Способ создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы и устройство для его осуществления

 

1. Способ создания ис усствен .н.ых облаков в верхних слоях атмосферы путем нагревания жидоого реагента и выброса его с борта летательного аппарата в окружающую среду, отличающийся тем, 44Of с целью повышения эффективноЬти путем обеспечения стопроцентного использования реагента в реакции с окружающе ) средой в зоне его выброса, жидкий реагент нагревают в ЗсМкНутоМ объеме до температуру кипейия, затем его в течение 1,5-200. с переводят в насыщенный пар и выбрасывают в исследуемый слой атмосферы реагент (О в парообразном состоянии с давлением , изменяющимся по заданному закоУда ND

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУВЛИН (19) (И) 3(S9 G И 1 08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО делАм изОБРетений и ОтнРытий с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, 3,,",. ;,,",."; „;.:, ! К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СПОСОБ СОЗДАНИЯ- ИСКУССТВЕННЫХ ОБЛАКОВ.В ВЕРХНИХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ

: И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы путем нагревания жидкого реагента и выброса его с борта летательного аппарата в окружающую среду, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспечения стопроцентного использования реагента в реакции с окру" жающей средой в зоне его выброса, жидкий реагент нагревают в замкнутой объеме до температуры кипейия, затем его в течение 1,5-200. с переводят в насыщенный пар и выбрасывают в е исследуемый слой атмосферы реагеит в парообразнбм состоянии с давлением, изменяющимся по заданному закоИС: (21) 3412304/18-10 (22) 05.12.81 (46) 23.03.83 ° Бюл. 9 11 (72) В.И. Игнатенко, A.С. Мусеев, А.Б. Степанов и A.A Шидловский (71) Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения Госкомгидромета СССР (53) 551.509.6(088.8) . (56) 1. Степанов A.Â. и Трофимов Л.E

Особенности разработки контейнеров с жидкими реагентами для создания искусственных светящихся облаков в верхней атмосфере. Труды ИЭМ, вып. 5(2) N., Гидрометеоиздат, 1976, c. 146.

2. Патент США Р 3998359, кл,. 222-.3, 21.12.76 (прототип).

1007062 где Ч,„, р(у) У и У2

1 2

2. Устройство для создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы, содержащее герметичную емкость для .Реагента с,выпускными механизмами, пиротехнический заряд и воспламенитель, о т л и ч а ющ е е с, я тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспечения стопроцентного использования реа гента в реакции с окружающей средой в зоне его выброса, оно снабжено расположенной внутри герметичной емкости с реагентом вдоль.ее обра- . зующей герметичной емкостью для пиротехнического заряда с ребристой внешней поверхностью и с площадью поперечного сечения, изменяющейся по1 зависимости

Изобретение относится к измеритель ной технике в метеорологии и может быть использовано:для получения искусственных образований,с борта летательного аппарата. 5

Известен способ создания искусственных облаков. в верхних слоях атмосферы, основанный на выбросе реагента в виде мелких капель в окружающую среду и устройство для его осуществления, содержащее корпус, разделенный поршнем на две полости, — для газа и для жидкого реагента, а также выпускные отверстия и заправочный штуцер (1)

Недостатком этого способа и устройства создания искусственных обла, ков в верхних слоях атмосферы с помощью реагентов является невысокая эффективность эксперимента нз-за исключения иэ процесса взаимодейст- 20 вия с окружающей средой. замерзшей части реагента.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ соз- 25 дания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы путем нагрева- ния жидкого реагента и выброса его. с борта летательного аппарата в окружающую .среду f2) .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для создания искусственных облаков в верхних слоях атмосФеРы, содержащее герметичную емкость для реагента с выпускными механизмами пиротехннческий заряд и воспламенитель (2) .

Недостатками известных способа и устройства являются невысокая эффективность воздействия реагента,на

Ч вЂ” вертикальная скорость полета устройства в атмосфере в моменты времени с„ и зависимость плотнос-. ти компонента атмосферы от высоты у, высота полета устройства в моменты времени с и ср диаметры сечений пиро технического заряда в моменты времени t, и с

2 компонент атмосферы, ввиду того, чтС реагент выбрасывается в атмосферу в виде капель, которые, несмотря.на предварительное нагревание реагента также замерзают из-за интенсивного испарения при.очень малых давлениях окружающей среды. При этом скорость испарения резко падает. За счет аэродинамического нагрева реагент в этом случае испарится полностью при входе замерзших капель в плотные слои атмосферы, т. е. не в заданном районе создания искусственного облака. Кроме того, в известном способе и устройстве отсутствует регулйровка расхода реагента, что сни-жает эффективность его применения. . Целью изобретения является повы шение эффективности путем обеспечения стопроцентного использования реагента в реакции с окружающей средой в зоне его выброса.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы путем нагревания жидкого реагента и выброса его с борта лета тельного аппарата в окружающую среду, жидкий реагент нагревают до температуры кипения, затем его в течение 1,5-200 с переводят в насыщенный пар .и выбрасывают в исследуемый слой атмосферы реагент в парообразном состоянии с давлением, изменяющимся по заданному закону.

Устройство для создания искусственных облаков в верхних слоях атмосферы, содержащее герметичную емкость для реагента с выпускными механизмами, пиротехнический заряд и воспла" менитель, снабжено расположенной внутри герметичной емкости с реагентом вдоль ее образующей герметичной

1007062 Q$ CP ЬT > + Я0 (2)

5 где C> — удельная теплоемкость реагента для Т Cl

C< = 203 кг .град

hT — разность между температурой кипения и начальной температурой реагента (для

Т1 C14 h T = 117,0 С);

m — масса реагента (m = 20 кг) :

5 Ь Я вЂ” теплота, необходимая на прогрев конструктивных элементов устройства, определимая для данной конструкции в -интервале 0,1-0,159, При использовании реагента массой ю = 20 кг Т1С14 с удельной теплоемеоотью Cp = 203 —, фе- и температурой кипения 1 = 137 употребляется количество тепловой энергии

5 .

Я= 203 ° 117" 20 + 48 = 523 кка4.

При этом массу m < пиротехнического заряда б, необходимую для нагревания выбранного реагента до. темпе- . ратуры кипения можно определить иэ соотношения

D2 Y (Зрю

2 и где Ч и Ъ „ — вертикальная скорость

У< полета устройства в атмосфере в моментывремени t < и t, 1 (у) — зависимость плотности компонента атмосферы от высоты у, у и у — высота полета устройства.а моменты времени и

D < и D< — диаметры сечений пиротехнического заряда в моменТы времени 1„и Ф .

Выброс реагента в виде пара с регулируемым расходом при создании искусственных светящихся облаков позволяет полностью использовать реа- 2 гент в химической реакции со средой, что приводит к повышению его эффек-, тивности и снижению материальных затрат.

На чертеже схематично изображено устройство, осевой разрез.

Устройство содержит герметичную емкость 1 для реагента 2; выпускной механизм 3 со срезной мембраной

4, герметичную емкость 5 для пиро- технического заряда б с ребрами 7 и воспламенитель 8.

В момент старта исследовательской ракеты, например МР-12, включают бортовые системы определения координат, временные устройства и системы электроавтоматики, управляющие .полетом ракеты по траектории. На заданной высоте начинают нагревание реагента в замкнутом объеме до температуры кипения, для чего дают коман-45 ду на срабатывание воспламенителя 8, от которого воспламеняется пиротехнический заряд б, генерирующий тепловую энергию, количество кото-рой определяется выражением 50 где С вЂ” .удельная теплотворная сцоТ собность пиротехнического заряда, m — секундный расход массы ни3 ротехнического заряда.

Реагент 2, расположенный в емкости 1 и изолированный от пиротехни ческого заряда б нагревают до темпе- 60 ратуры кипения за счет передачи генерируемой пиротехническим зарядом тепловой энергии к емкости 5 и ребрам 7; Необходимое количество тепловой эНергии для доведения реагента. 65 емкостью для пиротехнического заряда с ребристой внешней поверхностью и с

-площадью поперечного сечения, изменяющейся по зависимости

q4 Ст m 5) (1) до температуры кипения определяются из соотношения ю; — С q. (3)

=3 что составит 0.,654 кг, а форма его должна быть цилиндрической. При использовании двух пирозарядов для нагревания выбранного реагента до температуры кипения их,размеры составят — диаметр 102,0 мм, длина,-50 мм.

Далее жидкий реагент переводят в насыщенные пары. Так как реагент находится в замкнутом объеме, то температура его кипения по мере испарения увеличивается пропорционально увеличению давления паров. Поэтому для перевода реагента в насыщенные пары необходимо увеличение теплопередачи к реагенту 2, что достигается выполнением пиротехнического заряда в. виде усеченного конуса. Наиболее оптимальным для данной конструкции является увеличение диаметра заряда на 20% (соответствует увеличению температуры кипения). Исходя из этого размеры второй части:пиротехнических зарядов составят: диаметры оснований 102,0 мм и 122,4 мм, длина 50 мм.

В описываемом эксперименте при

Цостижении ракетой:NP-12 высоты 11 км давление паров реагента достигает заданного значения, йод его дейстаием.происходит ра3рыв мембраны 4у

После этого проводят выброс реагента в парообразном состоянии в

1007062 исследуемый слой с расходом (G) пропорциональным плотности атмосферы.

Весовое соотношение реагента и плотности компонента атмосферы в об щем виде можно определить по формуле 5

G Xp p(y), (4) где

15 (8) G=К. ° Vy

<) Р

Pdy (5) 30

rhe

g R

Z Л 33 y у

131 3"31 Щ

50 где D u D — диаметры сечений пяро1 технического заряда момента времени 23

Ч и Ч4,, — вертикальная скорость

У полета устройства в моменты времени измерение плотности

Иу1 =, (dJ 3 -3j"- компонента атмосферы от высоты полета в моменты временИ с1и t2 °

Подставляя в выражение (10) значения

Vy a Vy a p KeT MP«12, определенУ ные баллистическим расчетом траекР,Т (у) — зависимость плотности

1 компонента атмосферы от высоты полета ракеты у (для плотности воздуха на высотах)

11«ау<25 км, Р У . 6340 () 4 0 36 g - 31000

К вЂ” множитель, учитывающий отношение массового количества реагента к 20 плотности компонента атмосФеры (для TiC14

Кр = 0,82) °

Дифференцируя G no t получим выражение для расхода реагента пропорционального плотности компонента атмосферы,в виде ау где Чу д- — вертикальная скорость полета, - изменение плотности компонента атмосферы с высотой полета.

С другой стороны величину расхода реагента через выпускной механизм 3 можно определить по формуле

40 1 2 1 МФ1 Жу 2 ) ,г6 (26.1 г420-43 (R 1 площадь сечения выпускного механизма (fc = 1 см ), ускорение свободного падения. и универсальная газовая постоянная, отношение удельных теплоемкостей паров ракеты, давление и температура паров реагента в устройстве (Т Т 4,цд = 137 С < Т3 С14 ) .

Как видно из соотношения 4 величи,ну расхода реагента можно регулиро-. вать иэМенением площади сечения f с выпускного механизма 3 и изменением давления P ïàðoâ реагента.

В предлагаемой конструкции величину расхода реагента регулируют изменением давления P паров реагента.

Оптимальная величина давления, реализующая расход паров реагента, п опорционалъно плотности компонента 65 р атмосферы, определяется из зависимости:(5) и (6) по Формуле

Xi 4 V 1 6, (+ 32(",3

0 02 104 423 1,33 10

2 (ЭС-1) В, 31- 10- ( (7) 2433) 63400 6340 у .— 11000

0,44 — 63Д

При этом тепловой поток, реализуемый на расход паров реагента, определяется по зависимости где G> теплота испарения реагента (для TiC14 Си =47 "",г ). йэ выражений (1) и (8) определим массу сгорающего в единицу времени пиротехнического заряда 6 в виде

GCu йр Си

С. Р d у Ст

С другой стороны известно, что

r D% (10) где g, .U - -площадь пиротехнического заряда и скорость его горения (для состава

П43-03-01 3 = 2 —, г

U= 10 1 . D — диаметр сечения пироэаряда.

Теперь если взять два любых близких м63мента времени ty и t „ aoTop соответствуют значения высоты полета у, и у3 и зйачения тп „,m>>(D< и D>) и вычислить отношение в „и вg2 при помощи зависимости (10), то получим

Ф

1007062

0, Ъф = 1,,2 °

Составитель В. Агапова

Техред Т,фанта Корректор Е. Рошко

Редактор Г. Волкова

Заказ 2133/70 Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного-комитета СССР. по делам изобретений и открытий

113035, Москва, -35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 тории полета и значения4р/<3 в точках y) и у,соответствуюших моментом времени t < = 0 и t 2 = 2, получим отношейие диаметров третьей части пиро аряда

Выбором прОфиля пиротехнического- за« ряда 6 по последней зависимости реализуется оптимальная величина давления паров реагента(Т1С1») в устройстве, которая определяет расход реагента пропорционально плотности компонента атмосферы. Турбулентным и диффузионным распределением паров реагента в пространстве заканчивается процесс образования искусственного облака.

Использование изобретения при создании искусственных облаков в верхних слоях атмосферы позволяет увеличить эффективность эксперимента за счет увеличеиия объема облака с равномерной концентрацией реаген-та в заданной области пространства без увеличения количества реагента и уменьшения количества запускаемых летательных аппаратов.

КрОме того, использование изобретения позволит применять жидкие и твердые реагенты при создании искусственных облаков в атмосфере на любых высотах и увеличить скорость взаимодействия реагента с компонентами атмосферы и время существования искусственногО образования, что позволит увеличить точность измерений параметров атмосферы.