×
11.07.2019
219.017.b2af

Способ определения степени черноты поверхности натурного обтекателя ракет при тепловых испытаниях и установка для его реализации

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области теплофизики и касается способа определения степени черноты поверхности натурных обтекателей при тепловых испытаниях. Способ включает радиационный нагрев обтекателя, полностью соответствующего натурному обтекателю, на тепловом стенде кварцевыми галогенными лампами накаливания и непрерывный замер температуры с помощью термопар в нескольких контрольных точках по высоте обтекателя на наружной и внутренней его поверхностях. Нагрев обтекателя производится со ступенчатым увеличением мощности нагревателя с шагом 10-15%, выдержкой по времени достигнутой мощности нагревателя на каждой квазистационарной ступени режима нагрева, в момент которого с помощью малоинерционных датчиков лучистого теплового потока производится замер эффективного теплового потока от обтекателя в каждой контрольной точке дважды: с включенным нагревателем и после кратковременного его отключения. Степень черноты поверхности натурного обтекателя в контрольных точках по высоте обтекателя в зависимости от температуры вычисляется по формуле, вытекающей из закона Стефана-Больцмана. Технический результат заключается в повышении точности определения степени черноты. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к теплофизике в области теплообмена излучением, в частности, к способам измерения степени черноты покрытий и поверхностей различных обтекателей, а также к области тепловых испытаний высокоскоростных летательных аппаратов и может быть использовано при наземных испытаниях антенных обтекателей ракет.

Тепловые испытания антенных обтекателей ракет различного класса проводятся с целью изучения влияния аэродинамического нагрева на несущую способность обтекателя, определения температурных полей на поверхности обтекателя в процессе полета, исследования изменения физико-механических характеристик материала оболочки, определения температур внутри обтекателя и оценки влияния этой температуры на аппаратуру, защищаемую обтекателем.

На практике наибольшее распространение получил способ нагрева испытываемых антенных обтекателей ракет путем лучистого нагрева с помощью инфракрасных нагревателей (кварцевых галогенных ламп накаливания), который позволяет достаточно легко воспроизвести нужное температурное поле обтекателя путем изменения электрического напряжения в нагревателях. Такой способ реализуется с помощью регулирующих устройств. Управление нагревом вручную или автоматически (по программе) позволяет, достаточно точно, воспроизвести нестационарный нагрев, который соответствует реальному полету.

Достоинством галогенных нагревателей, используемым в предлагаемом способе, является малая инерционность нагревателей по сравнению с другими нагревателями, показатель постоянной времени составляет величину всего 0,3 с, темп нагрева достигает 150-200 К/с, а максимальная температура достигает 2000К.

Известен стенд для испытания и воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на антенный обтекатель ракеты в наземных условиях, который состоит из четырех раздельных цилиндрических нагревательных панелей радиационного нагрева на основе кварцевых галогенных ламп накаливания, контроль температуры в этих зонах осуществляется с помощью измерительных преобразователей (термопар), которые установлены на поверхности обтекателя в каждой регулируемой зоне и их количество равно количеству независимых нагревательных панелей. Управление нагревом на таком стенде производят в автоматическом режиме по заданной температуре и по измерению термопары на обтекателе (Испытания летательных аппаратов (беспилотные летательные аппараты) / П.П. Афанасьев и др. - Калуга: ИП Стрельцов И.А. (Издательство «Эйдос»), 2015. стр. 246).

Для точного расчета теплового состояния обтекателя и расчетных температур на поверхности обтекателя, по которым будет осуществляться управление нагревом, необходимо учитывать тепло-физические свойства материала обтекателя и зависимость степени черноты поверхности натурного обтекателя ε(Т) от температуры, которая характеризует излучательную способность обтекателя в диапазоне рабочих температур (режим полета). При этом значение параметра ε(Т) для поверхности обтекателя, полученное на образцах, может не соответствовать натурному обтекателю, так как в реальной конструкции поверхность обтекателя имеет шероховатость после механической обработки и на его поверхность могут наноситься различные покрытия, улучшающие его радиотехнические характеристики. При испытании натурного обтекателя, который полностью соответствует летному экземпляру, необходимо знать степень черноты ε(Т) его поверхности.

В полете и при испытании на тепловом стенде поверхность обтекателя может частично разрушаться (обгорать), окисляться и соответственно может изменяться значение степени черноты ε(Т), что существенно влияет на точность определения тепловых потоков, подводимых к обтекателю в полете и на точность вычисления температур на его поверхности.

Известны способы определения степени черноты поверхности твердых тел, которые проводятся только на специальных образцах, в специальных условиях (например, в вакууме), с использованием специальной аппаратуры и не позволяющие применить известные способы на натурных конструкциях. Методы определения степени черноты также основываются на использовании специальных эталонных образцов или с нанесением на образцы эталонных покрытий с заранее известной степенью черноты, что тоже не позволяет реализовать эти методы при испытании натурных обтекателей, которые полностью должны соответствовать летным экземплярам.

Известен способ измерения степени черноты твердых тел, при котором эталонный образец изготавливают из того же материала, что и исследуемый образец, наносят на эталонный образец покрытие с известной степенью черноты, сравнивают скорости изменения температуры эталонного и исследуемого образцов при их нагреве излучением черного тела в моменты времени, соответствующие одинаковой температуре, и определяют степень черноты путем сравнением скоростей изменения температуры исследуемого и эталонного образцов (А.с. СССР №770333 А1, МПК G01J 5/12, опубл. 20.11.2005 г.).

Недостатками указанного способа является необходимость замера скоростей изменения температуры образцов в строго фиксированные моменты времени, когда температуры обоих образцов одинаковы. Получение зависимости степени черноты твердого тела от температуры с помощью этого способа не обеспечивает постоянство точности параметра на всем диапазоне измерений, поскольку скорости изменения температуры образцов зависят от температуры.

Известен способ относительного измерения степени черноты твердых тел, в котором доводят яркостную (радиационную) температуру эталона до яркостной (радиационной) температуры объекта, одновременно компенсируют искажения температурных полей объекта и эталона, по измеренным истинным температурам и известному коэффициенту черноты излучения эталона определяют коэффициент черноты объекта (А.с. СССР №412496, кл. G01J 5/00, опубл. 25.01.1974 г.).

Недостатком данного способа является использование эталонного объекта и ограничения, связанные с необходимостью замера яркостной (радиационной) температуры, что в условиях натурных испытаний трудно осуществить.

Известен способ определения степени черноты тела, в котором измеряют мощность эталонного тела и по разности мощностей исследуемого и эталонного тел через калибровочный коэффициент определяют искомую величину (А.с. СССР №270295, кл. G01J 5/00, опубл. 08.05.1970 г.).

Недостатком данного способа является использование эталонного объекта и сложности с определением калибровочного коэффициента, который в свою очередь будет зависеть от температуры, что в условиях натурных испытаний невозможно осуществить.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ измерения степени черноты (патент РФ №2510491 С2, МПК G01J 5/12, опубл. 27.03.2014 г.). Способ включает последовательное измерение температуры эталонного и исследуемого образцов, изготовленных из одного и того же материала. Эталонный и исследуемый образцы изготавливают в виде двух пластин с одинаковым покрытием, размещенных одна напротив другой покрытием наружу. При этом на пластины эталонного образца наносят покрытие с известной степенью черноты. В полость между пластинами устанавливают электронагреватель и нагревают пластины при постоянной мощности нагревателя до полного установления стационарного теплового режима. Степень черноты исследуемого образца определяют по расчетной формуле, вытекающей из уравнения теплового баланса, измеряя мощности тепловыделений в исследуемом и контрольном (эталонном) образце, затрачиваемые на поддержание температуры поверхностей образцов на уровне стационарного значения температуры.

Недостатками данного способа является использование эталонного объекта и ограничения, связанные с необходимостью использования пирометров, что в условиях натурных испытаний трудно осуществить.

Техническим результатом изобретения является разработка эффективного способа определения температурной зависимости интегральной степени черноты натурных обтекателей, сокращение количества экспериментальных исследований, повышение точности полученных результатов, используя известные испытательные стенды.

Указанный технический результат достигается тем, что способ определения степени черноты поверхности натурного обтекателя ракет при тепловых испытаниях, включающий радиационный нагрев натурного обтекателя на тепловом стенде с помощью нескольких нагревательных панелей с кварцевыми галогенными лампами накаливания, каждая с индивидуальным управлением по мощности нагрева, а также непрерывный замер температуры в процессе нагрева с помощью термопар, установленных в нескольких контрольных точках по высоте обтекателя на наружной и внутренней его поверхностях, а степень черноты исследуемой поверхности определяют расчетным путем, отличающийся тем, что обтекатель для испытаний на тепловой нагрев должен полностью соответствовать натурному обтекателю, включая используемые покрытия, шероховатость и степень черноты наружной поверхности, наружные термопары устанавливаются в контрольных точках, расположенных напротив средней части нагревательных панелей, а внутренние термопары закрепляются строго напротив наружных, нагрев обтекателя производится со ступенчатым увеличением мощности нагревателя с шагом 10-15% от максимально необходимого значения подводимого теплового потока для конкретного обтекателя и выдержкой по времени достигнутой мощности нагревателя на каждой квазистационарной ступени режима нагрева, в момент которого с помощью малоинерционных датчиков лучистого теплового потока производится замер теплового потока от обтекателя в каждой контрольной точке на наружной и внутренней поверхности обтекателя, причем замер теплового потока на полке квазистационарного режима нагрева производится дважды: с включенным нагревателем замеряется эффективный тепловой поток (Qi)в, включающий отраженное излучение и собственное излучение обтекателя, после кратковременного отключения нагревателя замеряется тепловой поток, излучаемый обтекателем (Qi)н, при температуре Ti, а интегральная степень черноты поверхности натурного обтекателя в контрольных точках по высоте обтекателя в зависимости от температуры вычисляется по формуле, вытекающей из закона Стефана-Больцмана:

εi(T)=ki*(Qi)в/(σ0*Ti4),

где εi - интегральная степень черноты поверхности обтекателя в зоне i-той контрольной точки;

(Qi)в - эффективный тепловой поток, измеряемый датчиком лучистого теплового потока в зоне i-контрольной точки с включенными нагревателями;

σ0=5,67*10-8 Вт/(м2*К4) - постоянная Стефана-Больцмана;

Ti - измеренная температура поверхности обтекателя в i-точке, К;

ki - поправочный коэффициент для i-контрольной точки, определяемый из отношения ki=(Qi)н/(Qi)в теплового потока излучаемого обтекателем с отключенными нагревателями к эффективному тепловому потоку при включенных нагревателях.

В качестве установки для реализации способа определения степени черноты поверхности натурного обтекателя ракет при тепловых испытаниях используется стенд для испытания натурных обтекателей.

Установка определения степени черноты поверхности натурного обтекателя ракет при тепловых испытаниях, содержащая инфракрасные нагревательные панели на основе кварцевых галогенных ламп накаливания, с индивидуальным управлением по мощности нагрева, обтекатель, закрепленный на силовой тумбе, которая закрыта теплозащитным кожухом, а также термопары, установленные в нескольких контрольных точках по высоте обтекателя на внешней и внутренней его поверхностях, отличающаяся тем, что обтекатель для испытаний на тепловой нагрев должен полностью соответствовать натурному обтекателю, установленные на наружной поверхности контрольные термопары крепятся в местах напротив средней части нагревательных панелей, внутренние термопары располагаются строго напротив наружных, а датчики лучистого теплового потока, закрепленные на регулируемых штангах с теплозащитным кожухом из термостойкого материала, расположены напротив контрольных термопар на некотором расстоянии от поверхности обтекателя с направленным на нее чувствительным элементом датчика.

Изобретение иллюстрирует фигура.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, которое является стендом теплового нагрева натурных обтекателей, дополненный специально установленными измерительными датчиками температуры и лучистого теплового потока.

Схема теплового стенда содержит антенный обтекатель (объект испытаний) 1, закрепленный на силовой тумбе 2, закрытой теплозащитным кожухом 15, цилиндрические раздвижные инфракрасные нагревательные панели 3 и 4 с галогенными лампами накаливания, с установленными между ними защитными экранами 5 из термостойкого материала, а верхняя часть нагревательных панелей закрывается отражательными экранами 6 и 7 из термостойкого материала с высокой отражательной способностью. На обтекатель 1 устанавливаются контрольные термопары 8 и 9 на наружную поверхность (термопары T1-Т4) и на внутреннюю поверхность (термопары T11-Т44), причем термопары устанавливаются напротив средней части панелей 3 и 4, а внутренние термопары 9 закрепляются строго напротив наружных 8. Датчики 11 и 12 лучистого теплового потока, закрепленные на регулируемых штангах 13 и 14 с теплозащитным кожухом из термостойкого материала на наружной стороне и на внутренней стороне обтекателя 1, устанавливаются напротив контрольных термопар 8 и 9 на некотором расстоянии от поверхности обтекателя на наружной и внутренней стороне с направленным на нее чувствительным элементом датчика 11 и 12.

В качестве примера влияния степени черноты в расчетах теплового состояния конкретных обтекателей, можно привести результаты численного эксперимента изменения температуры на поверхности обтекателя (наружной и внутренней) в процессе нагрева обтекателя в полете при двух значениях ε=0,05 и ε=0,95, что соответствует двум предельным случаям: почти абсолютно белое - черное тело, или учет - не учет излучения с поверхности. Эксперимент, соответствующий реальному режиму полета обтекателя, показал, что учет излучения с наружной поверхности приводит к изменению температуры (уменьшению) на поверхности почти на 100К, а учет излучения с внутренней поверхности увеличивает перепад температур по толщине стенки почти на 180К, при максимальных значениях температур обтекателя всего 850К. Аналогичные результаты получены при испытании на образцах. В других расчетных случаях для более высоких температур нагрева в полете, которые соответствуют большим скоростям и высотам полета, эти отличия достигают еще больших величин, что доказывает важность учета степени черноты и его точное значение на натурных обтекателях, что повышает точность расчета и проведения испытаний обтекателей.

Определение степени черноты поверхности натурного обтекателя становится актуальной задачей, решение которой предложенным способом позволит более точно вычислить температуру на поверхности обтекателя, используемую для управления нагревом и уменьшить тем самым ошибку в режиме нагрева, увеличить точность теплового расчета обтекателя, используемого для оценки его прочности.


Способ определения степени черноты поверхности натурного обтекателя ракет при тепловых испытаниях и установка для его реализации
Способ определения степени черноты поверхности натурного обтекателя ракет при тепловых испытаниях и установка для его реализации
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 136 items.
10.10.2015
№216.013.80e9

Быстроразъемное соединение отсеков корпуса летательного аппарата

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, в частности к конструкциям герметичных разъемных соединений отсеков корпуса летательных аппаратов и, в особенности, к конструкциям герметичного соединения обтекателя с отсеком корпуса летательного аппарата. Быстроразъемное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564598
Дата охранного документа: 10.10.2015
10.10.2015
№216.013.824b

Способ изготовления трехслойной панели из композиционного материала

Изобретение относится к способам изготовления трехслойных панелей из композиционного материала и может быть использовано для получения панелей авиационной и космической техники, например для изготовления корпусных деталей фюзеляжа самолета. При формировании первой обшивки трехслойной панели по...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564952
Дата охранного документа: 10.10.2015
20.10.2015
№216.013.853c

Способ изготовления сотового заполнителя

Изобретение относится к способу изготовления сотового заполнителя из стеклоткани и может быть использовано в ракето-, самолето- и судостроении, строительной, мебельной и упаковочной промышленности при изготовлении трехслойных конструкций сложной кривизны. Способ включает нанесение клеевых полос...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002565711
Дата охранного документа: 20.10.2015
20.12.2015
№216.013.9b89

Способ тепловых испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА) и может быть использовано для проектирования аэродинамического теплового воздействия на головную часть (обтекатель) ракеты в наземных условиях. Предлагаемый способ воспроизведения аэродинамического нагрева...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571442
Дата охранного документа: 20.12.2015
27.02.2016
№216.014.bf1e

Способ получения полидисперсного порошка карбида бора

Изобретение относится к производству неорганических соединений, конкретно к карботермическому способу получения полидисперсных порошков карбида бора, предназначенных для получения на их основе абразивных порошков для шлифования и ударопрочной керамики. Способ включает смешивание борной кислоты...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002576041
Дата охранного документа: 27.02.2016
10.05.2016
№216.015.3bbc

Способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на головную часть (обтекатель) ракеты в наземных условиях. Сущность: осуществляют воспроизведение аэродинамического силового и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583353
Дата охранного документа: 10.05.2016
20.05.2016
№216.015.3f07

Способ контроля узла соединения керамического обтекателя

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА). Сущность: осуществляют силовое нагружение на сдвиг и измерение деформаций соединения. Силовое нагружение прилагают вдоль оси симметрии обтекателя через пуансон с упругой прокладкой, наружная поверхность...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584439
Дата охранного документа: 20.05.2016
13.01.2017
№217.015.6b5c

Устройство для измерения толщины стенки детали типа оболочка вращения

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения, а именно к устройствам для измерения толщины стенок пустотелых деталей вида оболочек вращения. Устройство для измерения толщины стенки детали типа оболочка вращения содержит основание с направляющими, на котором размещены...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592725
Дата охранного документа: 27.07.2016
13.01.2017
№217.015.6c04

Клиновое соединение

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для соединения полых трубчатых деталей и узлов конструкций ракет, эксплуатируемых в условиях воздействия высоких температур и вибраций, и направлено на повышение надежности соединения деталей и снижение трудоемкости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592767
Дата охранного документа: 27.07.2016
13.01.2017
№217.015.70c9

Способ получения высокотермостойкого радиопрозрачного материала (изделия) на основе фосфатного связующего и кварцевой ткани

Изобретение относится к области получения высокотермостойких радиопрозрачных материалов. Технический результат изобретения заключается в защите стеклоткани от термодеструкции, обеспечении диэлектрических и прочностных характеристик материала в режимах одностороннего нагрева до 1200°C при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002596619
Дата охранного документа: 10.09.2016
Showing 1-10 of 161 items.
27.01.2013
№216.012.2140

Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей скоростных ракет из пористой керамики. Технический результат заключается в упрощении конструкции и технологии изготовления антенного обтекателя из пористой керамики....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474013
Дата охранного документа: 27.01.2013
10.02.2013
№216.012.24d6

Антенный обтекатель

Заявленное изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и преимущественно может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей скоростных ракет из керамики. Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение радиотехнических характеристик керамических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474932
Дата охранного документа: 10.02.2013
27.09.2013
№216.012.70b5

Антенный обтекатель

Изобретение относится к области создания конструкций антенных обтекателей высокоскоростных ракет с оболочками из жаростойких керамических материалов. Технический результат - обеспечение работоспособности антенного обтекателя для условий одновременного удовлетворения воздействию превалирующих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002494504
Дата охранного документа: 27.09.2013
27.11.2013
№216.012.8649

Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может использоваться преимущественно в конструкциях высокоскоростных ракет различных классов. Технический результат - увеличение длительности эксплуатационного режима за счет сохранения прочности соединения металл-керамика при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500055
Дата охранного документа: 27.11.2013
10.12.2013
№216.012.89f8

Способ определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных керамических и стеклообразных материалов с учетом их прозрачности. Способ включает нестационарный нагрев поверхности образца в виде пластины радиационными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002501002
Дата охранного документа: 10.12.2013
10.03.2014
№216.012.a959

Способ получения кварцевой керамики с повышенной излучательной способностью

Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения, работающих в условиях воздействия высокотемпературных газовых потоков. Техническим результатом изобретения является снижение водопоглощения и повышение прочности и коэффициента черноты изделий. Способ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509068
Дата охранного документа: 10.03.2014
20.04.2014
№216.012.b8f0

Способ получения высокоплотного водного шликера на основе кварцевого стекла

Изобретение относится к керамической промышленности и может быть использовано при изготовлении изделий из кварцевой керамики методом водного шликерного литья в пористые формы. Предложен способ получения высокоплотного водного шликера на основе кварцевого стекла путем его помола в шаровой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513072
Дата охранного документа: 20.04.2014
20.04.2014
№216.012.ba2d

Способ изготовления антенного обтекателя из стеклокерамики литийалюмосиликатного состава

Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения типа керамической оболочки головного антенного обтекателя скоростных зенитных и авиационных ракет. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления и снижение температуры...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513389
Дата охранного документа: 20.04.2014
20.05.2014
№216.012.c33a

Способ изготовления изделий из кварцевой керамики

Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения из кварцевой керамики. Технический результат изобретения - повышение прочности и снижение пористости изделий из кварцевой керамики при сохранении других характеристик на высоком уровне. Предложен способ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515737
Дата охранного документа: 20.05.2014
27.05.2014
№216.012.cb38

Способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов

Изобретение относится к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на обтекатель ракеты в наземных условиях и может быть использовано при наземных испытаниях элементов летательных аппаратов. Заявленный способ включает нагрев наружной поверхности обтекателя за счет...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517790
Дата охранного документа: 27.05.2014
+ добавить свой РИД