Результат интеллектуальной деятельности: Способ теплопрочностных испытаний керамических обтекателей

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.

В настоящее время воспроизведение аэродинамического нагрева осуществляется в различных установках: аэродинамических трубах, баллистических установках, плазменных установках, стендах на основе сжигания топлива (прямоточных реактивных двигателях, которые отработали свой ресурс), стендах радиационного нагрева [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. - 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: ил.]. 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 теплопрочностных испытаний керамических обтекателей получили стенды радиационного нагрева, так как они просты в эксплуатации, позволяют достаточно легко изменять конфигурацию нагревателя в зависимости от геометрии конструкции. В таких стендах проходила наземная отработка большинства керамических обтекателей СССР и Российской Федерации.

Решения привели к совершенствованию методов и средств теплопрочностных испытаний керамических обтекателей в установках радиационного нагрева, однако их внедрение привело к частичному повышению информативности при определении запаса прочности с применением видеосъемки, когда происходит разрушение конструкции. Например, если материал внешней поверхности обтекателя одного цвета с цветом покрытия, то на экране монитора трудно различаются образования мелких трещин во времени, что затрудняет принятие оперативных решений в процессе испытаний. Кроме того, при покадровом анализе разрушения керамической конструкции затруднительно определить координаты начала разрушения.

Наиболее близким по технической сущности является способ задания тепловых режимов керамических обтекателей ракет (патент РФ №2451971, МПК G05D 23/19, B64G 7/00, G01N 17/00, опубл. 27.05.2012), в котором технический результат достигается за счет задания тепловых режимов керамических обтекателей ракет при радиационном нагреве путем автоматического регулирования температуры по конечному числу точек и изменения оптических свойств остальной части нагреваемой поверхности обтекателя за счет нанесения на наружную поверхность обтекателя покрытия, состоящего из двух высокотемпературных порошков: хром III окиси (Cr₂O₃) и диоксида алюминия (Al₂O₃).

Способ дает возможность повысить точность задания температурного поля на наружной поверхности обтекателя при тепловых испытаниях, однако в процессе определения запаса прочности на видеосъемке цвет покрытия может совпадать с цветом материала испытуемого изделия, что затрудняет проявление картины разрушения. Кроме того, покрытие для выравнивания степени черноты поверхности может содержать связующие материалы, что упрочняет связь покрытия с поверхностью обтекателя, ограничивает возможность определения места начала разрушения, например при распоре керамической оболочки в нескольких местах.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение информативности при определении запаса прочности керамических обтекателей в процессе теплопрочностных испытаний.

Технический результат достигается тем, что предложен способ теплопрочностных испытаний керамических обтекателей, включающий радиационный нагрев, силовое нагружение и видеосъемку наружной поверхности керамической оболочки обтекателя, отличающийся тем, что в местах концентраторов напряжений наносится порошкообразное покрытие со степенью черноты резко отличающейся от степени черноты материала поверхности конструкции, причем порошкообразное покрытие наносится без связующего.

На частицу порошкообразного покрытия в исходном состоянии действуют следующие силы: сила тяжести Р, электрическая сила F_э, если керамическая оболочка наэлектризована и сила трения покоя F_тр. В процессе разрушения керамической оболочки на частицу, вблизи границы образования трещины, действует еще динамическая сила F, которая возникает в процессе образования трещин.

Соотношение этих сил описано системой уравнений:

где m - масса частицы;

g - ускорение свободного падения;

k - коэффициент трения;

w - ускорение частицы на границе распространения трещины.

При F>0 частицы порошкообразного покрытия выбрасываются с поверхности изделия, тем самым проявляется цвет материала оболочки (см. чертеж).

Месту начала разрушения соответствует максимум плотности потенциальной энергии:

где Е - модуль упругости материала керамической оболочки;

ε - относительная деформация в месте начала разрушения (до начала разрушения), тогда максимум ускорения w-частицы будет в начале разрушения, причем, чем ближе частица будет к границе начала разрушения, тем больше будет ускорение.

Нанесение на наружную поверхность обтекателя порошкообразного покрытия цветом, резко отличающимся от цвета материала изделия, позволяет проявить картину разрушения изделия на экране монитора в процессе испытаний.

На чертеже представлен кадр видеозаписи в момент разрушения изделия. В местах появления трещин (1), образовавшихся при разрушении оболочки изделия, происходит осыпание покрытия, что указывает на их наличие и расположение. При появлении трещин, например при распоре, оператор может успеть остановить процесс нагружения, что позволит избежать разрушение изделия и оснастки испытательного стенда. Если процесс происходит взрывообразно, то нанесенное покрытие позволяет при по кадровом анализе оценить картину разрушения во времени, что дает возможность быстрее выяснить причину разрушения.

Экспериментальные исследования с разными порошкообразными покрытиями показали, что при испытаниях керамических элементов летательных аппаратов лучше всего использовать покрытия на основе диоксида хрома для светлых материалов, а для материалов темных цветов покрытия из диоксида алюминия (Al₂O₃) или окиси кремния (SiO₂).

Предлагаемое изобретение повышает процесс выявления трещин при проведении испытаний на мониторе. При покадровом анализе процесса разрушения, улучшается видимость картины распространения трещин. Тем самым создаются условия для более точного определения места начала разрушения.