Постановка тепловых испытаний элементов композитных стержневых космических конструкций. Часть 2 : Экспериментальные исследования
Тепловые испытания композитных стержневых космических конструкций: методы, средства и экспериментальные исследования
В данной статье рассматривается учебное пособие, посвященное постановке тепловых испытаний элементов композитных стержневых космических конструкций (КК). Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям, связанным с проектированием, производством и эксплуатацией ракетно-космической техники, и направлено на формирование у них целостного представления о методах и средствах моделирования и анализа теплофизических процессов в элементах и конструкциях из композиционных материалов (КМ).
Актуальность и цели исследования
Актуальность исследования обусловлена важной ролью тепловых испытаний в создании ракетно-космической техники, особенно в контексте применения композитных материалов. КМ, такие как углепластики, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, а также малым коэффициентом линейного термического расширения, что делает их перспективными для стержневых КК. Цель пособия – предоставить студентам знания и навыки в области испытаний и проектирования ракетно-космических композитных конструкций, а также познакомить с новыми расчетно-экспериментальными методиками определения коэффициентов теплопроводности КМ.
Методы и средства тепловых испытаний
В пособии подробно рассматриваются методы и средства тепловых испытаний, включая описание установок контактного и радиационного нагрева. Для определения коэффициентов теплопроводности в продольном (λz) и окружном (λφ) направлениях стержней используются экспериментально-расчетные процедуры параметрической идентификации. Описываются установки контактного нагрева, позволяющие проводить испытания как в камере спокойного воздуха, так и в вакууме. Также рассматриваются гелиоустановка «ИГУС» и вакуумная камера «СШВ», применяемые для радиационного нагрева, что позволяет моделировать различные условия теплового воздействия. Особое внимание уделяется методам и средствам измерения тепловых величин, в частности, использованию термопар и анализу погрешностей измерений.
Экспериментальные исследования и анализ результатов
В пособии представлены экспериментальные исследования элементов натурных композитных стержневых КК. Рассматриваются этапы подготовки, проведения, обработки экспериментальных данных и анализа результатов. Описываются методики определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности λz КМ в продольном направлении стержня, а также результаты испытаний на установках контактного нагрева. Приводятся примеры обработки экспериментальных данных с использованием программного комплекса CAR, основанного на решении коэффициентной обратной задачи теплообмена (ОЗТО). Анализируется влияние методических погрешностей измерения температуры (МПИТ) на точность определения теплофизических свойств материалов. Отдельное внимание уделяется экспериментальному определению оптических свойств поверхности материала образца, таких как интегральная степень черноты, направленно-полусферический коэффициент отражения и интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения, с использованием стандартных оптических приборов.
Выводы и практическое значение
В заключение подчеркивается практическое значение полученных результатов для проектирования и испытаний ракетно-космических конструкций. Показано, что точность задания коэффициента теплопроводности существенно влияет на результаты определения температурных градиентов и поперечных перемещений стержней. Предложенные методики позволяют уточнить модели радиационно-кондуктивного теплообмена и повысить точность тепловых расчетов.
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 629: Техника средств транспорта
- 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, 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.
Похожие