В головной программе описываются массивы переменных и параметров, открывается файл для записи результатов, описываются в операторах FORMAT спецификации, в соответствии с которыми результаты решения задачи выводятся в открытый для их записи файл, вызываются подпрограммы и осуществляется вывод результатов.

Геометрическая модель имитатора и радиационные характеристики его модулей задаются в подпрограмме с именем IKI0.

Геометрическая модель испытуемого объекта и радиационные характеристики его поверхностей (интегральные или спектральные), внешние тепловые нагрузки вводятся в подпрограмме с именем OBEKT. Геометрическая модель вводится в виде координат точек поверхности в какой либо связанной с объектом системе координат.

Формирование треугольных граней на поверхности объекта, их нумерация, вычисление площадей граней, координат их центральных точек и направляющих косинусов нормалей каждой грани осуществляется в подпрограмме с именем GRANI.

В подпрограмме с именем STEND происходит перевод всей геометрической информации об испытуемом объекте из связанной с ним системы координат в стендовую систему координат, т.е. в систему координат имитатора.

Возможное затенение одних граней объекта другими от излучения, исходящего от модулей имитатора, выявляется в подпрограммах с именами UKFT00 и UKFT.

Угловые коэффициенты между тепловоспринимающими элементами испытуемого объекта и излучателями имитатора вычисляются в подпрограммах с именами BOK0 и TOREZ0. При этом в первой подпрограмме определяются угловые коэффициенты с излучателями, расположенными на условной цилиндрической части имитатора, а во второй - с излучателями торцевой поверхности имитатора.

Коэффициенты нормальной системы уравнений определяются в подпрограмме KFT.

Оптимальное распределение подводимой к модулям имитатора электрической мощности, а также значения радиационной температуры излучателей имитатора выявляются в подпрограмме с именем INT.

Погрешности воспроизведения заданных тепловых нагрузок определяются в подпрограмме DELTA. При этом вычисляются локальные погрешности, а также среднеинтегральная и среднеквадратичная погрешности.

Лекция N 14

Тема лекции: Экспериментальное исследование тепловой защиты КА.

Задачи экспериментального исследования

Успешное применение в конструкции тепловой защиты теплозащитных материалов зависит от того, насколько подробно изучены поведение и свойства материалов в различных условиях конвективного и радиационного нагрева. Воспроизведение подобных условий является, как правило, очень сложной технической задачей, требующей значительных материальных затрат. Поэтому экспериментальное исследование взаимодействия теплозащитных материалов с высокотемпературной средой проводится последовательно в три основных этапа.

---

Сначала проводят сравнительные (отборочные) испытания вновь разработанных рецептур теплозащитных материалов. Параметры среды и метод испытания подбирают таким образом, чтобы выявить наиболее важные свойства материала, характеризующие его поведение и возможности в заданных условиях. Сравнительные испытания проводят при постоянных параметрах набегающего потока на одном режиме работы установки. При исследованиях такого типа необходимо учитывать воспроизводимость условий испытаний, надежность и точность методов контроля параметров высокотемпературной среды, достаточность объема получаемой информации для того, чтобы с заданной точностью проводить сравнение материалов. По результатам сравнительных испытаний отбирают наиболее эффективные материалы, которые подлежат дальнейшему изучению.

Второй этап исследований посвящен изучению механизма разрушения материала и определению его основных характеристик в широком диапазоне изменения параметров высокотемпературной среды (энтальпии, давления, скорости, cостава). Результаты этих исследований используются для построения модели разрушения материала, проверки теоретических методов расчета, рекомендации области преимущественного использования данного материала и т.п.

Третий этап исследований охватывает широкий круг вопросов, связанных с изучением теплофизических свойств материалов, в том числе степени черноты поверхности, теплоты физико-химических превращений, молекулярной массы продуктов разложения связующего и ряда других свойств, которые могут зависеть от характера воздействия набегающего потока, а также технологии изготовления, структуры наполнителя и связующего и т.д. Проведение исследований такого типа требует разработки специальных методик и целого комплекса измерений в условиях высокотемпературной среды.

Резюмируя сказанное, можно следующим образом сформулировать основные задачи экспериментальных исследований разрушающихся теплозащитных материалов:

1) Проведение сравнительных испытаний вариантов теплозащитных материалов при определенных “ стандартных” режимных параметрах, обусловленных условиями их будущего применения.

2) Выяснение определяющего механизма разрушения при изменении условий воздействия потока в широких пределах, в том числе и в нестационарных тепловых условиях, с последующим использованием этой модели для расчета теплозащитных свойств покрытия и выбора необходимой толщины теплозащитных материалов.

3) Определение теплофизических и кинетических характеристик разрушающихся теплозащитных материалов в условиях, моделирующих натурные.

Проведенный в курсе “ Тепловое проектирование КА” анализ конвективного и радиационного теплового воздействия, а также исследование различных механизмов разрушения позволяет указать следующие основные параметры, воспроизведение которых важно при экспериментальной отработке теплозащитных материалов:

---

1) энтальпия заторможенного потока газа ;

2) химический состав набегающего газового потока, в особенности концентрация химически активных компонент;

3) давление заторможенного потока газа ;

4) режим течения в пограничном слое – ламинарный или турбулентный;

5) уровень сдвигающих напряжений на разрушающейся поверхности - градиент давления, силы трения ( и ).

Указанный перечень, конечно, не может считаться достаточно полным для всех этапов отработки теплозащитных материалов. В нем указаны лишь те параметры, которые влияют на механизм разрушения в условиях конвективного нагрева.

При анализе совместного конвективного и лучистого теплового воздействия на материал появляются дополнительные определяющие параметры, причем главные из них - отношение тепловых потоков и энтальпия торможения .

Что касается габаритов модели, то они должны быть достаточно большими, чтобы исключить неодномерность прогрева материала, а также зависимость результатов испытаний от соотношения между структурой материала и размеров модели.

Так как при лабораторной отработке теплозащитных материалов обычно не удается смоделировать сразу все перечисленные особенности теплового и силового воздействия, то выбирают такую методику, которая позволяет воспроизводить наиболее важные параметры набегающего потока газа, т. е. Ставится задача о частичном моделировании одного или нескольких параметров и о переносе результатов отдельных экспериментальных исследований на натурные условия с помощью теоретических моделей разрушения. Это требует осуществления комплексных программ испытаний при высоких точности измерения всех важнейших параметров потока.

Экспериментальные высокотемпературные установки для отработки теплозащитных покрытий

Для экспериментального исследования разрушающихся теплозащитных материалов используют различные высокотемпературные установки, в их числе:

стендовые ракетные двигатели;

установки с электродуговым нагревом воздуха и других газов;

ударные трубы;

установки радиационного нагрева и др.

Рассмотрим основные требования, которые предъявляются к установкам для испытания разрушающихся теплозащитных материалов.

1. Температура набегающего газового потока должна быть выше температуры фазовых превращений материала.

2. Установка должна обеспечивать возможность нагрева различных газов и газовых смесей необходимого состава в определенном диапазоне температур, давлений и скоростей истечения.

3. Время стабильной работы установки должно изменяться от нескольких секунд до минут.

4. Набегающий на модель поток должен быть однородным по температуре, давлению и скорости.

В струях стендовых ракетных двигателей воспроизводятся величины энтальпий торможения до 6000 - 8000 и скорости потока порядка 3000 . В настоящее время эти установки являются по существу единственными, в которых при сравнительно высокой температуре можно в течение длительного времени получать турбулентный режим обтекания испытуемых моделей. Серьезным недостатком испытаний материалов в струях стендовых ракетных двигателей является то, что химический состав потока не соответствует, как правило, реальным условиям работы материалов. Это обстоятельство затрудняет изучение механизма разрушения материалов, для которых химические реакции при разрушении играют определяющую роль. Кроме того, при испытаниях в струях ракетных двигателей материалов с высокой температурой разрушения, порядка 3000 , вследствие малости перепадов энтальпий ( - ) поперек пограничного слоя неизбежно появляются большие погрешности в определении величины теплового потока к разрушающейся поверхности.

---

В настоящее время наилучшим средством получения высокотемпературных потоков в течение продолжительного времени является нагрев воздуха или других газов с помощью электрической дуги. Известные электродуговые подогреватели (плазмотроны) можно разделить на несколько типов, схематично изображенных на представленных ниже рисунках, заимствованных из монографии [7].

Простейшее устройство для подогрева газа - это свободно горящая в воздухе электрическая дуга (рис. а), на оси которой может достигаться температура до 7000 . Если через такую дугу вдоль ее оси принудительно продувать газ, то мы получим схему простейшего устройства для электродугового подогрева газа (см. рис. б). В разрядной камере происходит переход электрической энергии в тепловую энергию газа, и затем газ в виде струи вытекает через сопло с большой скоростью. Температура газа, нагретого в таком устройстве, намного превышает температуру фазовых превращений теплозащитных материалов; химический состав газа практически может быть любым.

Тепло от дуги распространяется теплопроводностью, излучением и конвекцией. Излучение играет существенную роль только при высоком давлении. В балансе энергии в дуговом столбе важную роль играет диссоциация газа, а также диффузия ионов и молекул. Теплопроводность обуславливает теплообмен с холодными частями подогревателя. За счет конвекции осуществляется в основном передача тепла от дугового столба к обтекающему его газу.

На приведенных рисунках приняты следующие обозначения: 1 - катод; 2 - анод; 3 - вход рабочего газа; 4 - дуга; 5 –истекающая из плазматрона струя горячего газа; 6 - электрически нейтральная вставка; 7 – дополнительный подвод инертного газа; 8 - межэлектродная вставка; 9 - магнитная катушка.

Из различных вариантов электродуговых подогревателей можно выделить плазмотроны, характерной особенностью которых является нахождение на одной оси дугового разряда и истекающей струи (рис. ). При такой схеме не происходит смешения подогретого газа в сопле и за счет этого достигается максимальная температура в струе. Максимальная температура газа, получаемая на таких электродуговых подогревателях, в зависимости от выбора схемы нагрева, вида рабочего газа и уровня подводимой мощности, составляет .

На рисунках и в качестве материала катода используется вольфрам или тарированный вольфрам. В большинстве установок электроды, сопла и другие элементы разрядной камеры выполняются из охлаждаемой водой меди.

На рис. изображен электродуговой подогреватель с межэлектродной вставкой. За счет этого при увеличении тока увеличивается также и его плотность, что связано с ограничением диаметра дуги внутренней поверхностью межэлектродной вставки. Это приводит к повышению температуры нагрева газа. Так, если максимальный уровень среднемассовой температуры газа в подогревателях типа, указанных на рисунках и , составляет 7000 , то в подогревателях с межэлектродной вставкой достигаются температуры 10000 и выше. Кроме того, вольт - амперные характеристики у них также различны. У подогревателей линейной схемы (рис. и ) вольт - амперная характеристика носит падающий характер, а у подогревателя с межэлектродной вставкой - возрастающий.

---

Для уменьшения эрозии электродов в местах соприкосновения опорных пятен дуги с поверхностью электрода дуга быстро перемещается по его поверхности с помощью газодинамических сил (рис. ), внешнего магнитного поля (рис. ) или их совместного воздействия (рис. ). Вихревая и магнитная стабилизация дуги уменьшает диаметр разряда и позволяет повысить температуру в струе. Для того чтобы уменьшить вредное влияние закрутки потока, связанной с вихревой или магнитной стабилизацией дуги, выход газа устраивают сбоку или по касательной к линиям тока (см. рис. ). Эта же схема позволяет уменьшить долю примесей, попадающих в поток при разрушении электродов, путем отсоса газа из приэлектродных зон.

Для повышения мощности подогревателя предусматривают питание ресивера горячим газом от нескольких дуг. Обычно в одну дугу удается “ вложить” ограниченную полезную мощность, что связано с выделением тепла в катодном и анодном пятнах на электродах и трудностями охлаждения последних. Эффективным способом повышения температуры нагрева газов является стабилизация дуги сжиженными газами или водой (сильное обжатие дуги).

Мощность известных электродуговых подогревателей составляет от 100 до 10 и даже более. Продолжительность стабильной непрерывной работы колеблется от 30 до нескольких десятков минут. Эти нагреватели обеспечивают при непрерывной работе получение газового потока с давлением от до при уровне энтальпии газового потока от 4000 до 200000 . При этом плотность теплового потока к моделям может достигать 1000 - 50000 и более.

Однако электродуговым нагревателям свойственны и следующие недостатки:

газовый поток загрязняется продуктами эрозии электродов (концентрация загрязнения достигает нескольких десятых процента). Диаметр струй недостаточен, а их параметры неоднородны. В струе имеют место пульсации температуры, плотности, скорости и др., распределение этих параметров по сечению недостаточно удовлетворительное. Но несмотря на это, газодинамические установки с электродуговым подогревом являются в настоящее время наиболее подходящими для экспериментального изучения процесса разрушения теплозащитных материалов.

Для испытаний материалов может также применяться ударная труба непрерывного действия. Установка представляет собой вращающееся устройство (ротор) с несколькими ударными трубами, из которых горячий сжатый газ поступает в коллектор (ресивер или камеру), а оттуда в сопло. При высоких давлениях в камере этой установки (до ) воздух нагревается всего лишь до температуры порядка 3500 . Широкого распространения установки такого типа не получили.

Для изучения прогрева теплозащитных материалов используются установки с радиационным нагревом, где в качестве источника высокой температуры применяются угольные дуги, шаровые дуговые лампы с ксеноновым наполнением и даже энергия Солнца (гелиоустановки).

---

Смотрите также файлы

• Метод простой итерации.doc

• Московский Авиационный Институт (Государственный Технический Уни.doc

• Московский авиационный институт государственный технический унив.doc

• Московский Государственный Институт (Университет) Международных .doc

• Организационные структуры систем обучения.doc