Способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов

Авторы патента:

Алексеев Дмитрий Владимирович (RU)

Фокин Василий Иванович (RU)

Райлян Василий Семёнович (RU)

Русин Михаил Юрьевич (RU)

Неповинных Виктор Иванович (RU)

G01N25/72 - обнаружение локальных дефектов (путем определения коэффициента теплопроводности G01N 25/18)

G01M9/04 - конструктивные элементы

Владельцы патента RU 2517790:

Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (RU)

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 пропускания электрического тока через эквидистантный этой поверхности нагреватель в виде токопроводящей тонкостенной оболочки переменной толщины по высоте, контактирующей с ограничителем из теплоизоляционного материала, также эквидистантным наружной поверхности обтекателя, и измерение температуры. Токопроводящая тонкостенная оболочка расположена к наружной поверхности обтекателя с зазором, в который нагнетают инертный газ под давлением, а ограничитель из теплоизоляционного материала выполнен пористым. Технический результат - расширение температурного диапазона воспроизведения теплового поля на наружной поверхности обтекателей из неметаллических материалов при наземной отработке конструкции. 1 ил.

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) (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.: 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 испытаний получили стенды радиационного нагрева, так как они просты в эксплуатации, позволяют достаточно легко изменять конфигурацию нагревателя в зависимости от геометрии конструкции обтекателя.

Однако стандартные стенды радиационного нагрева (на базе ламп инфракрасного излучения) имеют ряд ограничений. Для элементов летательных аппаратов сложной формы, когда геометрические размеры конструкции сравнимы с размерами нагревателей, присутствует большая погрешность задания температурного поля. Кроме того, при задании высоких температур (выше температуры смягчения кварца) инфракрасные нагреватели выходят из строя.

Наиболее близким по технической сущности является способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов по патенту (Пат. №2456568 Российская Федерация, МПК⁷ G01M 9/04, G01N 25/72, опубл. 20.07.2012). В этом способе тепловое нагружение осуществляют за счет контакта нагревателя с испытуемым образцом, что ограничивает нагрев испытуемого объекта температурой плавления материала. Кроме того, при высоких температурах наблюдается химическое взаимодействие материала нагревателя с материалом обтекателя.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение температурного диапазона воспроизведения теплового поля на наружной поверхности обтекателей из неметаллических материалов при наземной отработке конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов, включающем нагрев наружной поверхности обтекателя за счет пропускания электрического тока через эквидистантный этой поверхности нагреватель в виде токопроводящей тонкостенной оболочки переменной толщины по высоте, контактирующей с ограничителем из теплоизоляционного материала, также эквидистантным наружной поверхности обтекателя, и измерение температуры, токопроводящая тонкостенная оболочка расположена к наружной поверхности обтекателя с зазором, в который нагнетают инертный газ под давлением, а ограничитель из теплоизоляционного материала выполнен пористым, причем толщину токопроводящей оболочки по высоте определяют по формуле

$δ_{i} = \frac{ρ I^{2}}{2 π^{2} R_{i} (2 R_{i} + Δ h_{i} t g α) (q_{i} + ε c_{0} {(\frac{T_{i}}{100})}^{4})}, (1)$

где δ_i - толщина нагревателя в i-м секторе; I - сила тока в электрической цепи; ρ - удельное сопротивление токопроводящего материала; R_i - расстояние от оси изделия до нагревателя в i-м секторе; Δh_i - высота i-го сектора; α - угол наклона поверхности i-го сектора относительно оси обтекателя; q_i - требуемая плотность теплового потока на изделии в i-м секторе; ε - степень черноты поверхности изделия в i-м секторе; c₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела; T_i - требуемая температура на поверхности изделия в i-м секторе.

При выводе формулы (1) сделано допущение, что вся энергия, выделяемая нагревателем, распределяется по наружной поверхности обтекателя. Это допущение справедливо, если теплопроводность материала ограничителя много меньше теплопроводности материала обтекателя.

Предлагаемый способ изменяет вид передачи энергии от нагревателя; передача энергии за счет непосредственного контакта преобразовывается в радиационный нагрев, так как между нагреваемой поверхностью и нагревателем образуется прозрачный зазор, в котором нагнетается инертный газ. Наличие инертного газа в зазоре под давлением при пористом ограничителе из теплоизолирующего материала приводит к тому, что материал нагревателя омывается газом. Это расширяет температурный диапазон работы нагревателя. Например, для нагревателя из углеродных тканей максимальная рабочая температура может достигать 2400°C, а для нагревателя из вольфрамовой фольги - до 3000°C.

Способ иллюстрирует схема, представленная на фигуре. Нагреватель 2 располагают между обтекателем 1 и ограничителем из теплоизоляционного материала 3, причем в зазоре между нагревателем 2 и обтекателем 1 нагнетают инертный газ, а для подачи напряжения на нагреватель 2 используют шины 4.

Заявленный способ дает возможность воспроизвести аэродинамический нагрев обтекателей ракет из неметаллических материалов при высоких температурах, например для изделий из керамики до 2000°C на наружной поверхности.

Нагреватель может быть выполнен из углеродных тканей или фольги из тугоплавких материалов, например из вольфрама или молибдена. При выполнении нагревателя из металлической фольги его поверхность должна быть перфорирована.

Способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов, включающий нагрев наружной поверхности обтекателя за счет пропускания электрического тока через эквидистантный этой поверхности нагреватель в виде токопроводящей тонкостенной оболочки переменной толщины по высоте, контактирующей с ограничителем из теплоизоляционного материала, также эквидистантным наружной поверхности обтекателя, и измерение температуры, отличающийся тем, что токопроводящая тонкостенная оболочка расположена к наружной поверхности обтекателя с зазором, в который нагнетают инертный газ под давлением, а ограничитель из теплоизоляционного материала выполнен пористым, причем толщину токопроводящей оболочки по высоте определяют по формуле
$δ_{i} = \frac{ρ I^{2}}{2 π^{2} R_{i} (2 R_{i} + Δ h_{i} t g α) (q_{i} + ε c_{0} {(\frac{T_{i}}{100})}^{4})}$
где δ_i -толщина нагревателя в i-м секторе; I - сила тока в электрической цепи; ρ - удельное сопротивление токопроводящего материала; R_i - расстояние от оси изделия до нагревателя в i-м секторе; Δh_i - высота i-го сектора; α - угол наклона поверхности i-го сектора относительно оси обтекателя; q_i - требуемая плотность теплового потока на изделии в i-м секторе; ε - степень черноты поверхности изделия в i-м секторе; c₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела; T_i - требуемая температура на поверхности изделия в i-м секторе.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при диагностике неразъемных соединений, в частности для контроля качества паяных соединений камер сгорания и сопел жидкостных ракетных двигателей.

Устройство определения сопротивления теплопередачи многослойной конструкции в реальных условиях эксплуатации // 2512663

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для технической диагностики неоднородных конструкций. Устройство для определения сопротивления теплопередачи многослойной конструкции включает датчики температуры и теплового потока и тепловизионное устройство.

Способ активного одностороннего теплового контроля скрытых дефектов в твердых телах // 2509300

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано для контроля скрытых дефектов. Согласно заявленному способу активного одностороннего теплового контроля скрытых дефектов в твердых телах нагревают одну из поверхностей объекта контроля в течение фиксированного времени оптическим излучением источника нагрева и регистрируют нестационарное температурное поле этой поверхности в виде последовательности термограмм.

Способ теплового контроля надежности конструкций из полимерных композиционных материалов по анализу внутренних напряжений и устройство для его осуществления // 2506575

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежностей конструкций из полимерных композиционных материалов. Способ включает силовое воздействие на поверхность конструкции и регистрацию обусловленных им изменений.

Термоэлектрический способ неразрушающего контроля качества поверхностного слоя металла // 2498281

Использование: для неразрушающего контроля качества поверхностного слоя металла. Сущность: заключается в том, что используют две группы одинаково нагретых электродов из одного материала, устанавливают одну группу нагреваемых электродов на контролируемое изделие, а другую па эталонный образец, измеряют разностную термоЭДС, возникающую при контакте первой группы нагреваемых электродов с контролируемым изделием и второй группы нагреваемых электродов с эталоном, о качестве поверхностного слоя судят по ее величине, при этом сначала измеряют температуру контролируемого изделия, используя которую изменяют температуру групп нагреваемых электродов таким образом, чтобы используемая при измерении термоЭДС разностная температура между первой группой нагреваемых электродов и контролируемым изделием, а также между второй группой нагреваемых электродов и эталоном оставалась одинаковой при любых колебаниях температуры контролируемого изделия и эталона, после чего измеряют разностную термоЭДС.

Способ управления промышленной безопасностью и диагностики эксплуатационного состояния промышленного объекта // 2494434

Изобретение относится к области управления промышленной безопасностью и технической диагностики, в частности к контролю напряженно-деформированного состояния таких объектов, как сосуды, аппараты, печи, строительные конструкции, трубопроводы, находящихся под действием механических и/или термомеханических нагрузок, с использованием анализа распределения температурных полей на поверхности объекта и связанного с ними распределения механических напряжений.

Способ оценки газосодержания материалов с покрытиями // 2481569

Изобретение относится к области исследования качества деталей с гальваническими покрытиями, в частности к оценке степени газосодержания поверхностей деталей с защитными гальваническими покрытиями.

Способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительной конструкции // 2480739

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для технической диагностики неоднородных конструкций, например зданий и сооружений, по сопротивлению теплопередаче.

Способ обнаружения дефекта в материале и система для этого способа // 2476867

Способ неразрушающего теплового контроля состояния арматуры в протяженных железобетонных изделиях // 2473892

Изобретение относится к неразрушающему тепловому контролю и может быть использовано для контроля состояния протяженных железобетонных изделий, имеющих основную металлическую продольную несущую арматуру (например: опоры линий электропередач, балки, сваи, трубы и т.п.), применяемых в различных отраслях хозяйства в процессе производства, строительства и эксплуатации.

Устройство для управления гибкими стенками сопла аэродинамической трубы // 2506556

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к аэродинамическим трубам с регулируемыми соплами. Устройство состоит из силового механизма, изменяющего его контур по заданной программе, и командного устройства, управляющего этой программой.

Устройство для согласования приводных рядов гибких стенок сопла аэродинамической трубы // 2506555

Изобретение касается систем управления в экспериментальной аэродинамике, в частности к аэродинамическим трубам с регулируемыми соплами. Устройство содержит контроллер управления приводами ведомых рядов гибких стенок сопла, приводы управления гибкими стенками сопла, цифровые датчики обратной связи, а также командное устройство, цифровой блок вычисления заданного положения ведомых рядов в функции измеренного положения ведущего ряда, а также цифровой датчик положения ведущего ряда и переключатель режима работы.

Способ управления гибкими стенками сопла аэродинамической трубы // 2506554

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к аэродинамическим трубам с регулируемыми соплами. Способ заключается в том, что управление гибкими стенками сопла осуществляют автоматическими приводными механизмами по заданной программе.

Способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов // 2456568

Изобретение относится к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на головную часть (обтекатель) ракеты в наземных условиях и может быть использовано при наземных испытаниях элементов летательных аппаратов.

Устройство для имитации условий обледенения при стендовых испытаниях авиационных газотурбинных двигателей в термобарокамере с присоединенным трубопроводом // 2451919

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационной промышленности при проведении наземных испытаний объектов авиационной техники, подвергающихся обледенению в естественных условиях эксплуатации.

Динамический успокоитель колебаний аэродинамической модели // 2375691

Изобретение относится к области аэродинамических испытаний и предназначено для использования в аэродинамических трубах. .

Способ наземных испытаний объектов авиационной техники, подвергающихся обледенению, и устройство для его осуществления // 2345345

Устройство для разрыва мембраны в одноимпульсной ударной трубе // 2249805

Изобретение относится к испытательной технике. .

Способ определения аэродинамических характеристик транспортного средства на модели транспортного средства и устройство для определения аэродинамических характеристик транспортного средства // 2075740

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике и может быть использовано в отраслях промышленности, занимающихся проектированием и созданием транспортных средств различного назначения.

Встраиваемый элемент для смесительных камер аэродинамических установок // 2041455

Изобретение относится к аэродинамике и может быть использовано в конструкциях аэродинамических установок. .

Пусковой затвор струйного аппарата высокого давления // 2529920

Изобретение относится к области авиации, в частности к технике экспериментов в аэродинамических трубах кратковременного (импульсного) действия с продолжительностью пуска порядка 40 миллисекунд, работающих при высоких давлениях и температурах газа. Пусковой затвор струйного аппарата высокого давления содержит корпус, заслонку с отверстием, связанную с пневматическим приводом заслонки. Заслонка имеет длину, в шесть раз и более превышающую диаметр открываемого канала трубы. Отверстие в заслонке выполнено прямоугольным, при этом его ширина перпендикулярна оси пускового затвора и равна диаметру канала трубы, а длина параллельна оси пускового затвора и в 1.5 раза и более превышает диаметр канала трубы. Пневматический привод заслонки содержит шток, присоединенный к заслонке, поршень, цилиндр с расположенными в его передней части окнами, перекрываемыми поршнем, и цилиндрическим обводным каналом, расположенным в середине цилиндра и соединяющим полости, находящиеся по обе стороны поршня, а также аккумулятор сжатого воздуха, окружающий цилиндр, и гидравлический тормоз, содержащий цилиндрическую камеру, расположенную непосредственно за цилиндром и переходящую в сужающийся конус. 1 ил.