известно, решение уравнения (3) имеет вид , где . Таким образом, ; . Так как то ; . Так как , то . (4) Обозначим тогда (4) можно представить в виде . (5) Используя таблицы интегралов, получим: Таким образом, закон движения частицы имеет вид Скорость частицы определиться из (5): При асимптотическое значение скорости пылевой частицы будет равно (6) Преобразуем выражение (6): (7) При (масса пылинки параметры Вычисляя предел в (7), получим При (масса пылинки Таким образом, чем меньше масса, тем больше скорость частицы. Если в стадии инерционного разлета газо­образных продуктов взрывчатого вещества принять  м,   то для пылинки радиуса  м, плотности   параметр Тогда и скорость Для частицы  м =   мкм скорость Таким образом, в рамках данной модели ускорения пылевых частиц с использованием ВВ скорость пылинки слабо зависит от ее массы. В этом случае следует ожидать компактные потоки пылевых частиц с высокой плотностью потока. Однако скорость частиц сильно зависит от начальных условий при так как в общем случае в процессе образования взрывного облака частицы могут оказаться в любой точке расширяющегося газового облака. В таблице даны значения скоростей в зависимости от радиуса частицы при различных значениях величин а и с. На рис. 2 и рис. 3 показаны соответственно расчетное и экспериментальное распределение потока частиц по скоростям. Эксперименты выполнены с помощью ракет, по схеме, показанной на рис. 1, а экспериментальные данные о характеристиках потока частиц получены с помощью разработанного нами многопараметрического прибора АПЧ-1 (рис. 4). Из рис. 2 и 3 видно, что теоретическое и экспериментальное распределения на качественном уровне совпадают. Аппаратура АПЧ-1 состояла из люминесцентного, ионизационного и фотоэлектрического датчиков и блока обработки информации [3; 4]. На рис. 5 и 6 соответственно приведены экспериментальные данные гистограмм с фотоэлектронного умножителя люминесцентного датчика и с ионизационного датчика. Из рисунков видно, какой процент частиц соответствует диапазону скоростей. Потоки частиц получались с помощью специального разработанных генераторов взрывного типа [1], и создаваемые ими частицы воздействовали на элементы конструкций космических аппаратов, установленные на головной части ракеты [3]. Датчики позволяют измерить потоки частиц 10  Быстродействие аппаратуры обработки информации обеспечивает работу датчиков в счетном режиме. В реальном масштабе времени отложены частоты появления сигнальных импульсов. В соответствии с временной диаграммой прибор включался через 2,5 мс после светового сигнала, возникающего при подрыве заряда ВВ. Полученная плотность потока частиц соответствует максимальной частоте импульсов 1000  для люминесцентного датчика и 10000  для ионизационного датчика. Такой разброс результатов объясняется более высокой чувствительностью ионизационного датчика по сравнению с люминесцентным. Наиболее вероятная скорость в исследуемом потоке лежит в интервале от 2,5 до 4 км/с, что соответствует ожидаемым скоростям при моделировании потоков с помощью ВВ. Плотность потока частиц, соответствующая максимальной частоте импульсов, не превышает   для люминесцентного датчика и   для ионизационного датчика. Такой разброс результатов по двум датчикам, возможно, объясняется тем, что чувствительность ионизационного датчика на порядок превышает чувствительность люминесцентного, потому что площадь чувствительной поверхности ионизационного датчика в 10 раз меньше площади люминесцентного. Так как скорость пылевых частиц слабо зависит от массы, а импульс с люминесцентного датчика пропорционален кинетической энергии налетающей частицы, то, по-видимому, большая часть мелких пылевых частиц не регистрировалась люминесцентным датчиком. Таким образом, в качестве правдоподобной величины можно принять величину максимальной плотности потока порядка   Результаты проведенных исследований с помощью ракет показали, что к настоящему времени информация о взаимодействии потоков высокоскоростных пылевых частиц с веществом малочисленна. Большое количество работ посвящено взаимодействию одиночных частиц с веществом. Физические процессы одиночных час­тиц и потоков не всегда эквивалентны. В данной работе рассмотрен вопрос формулирования основных характеристик потока пылевых час­тиц и выведен критерий для величины плотности потоков, при которой неэквивалентность физических процессов носит не только интег­ральный, но и дифференциальный характер. Для моделирования таких потоков необходимо использование специальных средств. Наиболее эффективным устройством для создания таких потоков пылевых частиц является электромагнитный ускоритель для разгона контейнеров с пылевыми частицами. Проведенный натурный эксперимент с использованием источников пылевых потоков взрывного типа показал, что разработанный прибор АПЧ-1 позволяет регистрировать потоки частиц в диапазоне   и  км/с. Проведенный эксперимент также показал, что плотность потока в максимуме распределения составила   а скорость  км/с. Разработанная модель источника потоков пылевых частиц взрывного типа, а также информация, полученная с прибора АПЧ-1, позволят решить задачу перехода от характеристик потока к основным характеристикам источника. Спроектированный прибор АПЧ-1 с совместным использованием различных эффектов дает возможность определить не только характеристики потоков, но и параметры одиночных частиц (массу, скорость) как в натурных, так и лабораторных условиях. Выбор и совмещение методов измерения характеристик потоков пылевых частиц являются результатом исследования известных перспективных методов измерения.