Способ тепловых испытаний металлических шпангоутов керамических обтекателей

Авторы патента:

Тесленко Елена Анатольевна (RU)

Фокин Василий Иванович (RU)

Гусев Руслан Михайлович (RU)

Райлян Василий Семёнович (RU)

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

G01M9/04 - конструктивные элементы

G01B7/12 - для измерения диаметров

Владельцы патента RU 2649245:

Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" (RU)

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к воспроизведению тепловых режимов головной части (обтекатель) ракеты в наземных условиях. Предложен способ тепловых испытаний металлических шпангоутов керамических обтекателей, включающий нагрев шпангоута и контроль температуры. На наружной поверхности испытуемого шпангоута, монтируют керамическую скобу с продольным разрезом, вырезанную из юбки керамической оболочки обтекателя. На внутреннюю поверхность скобы нанесен слой герметика, воспроизводящий клеевой слой в узле соединения керамической оболочки и металлического шпангоута. Монтаж шпангоута в керамической скобе проводят за счет расширения продольного разреза клином. Нагрев шпангоута проводят с его внутренней стороны с синхронной регистрацией изменения ширины продольного разреза скобы. Среднее радиальное расширение рассчитывают по формуле:

где Δ - перемещение, измеренное в сечении, проходящей через ось штока датчика перемещений; R₀ - исходный радиус испытуемого шпангоута; ΔС - толщина скобы; ΔH - высота площадки для установки датчика перемещений относительно наружной поверхности скобы; Δh - расстояние оси штока до основания датчика перемещений. Технический результат - снижение вероятности появления дефектных обтекателей в процессе их производства. 2 ил.

Известно, что слабое место керамического обтекателя - это узел соединения металлического шпангоута с керамической оболочкой.

При тепловых испытаниях керамическая оболочка разрушается от силового взаимодействия с металлическим шпангоутом из-за разности теплового коэффициента линейного расширения (ТКЛР) металла и керамики. Для того чтобы этого не происходило, необходимо знать зависимость расширения шпангоута от температуры на всей траектории полета до его сборки с керамической оболочкой.

В настоящее время металлические шпангоуты испытываются в составе всей конструкции обтекателя, например, способ по патенту Российской Федерации №2571442, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликованного 20.12.2015 Бюл. №35. Такой подход достаточно затратный, так как в случае отрицательного результата бракуется обтекатель или вся партия. С технической стороны имеются ограничения применения методов и средств исследования напряженно-деформированного состояния керамической оболочки в зоне узла соединения с металлическим шпангоутом вследствие расположения нагревателей с внешней стороны обтекателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ тепловых испытаний керамических обтекателей ракет по патенту Российской Федерации №2531052, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликованного: 20.10.2014, Бюл. №29. В этом способе нагреву подвергается металлический шпангоут в зоне узла соединения оболочки со шпангоутом, причем температурный режим во времени соответствует фактической температуре шпангоута при аэродинамическом нагреве. Достоинство способа заключается в том, что он дает возможность воспроизвести и оценить напряженно-деформированное состояние керамической оболочки (максимально-приближенной к реальной) в узле соединения при одновременном воздействии тепловой и силовой нагрузками на обтекатель в наземных условиях. Однако прототип обладает тем же недостатком, что и аналог. Расширение шпангоута при тепловом нагружении может быть оценено только косвенно по напряженно-деформированному состоянию керамической оболочки. Если с керамической оболочкой был собран шпангоут с ТКЛР, не соответствующим техническим требованиям, и обтекатель при испытаниях разрушился, то бракуется изделие или вся партия.

Целью предлагаемого изобретения является испытание металлического шпангоута для оценки его теплового расширения и отбраковки его до сборки с керамической оболочкой.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение вероятности появления дефектных обтекателей в процессе их производства.

Эта цель достигается тем, что предложенный способ тепловых испытаний металлических шпангоутов керамических обтекателей, включающий нагрев шпангоута и контроль температуры, отличающийся тем, что на наружной поверхности испытуемого шпангоута, монтируют керамическую скобу с продольным разрезом, вырезанную из юбки керамической оболочки обтекателя, на внутреннюю поверхность скобы нанесен слой герметика, воспроизводящий клеевой слой в узле соединения керамической оболочки и металлического шпангоута, монтаж шпангоута в керамической скобе проводят за счет расширения продольного разреза клином, нагрев шпангоута проводят с его внутренней стороны с синхронной регистрацией изменения ширины продольного разреза скобы, а среднее радиальное расширение рассчитывают по формуле:

Это техническое решение позволит отбраковать металлические шпангоуты с ТКЛР, не соответствующим техническим требованиям до сборки оболочки с металлическим шпангоутом.

На фиг. 1 представлена схема проведения теплового испытания металлического шпангоута до сборки с керамической оболочкой, где цифрой 1 обозначено керамическое кольцо скобы 1 (вырезанного из зоны узла соединения оболочки и шпангоута данного типа обтекателя) со слоем герметика 2 на внутренней поверхности. На наружной поверхности кольца 1 смонтирован датчик перемещений 4 через теплоизолированные платформы 5, которые расположены по краям разреза кольца 1. Цифрой 3 обозначен испытуемый шпангоут, температура которого задается нагревателем, состоящим из инфракрасного излучателя 6 и теплоизолированной основы 7.

На фиг. 2 приведена схема скобы для вывода расчетной формулы (1), где цифрой 1 обозначено керамическое кольцо скобы, на наружной поверхности которого смонтирован датчик перемещения 2 через теплоизолированные платформы 3.

Взаимодействие металлического шпангоута с керамическим кольцом 1 через слой герметика при нагреве шпангоута можно описать системой уравнений 2-4 (см. фиг. 2.):

где δ - изменение длины окружности, образующейся на пересечении плоскости (перпендикулярной оси вращения шпангоута) со шпангоутом и проходящей через ось штока датчика перемещений.

Решая систему уравнений 2-4 относительно показаний датчика перемещений Δ находим, что:

Из (5) следует, что измерительная скоба 1 является своего рода усилителем среднего изменения радиального перемещения . Это дает возможность применить более простые измерители перемещений при малых изменениях . Это важно при исследованиях шпангоутов из материалов с малым ТКЛР, когда меняется в диапазоне десятка микрон.

Экспериментальные исследования со скобами из стеклокерамики показали, что по формуле (5) можно рассчитать среднее изменение радиуса шпангоутов из инвара при нагреве в пределах температур до 300°C.

Использование предлагаемого способа при входном контроле металлических шпангоутов из материалов с ТКЛР в диапазоне 0,5-10×10^-6/°C обеспечивает сокращение брака дорогостоящих изделий - керамических обтекателей ракет.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2571442, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликован 20.12.2015, Бюл. №35.

2. Патент Российской Федерации №2531052, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликован 20.10.2014, Бюл. №29.

Способ тепловых испытаний металлических шпангоутов керамических обтекателей, включающий нагрев шпангоута и контроль температуры, отличающийся тем, что на наружной поверхности испытуемого шпангоута монтируют керамическую скобу с продольным разрезом, вырезанную из юбки керамической оболочки обтекателя, на внутреннюю поверхность скобы нанесен слой герметика, воспроизводящий клеевой слой в узле соединения керамической оболочки и металлического шпангоута, монтаж шпангоута в керамической скобе проводят за счет расширения продольного разреза клином, нагрев шпангоута проводят с его внутренней стороны с синхронной регистрацией изменения ширины продольного разреза скобы, а среднее радиальное расширение рассчитывают по формуле:

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

Способ лазерной обработки неметаллических пластин // 2649054

Способ контроля качества многослойных композитных броневых преград из ткани и устройство для его осуществления // 2648552

Группа изобретений относится к области измерительной техники, а именно к способу контроля качества композитных броневых преград из ткани и устройству для его осуществления.

Способ исследования теплозащитных свойств высокотемпературных покрытий и устройство для его осуществления // 2647562

Изобретение относится к области технической физики, а именно к способам исследования теплозащитных свойств высокотемпературных покрытий и устройствам для их осуществления, и может быть использовано при испытаниях высокотемпературных покрытий деталей преимущественно газотурбинных двигателей (ГТД).

Способ определения устойчивости покрытий и устройство для его осуществления // 2647546

Изобретение относится к строительной области, включая дорожное строительство, а также к смежным областям и непосредственно касается методов и устройств, используемых для определения устойчивости покрытий, применяемых в условиях воздействия климатических перепадов температур и воздействия противогололедных материалов.

Система обнаружения дефектов на объекте // 2645443

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля вращающихся элементов авиационного двигателя. Объектами изобретения являются система и способ обнаружения дефектов на объекте, содержащий этапы, на которых: формируют изображение (13), характеризующее указанный объект (11), на основании сигналов (9), связанных с объектом, разбивают указанное изображение на участки (15) в соответствии с самоадаптирующимися разрешениями и вычисляют расхождения между различными участками для обнаружения аномального участка, указывающего на возможность повреждения.

Способ теплового неразрушающего контроля стабильности качества изделий из полимерных композиционных материалов в процессе их серийного производства // 2644031

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки стабильности технологии изготовления сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ).

Способ тестирования электронных компонентов // 2643239

Изобретение относится к электронной промышленности, в частности к средствам и методам тестирования электронных компонентов, в том числе при их производстве. Предложен способ тестирования электронных компонентов, включающий следующие этапы: осуществляют размещение по меньшей мере одного тестируемого электронного компонента на заданной позиции в емкости для тестирования; осуществляют опускание термогруппы, смонтированной над контактной поверхностью с контактными прессорами, расположенными в соответствии с расположением электронных компонентов, и содержащей по меньшей мере один элемент Пельтье, на указанный по меньшей мере один электронный компонент, причем прессоры соприкасаются с электронными компонентами без зазора; осуществляют управление питанием указанной термогруппы для достижения заданной температуры по меньшей мере одним указанным элементом Пельтье и по меньшей мере одним электронным компонентом, при этом изменение температуры при помощи прессоров происходит за счет теплопроводности; осуществляют тестирование параметров по меньшей мере одного электронного компонента при заданной температуре; прекращают тестирование электронных компонентов с последующим подъемом термогруппы и извлечением по меньшей мере одного электронного компонента из емкости для тестирования.

Диагностика промышленных процессов c помощью измерений температуры инфракрасного излучения // 2642931

Группа изобретений относится к диагностике систем управления и контроля в промышленных процессах. Способ проведения диагностики с помощью полевого устройства и идентификации в ответ на это диагностируемого состояния в промышленном процессе, содержит этапы, на которых: измеряют инфракрасные излучения из места в промышленном процессе с помощью матрицы инфракрасных датчиков, содержащей множество инфракрасных датчиков; сравнивают выходной сигнал с первого участка матрицы датчиков с выходным сигналом со второго участка матрицы датчиков; в ответ на сравнение предоставляют выходной сигнал, указывающий диагностируемое состояние, на основе соотношения между выходным сигналом от первого участка матрицы датчиков и выходным сигналом от второго участка матрицы датчиков, определенного на этапе сравнения.

Способ теплового контроля сопротивления теплопередачи многослойной конструкции в нестационарных условиях теплопередачи // 2640124

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

Покрытие для испытательного стенда для аэродинамических измерений транспортных средств // 2640116

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытательным стендам для аэродинамических испытаний транспортных средств, а именно к покрытиям стендов.

Устройство для изменения положения модели в рабочей части аэродинамической трубы // 2629696

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к устройствам для изменения положения испытываемой модели в рабочей части аэродинамической трубы.

Способ теплопрочностных испытаний обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов и установка для его реализации // 2625637

Изобретение относится к методике теплопрочностных испытаний носовых обтекателей и передних кромок воздухозаборника гиперзвуковых летательных аппаратов (далее ГЛА) с помощью инфракрасных нагревателей по программе гиперзвукового полета и касается способа создания большой величины плотности теплового потока (4-5 МВт/м2) и последующей передачи его на испытываемый объект в очень короткий срок (менее 0,1 с), в частности, на самую переднюю часть носового обтекателя или переднюю кромку воздухозаборника.

Способ торможения сверхзвукового потока // 2603705

Изобретение относится к аэродинамике летательных аппаратов сверхзвуковых и околозвуковых скоростей. Способ торможения сверхзвукового потока заключается в создании скачков уплотнения, движущихся относительно обтекаемой поверхности в направлении течения, со значениями скоростей меньшими разницы значений скоростей потока и скоростью звука перед скачками уплотнения.

Способ тепловых испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов // 2599460

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов и может быть использовано при наземных испытаниях элементов летательных аппаратов.

Способ тепловых испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов // 2571442

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.

Способ создания рабочего газа в импульсной аэродинамической трубе // 2567097

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для получения гиперзвукового потока углекислого газа в высокоэнтальпийных установках кратковременного действия типа импульсных аэродинамических труб с целью газотермодинамических исследований.

Стенд для определения подъемной силы крыла, установленного на корпусе реактивного двигателя // 2564785

Изобретение относится к испытаниям реактивных двигателей. Стенд для определения подъемной силы крыла, установленного на корпусе реактивного двигателя, содержит расположенную в аэродинамической трубе опорную стойку с подвижной платформой.

Рабочая часть аэродинамической трубы // 2547473

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано при проведении испытаний в трансзвуковых аэродинамических трубах. Рабочая часть аэродинамической трубы включает камеру давления, перфорированные стенки на границах потока и шумоглушащие сетки.

Способ теплового нагружения конструкций летательных аппаратов из неметаллических материалов // 2534362

Изобретение относится к области машиностроения и авиационно-космической отрасли промышленности и может быть использовано при проведении испытаний конструкции летательных аппаратов и их узлов (головных обтекателей) из неметаллических материалов на тепловые, а также комплексные термовибрационные и термовакуумные воздействия.

Устройство для определения параметров поперечного сечения полых корпусов турбомашины при стендовых испытаниях // 2620764

Изобретение относится к устройствам для определения параметров поперечного сечения полых тел, в частности полых корпусов турбомашины при стендовых испытаниях. Устройство содержит средство для крепления и перемещения, по меньшей мере, одного измерительного элемента, имеющего возможность взаимодействия с полым телом (испытуемым полым корпусом турбомашины).