Постановка тепловых испытаний элементов композитных стержневых космических конструкций. Часть 2 : Экспериментальные исследования

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

С.В. Резник, О.В. Денисов 

 

 

Постановка тепловых испытаний  
элементов композитных стержневых  
космических конструкций 
 
 
  

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 620.22+629.7(075.8) 
ББК 30.3+39.6 
        Р34 
 
 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 

по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/121/book1503.html 

 

Факультет «Специальное машиностроение»  

Кафедра «Ракетно-космические композитные конструкции» 

 
 

Резник, С. В. 
 
Постановка тепловых испытаний элементов композитных 

стержневых космических конструкций : учеб. пособие.— Ч. 2: 
Экспериментальные исследования / С. В. Резник, О. В. Денисов. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 41, 
[3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4498-4 

 

Рассмотрены методы и средства тепловых испытаний элементов 

композитных стержневых космических конструкций. Дано описание 
установок контактного и радиационного нагрева. Приведены примеры 
расчетно-экспериментального определения коэффициентов теплопроводности в продольном и окружном направлениях стержней непосредственно на элементах натурных конструкций.  

Для студентов, обучающихся по специальности 24.05.01 «Проекти
рование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» и направлению подготовки 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 620.22+629.7(075.8) 

 
ББК 30.3+39.6 

 
 
 
 
 
 

  
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

  
 Оформление. Издательство  

ISBN 978-5-7038-4498-4                                     
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

Р34 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Тепловые испытания — важный этап создания любых объектов ракетно-космической техники. В первой части учебного пособия [1] была рассмотрена теоретическая основа подготовки 
тепловых испытаний стержневых космических конструкций 
(КК). Во второй части учебного пособия представлены экспериментальные исследования элементов натурных композитных 
стержневых КК. 
Цель учебного пособия состоит в содействии формированию 
у студентов целостного представления о методах и средствах моделирования и анализа теплофизических процессов в элементах и 
конструкциях из композиционных материалов (КМ), формированию знаний и навыков в области испытания и проектирования 
ракетно-космических композитных конструкций. 
В пособии представлены новые расчетно-экспериментальные 
методики определения коэффициентов теплопроводности КМ в 
продольном и окружном направлениях стержней непосредственно на элементах натурных стержневых КК.  
В главе 1 рассмотрены этапы подготовки и проведения тепловых испытаний элементов натурных стержневых КК на установках радиационного и контактного нагрева. Приведены описания 
экспериментальных установок, показаны особенности тепловых 
испытаний на воздухе и в термовакуумных камерах.  
Глава 2 посвящена обработке экспериментальных данных с помощью современного математического аппарата обратных задач 
теплообмена (ОЗТО), оценке методических погрешностей измерения температуры (МПИТ), а также экспериментальному определению на стандартных приборах оптических свойств поверхностей 
стержневых композитных КК, от точности задания которых зависит 
точность искомых коэффициентов теплопроводности. 

ВВЕДЕНИЕ 

Стержневые конструкции — неотъемлемая часть космической 
техники. Как правило, такие конструкции в компактно уложенном 
виде выводятся на орбиту, где автоматически разворачиваются. 
Основные требования к стержневым КК — высокая стабильность 
формы и размеров и минимальная масса. С точки зрения выполнения этих требований перспективны полимерные КМ — углепластики, обладающие высокой удельной прочностью и жесткостью, 
малым коэффициентом линейного термического расширения. Для 
обеспечения стабильности формы и размеров в процессе эксплуатации должны быть ограничены уровни и перепады температуры, 
влияющие на температурные деформации. 
При создании перспективных стержневых КК из КМ трудно переоценить роль тепловых испытаний. Они служат для проверки результатов теоретических расчетов температурного состояния и способности конструкции выполнять ее назначение. Однако нередко 
результаты теоретического и экспериментального исследования не 
совпадают. Одно из слабых мест теоретических расчетов — неопределенность данных о теплофизических свойствах КМ. Восполнять 
недостатки расчетов, увеличивая объемы испытаний, нецелесообразно в силу нескольких причин: высокой сложности и низкой производительности испытаний крупногабаритных натурных конструкций; невозможности испытания уменьшенных в масштабе  
моделей, так как в них теряются характерные качества КМ. Компенсировать недостатки теоретического и экспериментального исследования, увеличивая запасы прочности и жесткости, затруднительно 
в силу известных ограничений по массе. 
Вследствие уникальности каждой партии стержней из КМ 
(различие типов наполнителя и связующего, числа слоев и углов 
укладки волокон, режимов термообработки и т. д.) почерпнуть из 
справочной литературы данные об их теплофизических свойствах 
(особенно это касается значений коэффициентов теплопроводности) практически невозможно. В традиционных методиках опреде

ления коэффициентов теплопроводности материалов используются образцы в форме круглой или прямоугольной пластины. Приготовление таких образцов из натурной стержневой конструкции 
затруднительно и может привести к нарушению структуры материала. Кроме того, эксперименты длятся от нескольких часов до 
нескольких десятков часов, а результаты испытаний могут иметь 
значительную погрешность.  
В 
настоящем 
пособии 
предложены 
новые 
расчетноэкспериментальные методики, позволяющие определить коэффициенты теплопроводности КМ в продольном и окружном направлениях стержней непосредственно на элементах натурных КК. 
При этом используется существующая материальная база — термовакуумные камеры, гелиоустановки, установки контактного 
нагрева. Методики построены на современном математическом 
аппарате — численных методах прогнозирования температурного 
состояния конструкций. Экспериментальные данные регистрируются с помощью быстродействующих и высокоточных автоматизированных средств, обработка результатов проводится с привлечением методов решения ОЗТО и определения методических 
погрешностей измерения температуры. Методиками предусматривается определение оптических свойств поверхностей стержней на стандартных оптических приборах.