Средства диагностики обтекателей ракет из неметаллических материалов при стендовых тепловых испытаниях

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.  
 
 
 

1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ  
ПРИ СТЕНДОВЫХ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ  

1.1. Распространенные методы и средства  
измерения нестационарных температур 

Нестационарный характер тепловых режимов головных обтекателей ракет определяется их интенсивным аэродинамическим 
нагревом [1]. 
Измерение температуры может выполняться различными методами, в том числе основанными на изменении агрегатного состояния, электропроводности, кристаллографической ориентации 
и др. Каждому методу соответствуют свои технические средства. 
Все методы и средства измерения температуры принято подразделять на контактные и бесконтактные. 
Термопары являются самыми распространенными контактными датчиками для измерения температуры нагреваемых объектов. 
Такие термопары, как хромель-алюмель, платина-родий, вольфрам-рений, хромель-копель, медь-копель, медь-константан, позволяют уверенно измерять температуру в диапазоне –270…2500 °С 
в различных средах [2].  
Термопары привлекают своей простотой и надежностью, хорошей воспроизводимостью результатов, взаимозаменяемостью, 
невысокой стоимостью, устойчивыми линейными характеристиками, достаточно высокой точностью (инструментальная погрешность до 0,01 K) и чувствительностью (до 100 мкВ/K). Основным 
недостатком термопар является МПИТ, которая носит систематический характер и может стать причиной возникновения существенных расхождений между результатами теоретических и экспериментальных исследований, касающихся тепловых режимов 
конструкций. Причина в том, что при использовании термопар 
вследствие различия ТФС и ОС материалов образца и термопары 
температурное поле в месте установки датчика искажается, что 
вызывает возникновение МПИТ. Другими причинами возникновения искажений могут быть конвективный и лучистый теплообмен 
датчика с окружающей средой, внутреннее тепловыделение в датчике под действием измерительного тока или внешних электромагнитных полей [3]. В результате температура датчика Тt отличается от истинной температуры Tm, которую имел бы образец при 
отсутствии датчика, погрешность при этом составляет T = Тt – Tm.  

Для бесконтактного измерения температуры применяют пирометры излучения и тепловизоры [4, 5]. Они отличаются высокой 
точностью измерений, размещаются вне испытательной установки и 
контролируют нагреваемый объект с некоторого расстояния, иногда 
через специальные окна или световоды. Однако средства бесконтактного измерения температуры достаточно дорогостоящи и их 
использование связано со значительным усложнением испытательной установки вследствие трудностей при их размещении.  
Датчики на облученных кристаллах предназначены для контроля максимальных температур внутри движущихся и вращающихся объектов [4]. Главный недостаток этих датчиков — необходимость их внедрения внутрь объекта испытаний и последующего 
бережного извлечения. Понятно, что в тонкостенных изделиях из 
керамики или ситаллов такая операция с датчиком, имеющим диаметр около 1 мм и длину до 10 мм, вряд ли может быть полностью 
успешной. Из опыта работы с датчиками на облученных кристаллах известно, что они легко повреждаются, а погрешности расшифровки показаний достигают нескольких десятков процентов. 
Сложность расшифровки полученных экспериментальных данных 
ограничивает их широкое применение в термометрии. 
Термокраски и тепловизоры позволяют исследовать существенно неоднородные и нестационарные температурные поля [6, 7]. Традиционные методы и средства бесконтактной пирометрии используют только для области непрозрачности материала [8]. В лабораторных условиях апробированы методы измерения температурных 
полей в частично прозрачных материалах по выходящему излучению и по интерферограммам. 
Таким образом, из всего многообразия средств измерения 
температуры термопары остаются основным средством диагностики температурного состояния головных обтекателей при стендовых испытаниях. Для получения достоверной информации от 
термопар необходим инструмент оценки МПИТ. 

1.2. Методическая погрешность измерения температуры  
контактными датчиками 

Полностью устранить МПИТ не удается, но для контроля погрешности и уменьшения ее значения до приемлемого существуют 
расчетно-теоретические и экспериментальные методы, охватывающие большинство известных способов размещения контактных 
датчиков [2–4, 9, 10]. Наиболее сложными являются методы определения МПИТ в частично прозрачных материалах [11, 12]. Для 

решения возникающих при этом многомерных задач нестационарного радиационно-кондуктивного теплообмена используются численные методы. 
Разработаны расчетно-теоретические методы оценки МПИТ 
при размещении контактных датчиков на фронтальной и тыльной 
поверхностях, в глубине образца, перпендикулярно и параллельно изотермическим поверхностям в образце, рассматриваемом 
как тонкостенное и массивное тело (рис. 1.1) [4].  

Рис. 1.1. Схемы установки контактных датчиков температуры:  
а — стержневая; б — пятачковая; в–д — с разнесенным монтажом (слева — схема 
измерений; справа — геометрическая тепловая модель, где R1 — радиус образца;  
lt — общая длина термопары; tl  — длина термопары, расположенной в образце; 
Rt — радиус чувствительного элемента; x1, x2 — расстояние от фронтальной  
                             поверхности до датчика температуры)  

Так, в случае когда датчик температуры касается поверхности 
образца (рис. 1.1, а), для определения значения МПИТ предложена формула [3] 

 

,
1

t
m
t
t
m
w
f
t
T
T
T
T
T
  





 
 
 

где 
,
8 2
3
;
t
t
m
f t
t
t
m
R
 





 
,
8
3
m
w
m
f w
t
m
R
 
  

 

(здесь 
,
,
t
m
w
 

— полная тепловая проводимость соответственно между площадью контакта и окружающей средой, между глубинными областями образца и площадью контакта датчика температуры, между свободной поверхностью тела и средой в расчете на 
площадь контакта; 
,
,
, α
f t
f w

 — коэффициенты теплоотдачи соот
ветственно между боковой поверхностью датчика и окружающей 
средой и между свободной поверхностью образца и окружающей 
средой; 
, λ
t
m

 — коэффициенты теплопроводности материалов 
датчика и образца; Rt — радиус поперечного сечения датчика);  

w
T  — температура свободной поверхности образца; 
f
T  — темпе
ратура окружающей среды. 
Обычно 
t
m
    и для уменьшения значения МПИТ достаточно выполнения условия 
,
/
1.
f t
t
t
m
R




 

На рис. 1.1, б приведена схема, при которой уменьшение значения МПИТ достигается увеличением площади соприкосновения датчика с образцом с помощью соединения спая термопары и 
хорошо проводящего тепло металлического диска. Но увеличивать площадь соприкосновения можно только до определенных 
пределов, поскольку с превышением некоторого радиуса металлического диска в зоне его контакта с образцом начинают сказываться воздушные зазоры и значение МПИТ вновь увеличивается. 
Для уменьшения значения МПИТ термопары размещают в 
изотермических плоскостях (рис. 1.1, в–д). Так, вытягивая термоэлектроды вдоль нагреваемой поверхности образца на расстояние 
lt > 12Rt (где lt, Rt — длина и радиус термопары), МПИТ можно 
уменьшить примерно в 20 раз по сравнению со схемой на рис. 1.1, а. 
Эта закономерность действительна и для термопар, размещаемых 
в глубине материала. Однако следует отметить, что соотношение 

lt / Rt становится тем больше, чем меньшую теплопроводность 
имеет образец [9]. 
Большое значение для оценки МПИТ имеют данные о ТФС и 
ОС материалов термопар. Для таких материалов зависимости ТФС 
и ОС в широком диапазоне температур приведены в [13–15]. 
Следует подчеркнуть, что при исследовании МПИТ используются результаты приближенных теоретических расчетов по 
аналитическим зависимостям. Вместе с тем многие ограничения 
аналитических методов, касающиеся нестационарности, нелинейности и многомерности тепловых процессов, в настоящее 
время могут быть устранены. В частности, актуально численное 
решение задачи о погрешности измерения температуры несколькими термопарами, установленными на поверхности из конструкционной керамики в условиях радиационного нагрева. 

1.3. Распространенные методы и средства измерения  
тепловых потоков 

Датчики для измерения плотности тепловых потоков можно 
разделить на фотонные и тепловые *.  
Тепловые датчики широко применяют в наземных тепловых 
испытаниях. Они характеризуются широким диапазоном измеряемых плотностей потоков (10–2…108 Вт/м2), постоянной времени 
от тысячных долей секунды до нескольких секунд, чувствительностью от нескольких долей до сотен миллионов вольт на ватт и 
порогом чувствительности до 108 В/Вт. Среди тепловых датчиков 
большое распространение получили датчики термоэлектрического типа, в которых регистрируются темпы нагрева или градиенты 
температуры в чувствительном элементе. Технические характеристики серийных датчиков теплового потока приведены в [4], а 
на рис. 1.2 представлены схемы, поясняющие принципы работы 
таких средств измерений. 
____________ 
* Принцип работы фотонных датчиков, предназначенных для измерения селективных радиационных тепловых потоков, основан на внешнем и внутреннем фотоэффекте. Тепловые датчики используются для 
измерения конвективных и интегральных радиационных тепловых потоков, их принцип работы основан на изменении температуры в чувствительном элементе. 

Рис. 1.2. Схемы датчиков тепловых потоков:  

а — простейший; б — типа Гордона; в — теплометрический; г — с чувствительным элементом в виде полуограниченного стержня (слева — схема конструкции; справа — геометрическая тепловая модель, где T — температура;   — 
время; R1 — радиус чувствительного элемента; δ — его толщина; q — тепловой 
поток; x1, x2 — расстояние от фронтальной поверхности до горячего спая термопары; 
                                           
e  — время эксперимента)  

Принцип работы простейшего датчика теплового потока 
(см. рис. 1.2, а) описывается выражением теплового баланса для термически тонкого тела (в нашем случае чувствительного элемента): 

4
,
0
,
w R
T
C
Aq
T



 
