Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов - Афанасьев В.А.
ISBN 5-7035-0318-3
Скачать (прямая ссылка):
174
По окончании испытаний производят внешний осмотр и измеряют па-гетры, указанные в программе испытаний и технических условиях.
2.3.
Испытания на воздействие термических факторов
Широкий диапазон температурных нагрузок (от 150 до 3000°С), действующих на различные элементы КЛА в процессе эксплуатации, влияет как на прочностные характеристики конструкции, так и на процессы функционирования ЛА и его бортовых систем. Особенно сложной является задача проведения экспериментальных исследований при нестационарных температурных полях. Выбор метода нагрева конструкции ЛА при стендовой отработке связан с возможностью воспроизведения максимальных уровней температуры и их перепадов. В связи с этим к нагревательным системам в высокотемпературных установках для испытаний элементов конструкции предъявляют следующие основные требования:
1. Возможность получения высоких (заданных) температур и тепловых потоков с большой (заданной) плотностью.
2. Обеспечение заданного температурного поля на поверхности испытуемого объекта или получение заданного закона распределения плотности теплового потока по нагреваемой поверхности или закона ее изменения по времени полета.
3. Отсутствие побочных эффектов влияния нагревательного устройства на испытуемый объект (например, химического взаимодействия).
4. Отсутствие ограничения для деформаций испытуемой конструкции.
5. Возможность приложения силовых нагрузок к испытуемой конструкции и измерения ее перемещений, деформаций и температур.
6. Возможность наблюдения за поведением конструкции в процессе нагревания.
7. Экономичность процесса нагрева и применение дешевого, простого и надежного в эксплуатации оборудования.
2.3.1.
Основные методы нагрева
При термических испытаниях используются следующие методы нагрева: конвективный, радиационный (лучистый), индук-
175
ционный, кондуктивный, электронный, пропусканием тока. Возможна также комбинация перечисленных методов.
Конвективный метод нагрева основан на переносе теплоты от жидкости или газа, нагретых до более высокой температуры, к испытуемой конструкции. Конвекция может быть двух видов: свободной и вынужденной.
Свободной (естественной) конвекцией называется движение жид. кости, возникающее под действием разности плотностей неравномерно нагретых масс жидкости.
Вынужденной конвекцией называется движение жидкости, возникающее под действием внешней силы (насоса, вентилятора и т.д.). Расчет конвективного теплообмена производится на основе закона Ньютона — Рихмана по формуле
где О — количество теплоты, Дж; а — коэффициент теплообмена, Вт/(мг К); — площадь поверхности теплообмена, м2; Тж — среднее значение температуры жидкости (теплоносителя), К; Гц/ — температура омываемой стенки, К; т — время взаимодействия, с.
Коэффициент теплопередачи а зависит от характера движения жидкости (ламинарный или турбулентный), физических свойств жидкости, скорости движения жидкости, формы сечения объекта испытания, от расстояния до носка или передней кромки, от длины канала, положения омываемой поверхности в пространстве, шероховатости и ряда других факторов.
Значение коэффициента теплопередачи а либо определяется по эмпирическим формулам, получаемым при обработке опытных данных на основе теории подобия, либо получается непосредственно по опытным данным для аналогичных случаев.
Наиболее полное моделирование осуществляется в том случае, когда тепловое воздействие нагревательного устройства стенда эквивалентно аэродинамическому нагреву и когда на испытательном стенде удается получить конвективный подвод тепла и лучистый отвод такой же, как в полете. В этом случае обшивка КЛА окружается экраном (или кожухом), под которым продувается горячий воздух. При этом применяются два основных способа моделирования аэродинамического нагрева в эквивалентном по тепловому воздействию потоке: первый основывается на применении газодинамических стендов с холодным, а второй — с горячим кожухом.
Источниками нагрева могут быть турбореактивные двигатели, газоплазменные нагреватели, жидкостные реактивные двигатели, электродуговые нагреватели и др.
На рис. 2.75 показана принципиальная схема работающего от ком*
176
прессора стенда для имитации нагрева обшивки ЛА с применением холодного кожуха. В качестве источника применен газоплазменный нагреватель газа. Необходимо, чтобы при испытаниях на таком стенде температура восстановления Т^сст конструкции и коэффициенты теплопередачи а совпадали с температурой восстановления и коэффициентами теплопередачи в полете. (Твосст — это температура пограничного газового потока в непосредственной близости от поверхности тела.)
Рис. 2.75. Схема стенда с применением холодного кожуха: I - подвод воздуха от компрессора; 2 - кожух стенда; 3 - отбойная стенка; 4 - ЛА; 5 - зона нагрева воздуха; б - форсунки для подачи горючего
На таком газодинамическом стенде требуется предварительный расчет Гпол и <Хп0Л. Такой расчет обычно проводят с достаточной точностью по геометрическим обводам изделия, параметрам траектории полета и приближенной оценке температур поверхностей. Воспроизведение полетных тепловых режимов по этой методике не требует предварительного точного решения задачи нестационарного распространения тепла в конструкции. При таком методе воспроизведения тепловых условий может быть получена точность моделирования аэродинамического нагрева, превышающая точность предварительного расчета температур поверхности. Исходя из соотношений 7*ст - ТП0Л, <хст - ССп0Д, можно найти величину расхода воздуха через стенд, а также контур стендового канала, необходимые для воспроизведения полетных тепловых режимов.
