Способ тепловых испытаний керамических обтекателей

Изобретение относится к способам моделирования и управления тепловыми процессами и может использоваться при тепловых испытаниях оболочек летательных аппаратов.

Известны способы контроля теплового нагружения авиационных конструкций при моделировании аэродинамического нагрева, распространяющегося на методы внешнего нагрева (инфракрасный, конвективный и за счет теплообмена теплопроводностью через контакт с нагретым телом), например способы по патентам РФ №№ 2626406, 2646245, 2599460, 2632031, 2531052, 2676385, 2571442, 2451971, 2517790, 2525844, 2548617. Эти способы заключаются в том, что тождественность нагрева по заданному режиму определяется по равенству заданных и контролируемых в процессе нагрева условий теплообмена на границах конструкции. Один из этих способов заключается в контроле распределения плотности теплового потока через каждый элемент поверхности (граничное условие второго рода), другой – в контроле распределения температуры (граничное условие первого рода).

К недостаткам контроля граничного условия второго рода сложность измерения плотности тепловых потоков в установках радиационного нагрева, поэтому при тепловых испытаниях обтекателей в установках радиационного нагрева тепловые режимы задаются по температуре фронтальной поверхности.

Способ контроля граничных условий первого рода тоже обладает недостатком – это большая погрешность методов измерения температуры на внешней поверхности неметаллических материалов, например керамики, связанных с разностью теплофизических свойств материала объекта испытаний и контактного термоприемника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Способ тепловых испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов" по патенту РФ №2632031, МПК G01N 25/72, публикация от 02.10.2017 г.

В прототипе для повышения точности задания температурного поля на фронтальной поверхности применяется продув оболочки со стороны носка и со стороны отражательных экранов инфракрасных нагревателей, т.е. техническое решение направлено на повышение точности задания граничных условий. Из сказанного следует, что прототип по патенту №2632031 обладает теми же недостатками, что и другие способы при задании граничных условий первого рода.

Целью настоящего изобретения является повышение точности контроля теплового нагружения керамических оболочек вращения за счет контроля косвенных параметров, определяющих тепловое нагружение, погрешность измерения которых мала. Например, изменение диаметра внутренней поверхности оболочки вследствие теплового расширения.

Поставленная цель достигается тем, что предложен способ тепловых испытаний керамических обтекателей, включающий нагрев наружной поверхности по заданному режиму и измерение температуры, отличающийся тем что для изделий из партии при нагреве синхронно с измерением температуры наружной и внутренней поверхностей регистрируются диаметральные перемещения в заданных сечениях, при этом температурный режим задается по температуре наружной поверхности, а для следующих изделий подлежащих испытанию в случае выхода из строя термопар в обратной связи, тепловой режим задается по уровню диаметральных перемещений, полученных по результатам испытаний предыдущих изделий из партии, причем качество испытания всей партии оценивается по разнице минимума и максимума результатов измерения диаметральных перемещений по всей партии.

В основу предлагаемого способа положена зависимость перемещения внутренней поверхности оболочки от среднеинтегральной температуры по стенке оболочки. Согласно (А.Д. Коваленко. Термоупругость.- К.: Вища школа. -1975, - с.88.) зависимость радиального перемещения точек цилиндрической оболочки от температурного профиля по стенке имеет вид:

, (1)

где , , , – средний коэффициент линейного теплового расширения в интервале температур , – коэффициент Пуассона, – внешний радиус цилиндра, – относительный радиус, – начальная температура.

Из формулы (1) вытекает зависимость изменения диаметра внутренней поверхности (ρ = ρ₁):

, (2)

где r₁ – внутренний радиус цилиндра.

Формулу (2) можно преобразовать к виду:

; (3)

где .

Формула (3) показывает, что изменение диаметра пропорционально изменению среднеинтегральной температуры по стенке оболочки.

Одним из условий тождественности теплового нагружения является равенство фактически получаемых значений температур и значений заданного температурного профиля по стенке оболочки в процессе нагрева. В то же время, равенству температурного профиля по стенке в процессе внешнего нагрева при одних и тех же теплофизических характеристиках, начальных условиях и геометрии оболочки соответствует равенство среднеинтегральных температур. Учитывая это, а также выражение (3), можно утверждать, что равенство радиального перемещения внутренней поверхности оболочки заданным значениям в процессе тепловых испытаний является условием тождественности внешнего нагрева.

Схематично способ контроля представлен на фигуре.

Перед тепловыми испытаниями внутрь оболочки 1 монтируется охлаждаемый датчик линейных перемещений 2. Нагрев осуществляется нагревателем, состоящим из инфракрасных излучателей 3 и отражательных экранов 4 причем в процессе нагрева фронтальной поверхности оболочки 1 регистрируются показания датчика перемещений 2. Далее, сравнивая полученные данные с эталонными значениями, производится корректировка нагрева в ручном или автоматическом режиме. Цифрами 5 обозначены термопары на фронтальной поверхности, а цифрой 6 термопары на внутренней поверхности оболочки.

Представленный способ может быть использован для контроля внешнего нагрева керамических оболочек вращения при тепловых испытаниях различными методами нагрева: инфракрасным, конвективным и теплопроводностью через контакт с нагретым телом. Кроме того, способ может быть использован для оценки качества теплопрочностных испытаний данного типа обтекателей во времени.