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. 
 
 

Глава 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА  
ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ 

1.1. Установки контактного и радиационного нагрева 

Точность теплового проектирования зависит от точности исходных данных, в первую очередь данных о теплофизических  
и оптических свойствах материалов. Результаты математического 
моделирования позволили выявить существенное влияние коэффициентов теплопроводности в продольном λz и окружном λφ 
направлениях на температурное состояние композитных стержневых КК [1]. Коэффициенты теплопроводности λz, λφ можно 
определить с помощью экспериментально-расчетной процедуры 
параметрической идентификации [2, 3]. В основе процедуры лежит обработка экспериментальных данных, полученных при тепловых испытаниях элементов натурных стержневых КК, с помощью решения коэффициентных ОЗТО.  
При проведении эксперимента необходимо создать такие условия, в которых искомый параметр наиболее сильно проявляет себя 
в определенном интервале температур. Для повышения точности 
параметрической идентификации коэффициента теплопроводности λz стержневой элемент должен быть неравномерно нагрет по 
длине и равномерно в окружном направлении. Такой характер 
нагрева может быть реализован в экспериментальных установках с 
контактными электрическими нагревателями. Для тепловых испытаний можно использовать элементы натурных конструкций в 
форме тонкостенных стержней, у которых соотношения продольного l, поперечного d размеров и толщины  составляют /
10
l d 
 
и 
/
10.
d
 
 
В измерительном узле установки (рис. 1.1) образец 4 закрепляют на теплоизолированном основании 6, выполненном из материала ТЗМК-10. Для подавления свободной конвекции и созда

ния условий одномерного теплообмена в направлении продольной оси образец располагают в вертикальном положении в камере спокойного воздуха 5, а на его верхней торцевой поверхности 
в теплоизоляцию 3 вмонтирован контактный нагреватель 1.  
 

Рис. 1.1. Схема установки односто- 
     роннего контактного нагрева: 

1 — нагреватель; 2 — термопары; 3 — 
теплоизоляция; 4 — образец; 5 — камера 
спокойного воздуха; 6 — теплоизолированное основание; L — длина прогретой 
части стержня; R — расстояние от стержня до стенок камеры спокойного воздуха 
 
 
Для полых тонкостенных стержней круглого, квадратного или 
прямоугольного сечения можно использовать цилиндрический 
нагреватель с медной втулкой, соответствующей профилю стержня. На продольной оси образца на определенном расстоянии от 
торца устанавливают датчики температуры — термопары. Термоэлектроды термопар, закрепленные в горизонтальном направлении 
от спая, опускают вниз вдоль продольной оси стержня и выводят 
на устройство сопряжения ТРМ-138 или MIC-400 для автоматической регистрации данных в процессе эксперимента.  
Для испытаний сплошных тонкостенных стержней разработана 
установка двухстороннего контактного нагрева. На рис. 1.2 приведен пример установки с двумя плоскими нагревателями HSL-300, 
между которыми закрепляется образец 2. Используются два источника питания HY3000-2 c возможностью регулирования выходного 
напряжения и силы тока. Для выравнивания температурного поля 
по ширине и толщине образца нагреватели 4 зажаты между медны

ми пластинами 1. Перемещая стойки 5, можно испытывать образцы 
длиной до 120 мм. Температуру образца и нагревателей контролируют с помощью термопар 3. На продольной оси образца размещают три термопары: две — по краям и одну в центре. Термоэлектроды термопар закрепляют в вертикальном направлении от 
спая вдоль изотермической поверхности образца, опускают вниз 
и выводят на регистрирующую аппаратуру 8. 
 

 

Рис. 1.2. Схема установки двухстороннего контактного нагрева:  

1 — медная пластина; 2 — образец; 3 — термопара; 4 — нагреватель; 5 — стойка; 
6 — основание; 7 — источник питания; 8 — устройство автоматической реги- 
                                                        страции данных 

Установки контактного нагрева позволяют проводить испытания как в камере спокойного воздуха, так и в вакууме. 
Для исключения различных методических и экспериментальных 
погрешностей, влияющих на точность параметрической идентификации коэффициента теплопроводности λφ, необходимо обеспе

чить равномерное по длине стержня и неравномерное в окружном 
направлении тепловое нагружение. Этим требованиям удовлетворяют установки радиационного нагрева. Авторами настоящего пособия были поставлены эксперименты по определению коэффициента теплопроводности λφ на гелиоустановке «ИГУС» Института 
проблем материаловедения им. И.Н. Францевича (Украина) и  
в вакуумной камере «СШВ» с галогенными источниками излучения ОАО «Военно-промышленная корпорация «НПО машиностроения» (г. Реутов Московской области). 
Установка «ИГУС» (рис. 1.3) позволяет достаточно точно моделировать плотность, спектральный состав и угловую структуру 
потока солнечного излучения, подводимого к поверхности испытываемого объекта.  
Отражающая поверхность установки «ИГУС» имеет форму вырезанного из параболоида прямоугольника общей площадью 22 м2 
и образована девятью рядами плоских фацет 1 размером 
170220 мм2, по 11 штук в каждом ряду. Каждая фацета с помощью 
индивидуальной шаровой опоры крепится к одному из продольных 
силовых элементов, смонтированных на силовой раме 2. Силовая 
часть измерительного участка представляет собой прямоугольную 
цельносварную раму 3, вынесенную вперед. Благодаря карданной 
системе подвеса и наличию двух независимых приводов 5 и 6 рама 2 
может совершать повороты по азимуту на 180 и по углу места на 
120. Наведение на Солнце и слежение за ним осуществляются 
вручную путем совмещения светового пятна, приходящего из визирного отверстия, с отметкой на силовой раме 2.  
Вакуумная камера «СШВ» имеет корпус цилиндрической 
формы диаметром 1500 мм и высотой 2420 мм (рис. 1.4). Для 
уменьшения собственного и отраженного от внутренней поверхности камеры 3 излучения применяется система водоохлаждения 7, 9. Нагреватель 5 состоит из 25 галогенных ламп накаливания КГТО-220-2500. Во время экспериментов с помощью 
вакуумной системы 7, 8 в камере может поддерживаться давление до 10–3 мм рт. ст. Стержень 4 и блок датчиков теплового потока 1 закрепляют в центральной части измерительного участка 
с помощью кронштейна 6. Плотность излучения от нагревателя 
и излучения, отраженного от стенок камеры, измеряется датчиками теплового потока ФОА-020 типа Гордона [4]. Блок датчиков тепловых потоков теплоизолирован.  

Рис. 1.3. Схема гелиоустановки «ИГУС»:  

1 — фацета; 2 — силовая рама; 3 — рама измерительного участка; 
4 — штанга; 5, 6 — электрические приводы системы наведения