Планирование температурных измерений для определения характеристик теплопереноса материалов тепловой защиты многоразовых космических аппаратов
Планирование температурных измерений для определения характеристик теплопереноса: обзор методов и практические примеры
В предлагаемом учебном пособии рассматриваются методы и алгоритмы планирования температурных измерений, необходимых для определения характеристик теплопереноса в материалах тепловой защиты многоразовых космических аппаратов. Книга предназначена для студентов, обучающихся по направлениям подготовки, связанным с проектированием, производством и эксплуатацией ракетно-космической техники, а также для аспирантов и специалистов, занимающихся аэродинамикой, тепловыми режимами летательных аппаратов и испытаниями.
Основные понятия и задачи планирования измерений
Введение посвящено важности планирования температурных измерений при стендовых тепловых испытаниях (СТИ) для определения характеристик теплопереноса материалов. Подчеркивается, что точность решения обратной задачи теплообмена напрямую зависит от рационального выбора количества и расположения датчиков температуры. Неправильная установка датчиков может привести к неточным результатам. Рассматриваются минимальные требования к количеству датчиков для однозначного восстановления теплофизических свойств, а также влияние количества датчиков на устойчивость решения обратной задачи. Оптимальный план измерений должен обеспечивать максимальную точность определения характеристик материалов. В качестве косвенного критерия качества эксперимента предлагается использовать детерминант нормированной информационной матрицы Фишера.
Методы и алгоритмы решения задач планирования
В книге представлены различные методы решения задач планирования температурных измерений. Обсуждаются преимущества и недостатки метода перебора, метода проекции градиента и безградиентных алгоритмов, таких как метод деформируемого многогранника. Подробно описывается методика вычисления функций чувствительности для одномерных и двумерных процессов радиационно-кондуктивного теплообмена. Приводятся математические выражения для расчета вариаций температуры и излучения в частично прозрачных и непрозрачных областях, а также на границах слоев.
Планирование измерений при одномерном теплообмене
Рассматривается влияние толщины слоя теплозащитного материала и скорости нагрева фронтальной поверхности на оптимальный план измерений. Приводятся результаты моделирования тепловых испытаний плоского образца с различными скоростями нагрева (3, 30 и 300 К/с) и толщинами (20, 40 и 60 мм). Анализируется влияние скорости нагрева на зону оптимального размещения датчиков температуры. Делаются выводы о необходимости умеренных скоростей нагрева для повышения точности измерений. Обсуждается достаточность использования двух датчиков для определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности.
Планирование измерений при двумерном теплообмене
Представлены примеры планирования температурных измерений для двумерных процессов теплообмена, в частности, для исследования теплофизических характеристик теплозащитного материала на стенде радиационного нагрева. Рассматривается влияние количества датчиков на точность восстановления температурных зависимостей. Обсуждается возможность улучшения схемы эксперимента путем установки высокотеплопроводного экрана на боковой поверхности образца. Представлена трехэтапная процедура планирования температурных измерений, включающая выбор схемы эксперимента, оптимизацию параметров и определение координат установки датчиков.
Планирование измерений при испытаниях на солнечном концентраторе
Рассматривается применение солнечных концентраторов для высокотемпературных теплофизических исследований. Приведен пример планирования измерений при испытаниях образцов теплозащитных материалов на солнечном концентраторе PSA. Описывается схема эксперимента и результаты математического моделирования температурного состояния образцов для различных значений падающего потока излучения. Представлен итоговый план размещения термопар, обеспечивающий высокую информативность при различных условиях эксперимента.
- ВО - Бакалавриат
- 24.03.01: Ракетные комплексы и космонавтика
- ВО - Магистратура
- 24.04.01: Ракетные комплексы и космонавтика
- ВО - Специалитет
- 24.05.01: Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
Планирование температурных измерений для определения характеристик теплопереноса материалов тепловой защиты многоразовых космических аппаратов Рекомендовано Федеральным учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 24.00.00 «Авиационная и ракетно-космическая техника» в качестве учебного пособия Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана С.В. Резник, П.В. Просунцов
УДК 536.2:536.3
ББК 31.31
Р34
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/121/book1748.html
Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Ракетно-космические композитные конструкции»
Рецензенты:
д-р техн. наук профессор М.Ю. Лившиц,
канд. физ.-мат. наук М.О. Забежайлов
Резник, С. В.
Планирование температурных измерений для определения характеристик теплопереноса материалов тепловой
защиты многоразовых космических аппаратов : учебное
пособие / С. В. Резник, П. В. Просунцов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 42, [6] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-4802-9
Представлены методы и алгоритмы планирования температурных
измерений, предназначенных для последующего определения характеристик теплопереноса частично прозрачных пористых материалов. Приведены примеры использования алгоритмов решения задач, рассмотрены
результаты их применения при планировании температурных измерений
на этапе подготовки стендовых тепловых испытаний образцов теплозащитных материалов и элементов теплонагруженных конструкций.
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетнокосмических комплексов», бакалавров «Ракетные комплексы и космонавтика», магистров «Ракетные комплексы и космонавтика».
УДК 536.2:536.3
ББК 31.31
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-4802-9 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
Р34
Предисловие В учебном пособии представлены методы и алгоритмы планирования температурных измерений, предназначенных для последующего определения характеристик теплопереноса частично прозрачных пористых материалов. Учебное пособие может быть рекомендовано для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов 24.05.01 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», бакалавров — 24.03.01 «Ракетные комплексы и космонавтика», магистров — 24.04.01 «Ракетные комплексы и космонавтика», изучающих дисциплины «Теория и методы решения обратных задач», а также «Испытания композитных материалов и конструкций», «Теплофизические процессы в композитных конструкциях», «Теплоперенос в композиционных материалах», «Математическое моделирование теплонагруженных композитных конструкций», и аспирантов по специальностям: 05.07.01 «Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов», 05.07.03 «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», 05.07.07 «Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем». Цель пособия — познакомить студентов с современными подходами и методами планирования температурных измерений, проводимых для определения характеристик теплопереноса материалов систем тепловой защиты многоразовых космических аппаратов, а также с построением алгоритмов решения задач. Изучение дисциплины «Теория и методы решения обратных задач» включает в себя два модуля и рассчитано на один семестр. Материал пособия относится к разделу 2.3 модуля 2: «Постановки и алгоритмы решения обратных задач», который посвящен вопросам планирования температурных измерений при проведении испытаний образцов материалов и элементов конструкций. Цель изучения указанного раздела заключается в обучении постановке и решению задачи оптимального планирования температурных измерений при проведении стендовых тепловых испытаний образцов теплозащитных материалов и элементов системы тепловой защиты. Пособие представляет собой логически завершенный раздел курса, для которого приводится набор планируемых результатов обучения, заданных программой дисциплины.
После изучения раздела 2.3 «Планирование температурных измерений при проведении испытаний образцов материалов и элементов конструкций» модуля «Постановки и алгоритмы решения обратных задач» студенты смогут: формулировать постановку задачи оптимального планирования температурных измерений; разрабатывать алгоритм решения задачи оптимального планирования температурных измерений; давать рекомендации по выбору размеров образца при проведении стендовых тепловых испытаний в целях определения характеристик теплопереноса; понимать влияние основных параметров стендовых тепловых испытаний (толщины образца, уровня, темпа и продолжительности нагрева фронтальной поверхности и др.) на оптимальный план температурных измерений. Для изучения дисциплины требуется наличие знаний и навыков по математическому анализу, материаловедению, производству композитных конструкций, оптимизации композитных конструкций и технологий, термодинамике и теплопередаче, теплофизическим процессам в композиционных материалах. Кроме того, для понимания материала, изложенного в пособии, необходимы знания в области физики, термодинамики и теплопередачи, дифференциальных уравнений и частных производных. Считается, что читатель владеет материалом, изложенным в пособиях [1] и [2]. В начале изучения настоятельно рекомендуется для самоконтроля выполнить задания и ответить на следующие вопросы: 1) изложить основные допущения диффузионного приближения для решения уравнения переноса излучения; 2) записать двумерное нестационарное нелинейное уравнение теплопроводности с источниковым членом в декартовой системе координат; 3) указать температурный интервал работы материалов системы тепловой защиты многоразовых космических аппаратов; 4) описать особенности элементов системы тепловой защиты и возможные способы размещения в них датчиков температуры; 5) объяснить принцип работы контактных датчиков температуры;
6) указать типы термопар и температурные диапазоны их применения; 7) дать определение случайных и систематических погрешностей измерения температуры; 8) назвать технические приемы снижения методической погрешности измерения температуры контактными датчиками. Выполнение перечисленных заданий подготовит студента для грамотного и полноценного восприятия материала пособия, закрепит полученные знания по указанным дисциплинам и тематическим направлениям и послужит необходимым фундаментом для дальнейшего процесса обучения по выбранной профессии.
Похожие