Средства диагностики обтекателей ракет из неметаллических материалов при стендовых тепловых испытаниях
Диагностика тепловых режимов ракетных обтекателей: методы, модели и эксперименты
В статье рассматриваются методы и средства диагностики тепловых режимов головных обтекателей ракет, изготовленных из неметаллических материалов, в частности, конструкционной керамики и ситаллов. Актуальность исследования обусловлена высокими эксплуатационными требованиями к этим конструкциям, включая повышенные тепловые и механические нагрузки, а также необходимостью точного измерения температуры и плотности тепловых потоков при наземных испытаниях.
Методы и средства измерения температуры и тепловых потоков
Авторы анализируют различные методы измерения температуры, выделяя термопары как наиболее распространенные контактные датчики. Подчеркивается их простота, надежность и доступность, но отмечается основной недостаток – методическая погрешность измерения температуры (МПИТ), возникающая из-за различия теплофизических свойств материалов датчика и образца, конвективного и лучистого теплообмена, а также внутреннего тепловыделения. Для бесконтактного измерения температуры рассматриваются пирометры и тепловизоры, но их применение ограничено сложностью установки и высокой стоимостью. Также обсуждаются датчики на облученных кристаллах и термокраски, но их применение ограничено сложностью расшифровки показаний и возможностью повреждения. Для измерения тепловых потоков рассматриваются тепловые датчики, в частности, термоэлектрические датчики различных типов (простейшие, типа Гордона, теплометрические, с чувствительным элементом в виде стержня). Описываются принципы их работы, преимущества и недостатки.
Расчетно-теоретические исследования и моделирование
Для прогнозирования температурного состояния и оценки МПИТ предлагается использовать модель нестационарной теплопроводности для плоской стенки, представляющей собой фрагмент оболочки обтекателя. Рассматриваются факторы, влияющие на пространственную неоднородность температурного поля в образце, и рекомендации по проведению тепловых испытаний. Приводятся результаты численного моделирования температурных полей в образцах из керамики и ситаллов при различных условиях теплового нагружения, включая влияние теплоизоляции и принудительного охлаждения. Показано, что применение теплоизоляции позволяет повысить однородность распределения температуры, а принудительное охлаждение тыльной поверхности обеспечивает большой перепад температуры по толщине образца.
Сопоставление и анализ экспериментальных данных
Для подтверждения достоверности результатов моделирования проводится сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Описывается экспериментальная установка УТРО-6, предназначенная для радиационного нагрева образцов. Представлены результаты экспериментальных исследований по определению МПИТ в образце из беспористой кварцевой керамики. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных о температуре в месте установки термопары свидетельствует об их удовлетворительном согласии, что подтверждает достоверность расчетно-теоретического метода для определения МПИТ.
- ВО - Магистратура
- 24.04.01: Ракетные комплексы и космонавтика
- ВО - Специалитет
- 24.05.01: Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
С.В. Резник, М.Ю. Русин, А.В. Шуляковский
Средства диагностики обтекателей ракет
из неметаллических материалов
при стендовых тепловых испытаниях
Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской
Федерации по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 24.05.01 «Проектирование,
производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» и направлению подготовки 24.04.01 «Ракетные комплексы
и космонавтика» (уровень магистратуры)
УДК 629.762.5
ББК 68.55
Р34
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/121/book1382.html
Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Ракетно-космические композитные конструкции»
Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.В. Родченко (МАИ);
д-р физ.-мат. наук, профессор Г.В. Кузнецов (ТПУ)
Резник, С. В.
Средства диагностики обтекателей ракет из неметаллических
материалов при стендовых тепловых испытаниях: учебное пособие / С. В. Резник, М. Ю. Русин, А. В. Шуляковский. — Москва :
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. — 37, [3] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-4312-3
Рассмотрены основные методы и средства тепловой диагностики при
стендовых испытаниях. Изложены особенности тепловых испытаний образцов материалов, даны рекомендации по их проведению. Приведены
примеры расчетно-теоретических исследований по определению температурного состояния и методической погрешности измерения температуры
для характерных условий испытаний образцов из конструкционной керамики и ситаллов. Дано описание экспериментального оборудования. Приведен пример экспериментальных исследований по определению плотности падающего теплового потока и температуры фронтальной поверхности
образца из конструкционной керамики, результаты эксперимента сопоставлены с расчетно-теоретическими результатами.
Для студентов, обучающихся по специальности 24.05.01 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов»
и направлению подготовки магистров 24.04.01 «Ракетные комплексы и космонавтика», изучающих дисциплины «Испытания композитных материалов
и конструкций», «Теплофизические процессы в композитных конструкциях»,
«Оптимизация композитных конструкций и технологий».
УДК 629.762.5
ББК 68.55
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016
Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-4312-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016
Р34
Предисловие Целью настоящего учебного пособия является ознакомление студентов с основными методами и средствами тепловой диагностики при испытаниях головных обтекателей ракет из неметаллических материалов и методами моделирования и анализа теплофизических процессов при проектировании таких конструкций ракетно-космической техники. Для понимания материала, изложенного в пособии, необходимы знания в области физики, математического анализа, термодинамики и теплопередачи, а также основ ракетно-космической техники и материаловедения. В первой главе рассмотрены методы и средства тепловой диагностики при стендовых испытаниях. Из всего многообразия средств тепловой диагностики выделены термопары, как наиболее распространенные контактные датчики для измерения нестационарных температур при испытаниях натурных головных обтекателей и образцов из конструкционной керамики и ситаллов. Отмечен основной недостаток термопар — зависимость методической погрешности измерения температуры (МПИТ) от большого числа факторов: различия свойств материала датчика и керамического материала; нестационарного конвективного и лучистого теплообмена датчика с окружающей средой; внутреннего тепловыделения в датчике под действием измерительного тока или внешних электромагнитных полей. Вторая глава посвящена особенностям тепловых испытаний образцов материалов и рекомендациям по их проведению. Для прогнозирования температурного состояния образцов и оценки МПИТ с помощью контактных датчиков чаще всего используют модель пластины с локальными включениями. Описана модель двумерной нестационарной теплопроводности для плоской стенки — фрагмента, условно выделенного из оболочки обтекателя. Представлены результаты расчетно-теоретических исследований по определению температурного состояния и МПИТ для характерных условий испытания образцов из конструкционной керамики и ситаллов, имеющих форму пластины. Отмечено, что результаты расчетов могут быть перенесены на натурные конструкции головных обтекателей ракет. В третьей главе дано описание экспериментального оборудования для тепловых испытаний образцов из конструкционной керамики и ситаллов. Представлены результаты анализа экспериментальных и расчетно-теоретических данных о температуре фронтальной поверхности образца из беспористой кварцевой керамики, полученных при определении МПИТ.
Введение В головных обтекателях высокоскоростных ракет широко применяются конструкционная керамика и ситаллы благодаря их высокой термической, химической стойкости, прочности и радиопрозрачности. В последние годы создаются новые конструкции головных обтекателей, ужесточаются эксплуатационные требования к ним (большая продолжительность работы, более высокие тепловые и механические нагрузки, большая частота смены нагрузок). При наземных испытаниях натурных головных обтекателей и образцов, а также при исследовании теплофизических (ТФС) и оптических (ОС) свойств новых конструкционных материалов важную роль играет точность информации, поступающей от датчиков температуры и датчиков плотности тепловых потоков. Верхняя граница диапазона эксплуатационных температур для современных головных обтекателей в зависимости от типа может составлять 1300…2000 °С, а плотность падающих тепловых потоков достигать 106 Вт/м2. При наземных стендовых испытаниях на головной обтекатель устанавливают до нескольких десятков датчиков температуры и несколько датчиков плотности тепловых потоков, частота опроса датчиков автоматизированной системой измерений превышает 500 Гц, продолжительность испытаний изменяется от десятков секунд до нескольких десятков минут, темп нагрева может достигать 100 K/с и более. Для обеспечения высокой точности измерения температуры необходимо из первичных экспериментальных данных устранить методические и инструментальные погрешности. Инструментальные погрешности могут быть сведены к минимуму стандартными приемами калибровки всех элементов измерительного тракта. Методическую погрешность можно выявить расчетнотеоретическим путем, определив ее в системе «датчик температуры — образец». Уменьшить ее значение экспериментальным способом можно, например, нанесением на поверхность обтекателя или образца и спая датчика температуры оптического выравнивающего покрытия и расположением термоэлектродов датчиков в изотермической плоскости.
Похожие