Способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов, а именно к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на головную часть обтекателя ракеты в наземных условиях.

В настоящее время воспроизведение аэродинамического нагрева осуществляется в различных установках: аэродинамических трубах, баллистических установках, плазменных установках, стендах на основе сжигания топлива (прямоточных реактивных двигателях) (Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов А.Н. Баранов и др. М.: Машиностроение, 1974. 344 с, Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее. В 3 т. - Т.3. Экспериментальные исследования. Ю.В. Полежаев, С.В. Резник, А.Н. Баранов и др., под ред. Ю.В. Полежаева и С.В. Резника. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002, 264 с).

Испытание натурных конструкций в таких установках требует огромных материальных затрат, поэтому широкого распространения в практике наземных испытаний эти установки не получили.

Наиболее широкое распространение в практике наземных испытаний получили стенды радиационного нагрева на базе ламп инфракрасного излучения, так как они просты в эксплуатации, позволяют достаточно легко изменять конфигурацию нагревателя в зависимости от геометрии конструкции обтекателя. Однако радиационный нагрев имеет ряд ограничений (Фокин В.И. Совершенствование методов и средств наземных статических испытаний конструкций головных обтекателей летательных аппаратов: Дис…канд. техн. наук. Самара, 2009. 147 с.)

Для элементов летательных аппаратов сложной формы, когда геометрические размеры конструкции сравнимы с размерами нагревателей, наблюдается большая погрешность задания температурного поля. Также при задании высоких температур (выше температуры размягчения кварцевого стекла) инфракрасные нагреватели выходят из строя. При проведении теплопрочностных испытаний дополнительным препятствием к воспроизведению требуемого распределения температурного поля является наличие устройств нагружения в зоне нагрева, которые локально затеняют поверхность обтекателя и приводят к возникновению дополнительных температурных напряжений в конструкции.

В последнее время для тепловых и теплопрочностных испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов применяются контактные нагреватели (патенты РФ №2571442 МПК G01N 25/72, опубл. 20.12.2015, №2599460 МПК G01N 25/72, опубл. 10.10.2016).

Приложение силовой нагрузки к изделию с применением известных средств (лямки, хомуты, нагружающие мешки и др.) через слой теплоизоляции и контактный нагреватель позволяет воспроизвести полное аэродинамическое воздействие на обтекатель практически без искажения температурного поля на наружной поверхности испытуемой конструкции.

Недостатком указанных нагревателей является то, что при их изготовлении требуются дополнительные тепловые испытания для коррекции конструкции.

Наиболее близким по технической сущности является способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов (патент РФ №2456568, МПК G01M 9/04, G01N 25/72, опубл.20.07.2012), в котором зонный нагрев изделия осуществляется за счет контакта нагревателя с наружной поверхностью обтекателя, а распределение температуры по высоте обтекателя задается электропроводящими секторами нагревателя разной толщины, соединенными в электрическую цепь последовательно, причем толщина каждого сектора определяется расчетным путем.

Недостатком этого способа является то, что нагреватель может быть изготовлен только из одного типа токопроводящего материала, например из одного артикула углеродной ткани. Следствием этого является, во-первых, большая погрешность воспроизведения температурного поля, а, во-вторых, сложность изготовления нагревателя. Например, расчет конструкции нагревателя для изделия близкого по форме к конусу с радиусом основания 0,16 м и высотой 0,37 м показал, что толщина секторов нагревателя от торца к носку изделия варьируется от одного слоя углеродной ткани до 329, при этом разница фактической толщины нагревателя от расчетной (в области торца изделия) достигает 42%.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности воспроизведения температурного поля на поверхности обтекателей ракет из неметаллических материалов и упрощение технологии изготовления контактных нагревателей за счет исключения дополнительных тепловых испытаний.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов, включающем зонный нагрев обтекателя контактным нагревателем в виде электропроводящих секторов, соединенных в электрическую цепь последовательно, координаты которых заданы относительно вершины обтекателя и измерение температуры, отличающийся тем, что электрическое сопротивление электропроводящего сектора определяется относительно вершины обтекателя по формуле:

где R_n - электрическое сопротивление нагревателя;

q_n-i - плотность теплового потока от нагревателя на (n-i)-м участке наружной поверхности обтекателя;

S_n-1 - площадь поверхности (n-i)-го участка обтекателя;

Р - мощность нагревателя.

Методика распределения плотности теплового потока для обтекателя основана на том, что если нагреватель представить в виде n последовательно соединенных в цепь электропроводящих секторов, то мощность, выделяемая каждым из них, при подключении источника питания, пропорциональна величинам их электрических сопротивлений:

где I - сила тока в электрической цепи;

R_i - электрическое сопротивление i - го сектора нагревателя.

С другой стороны, количество энергии (ΔQ_i), требующейся для воспроизведения аэродинамического нагрева i-го участка наружной поверхности обтекателя, вычисляется по формуле:

где q_i - требуемая плотность теплового потока на i-м участке наружной поверхности; S_i - площадь поверхности i-го участка обтекателя. Величина ΔQ_i может быть рассчитана по заданной кривой плотности теплового потока по высоте обтекателя.

Учитывая то, что контактный нагреватель для теплового нагружения обтекателя представлен в виде цепи последовательно соединенных секторов в виде n электрических сопротивлений, то требуемое количество энергии (ΔQ_i) в единицу времени может быть воспроизведено за счет выделяемой мощности P_i в i-м секторе контактного нагревателя.

Учитывая вышесказанное, можно составить систему уравнений, описывающую воспроизведение аэродинамического нагрева контактным нагревателем:

Решая систему уравнений (3) относительно R_i находим, что электрическое сопротивление R_i в i-м сечении относительно верхней шины равно:

Формула (4) однозначно описывает характеристики контактного нагревателя за счет измерения его поля сопротивлений (множество значений сопротивлений нагревателя относительно вершины обтекателя) и геометрических размеров. Если в формулу (4) подставить значение площади поверхности (n-i)-го участка нагревателя:

где d_B - диаметр верхнего торца (n-i) - го сектора нагревателя, d_H - диаметр нижнего торца (n-i)-го участка сектора нагревателя; Δl_n-i - величина шага по образующей наружной поверхности обтекателя, то устанавливаем зависимость между электрическим сопротивлением и геометрическими размерами (n-i)-го участка сектора нагревателя:

Формулу (6) можно использовать для практической аттестации конструкции контактного нагревателя. Для этого достаточно измерить поле сопротивлений {R_i} всего нагревателя, установленного на обтекатель, и проверить заданные геометрические размеры. Кроме того, по результатам измерения поля сопротивлений {R_i} можно оценить изменение распределения температурного поля контактного нагревателя в процессе эксперимента. Критерием годности нагревателя может служить отношения

Способ иллюстрирует схема, представленная на чертеже. На обтекателе 1 располагают нагреватель 2 в виде секторов, присоединенных к электрическим шинам 3.

Предлагаемый способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов реализуется следующим образом. При заданном расчетном распределении плотности теплового потока по высоте обтекателя конструкцию нагревателя условно разделяют на сектора, обеспечивающие одинаковую плотностью теплового потока. Далее формируют сектора нагревателя из различных типов токопроводящих материалов, например из нескольких типов углеродных тканей, таким образом, чтобы сопротивление каждого из секторов соответствовало расчетному значению.

Заявленный способ дает возможность воспроизвести аэродинамический нагрев на поверхности обтекателей ракет из неметаллических материалов с высокой точностью. Предложенный способ отработан и применяется при наземных испытаниях натурных обтекателей ракет.