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.