Тепловое разрушение материалов - часть 8

2.2. Установки конвективного и радиационно-конвективного нагрева для исследования теплозащитных 
       материалов 

 

34 

 
В связи с этим основная задача экспериментальных исследований, представленных в этой кни-

ге, была направлена на изучение взаимодействия твердого тела с высокотемпературной средой с це-
лью поиска новых закономерностей и параметров, позволяющих определять тепловые возможности 
материалов при минимальном наборе экспериментальных данных. 

 
 

2.2. Установки конвективного и радиационно-конвективного нагрева для  

исследования теплозащитных материалов 

 
Установки конвективного нагрева базируются на использовании электродуговых подогревате-

лей газа (ЭДП), а также ракетных двигателей, обеспечивающих получение высокотемпературных по-
токов продуктов сгорания различных топлив. В струях стендовых ракетных двигателей воспроизво-
дятся величины энтальпий торможения 

e

I  до 6000

−8000 кДж/кг и скорости потока порядка 3000 м/с. 

В настоящее время эти установки являются по существу единственными, в которых при сравнитель-
но высокой температуре можно в течение длительного периода времени получать турбулентный ре-
жим  обтекания  испытываемых  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 К, вследствие малости перепадов энтальпий 

)

(

w

e

I

I

−

 поперек погранич-

ного  слоя  неизбежно  появляются  погрешности  в  определении  величины  теплового  потока  к  разру-
шающейся поверхности. 

Большой комплекс стендов и установок для проведения предварительных испытаний теплоза-

щитных материалов был создан в Институте проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН 
Украины [29]. 

На стенде ЖРД-2М (п.1, табл. 2.1) в качестве источника нагрева использовался газогенератор, 

работающий на топливе керосин 

− газообразный кислород, что дало возможность получать в одина-

ковом с ЭДП диапазоне тепловых потоков более высокие давления торможения и коэффициенты те-
плообмена. Схема стенда, которая включает системы, обеспечивающие работу газогенератора и про-
ведение испытаний, представлена на рис. 2.2, а на рис. 2.3 показан нагрев образца кварцевой стекло-
керамики в высокотемпературной струе стенда. 

В настоящее время наибольшее применение для экспериментального исследования разрушаю-

щихся  теплозащитных  покрытий  получили  электродуговые  подогреватели  газа  (плазмотроны) 
[30

−38], которые в зависимости от мощности и выбора схемы могут обеспечить получение газовых 

потоков с давлением от 10

3

 до 10

7

 Па и энтальпией от 4000 до 100 000 кДж/кг и выше. Тепловые по-

токи, воздействующие на поверхность модели, при этом достигают (5

−8)·10

4

 кВт/м

2

, а в плазмотро-

нах прямого действия, когда поверхность электропроводящей модели является вторым электродом, 

−  

3·10

5

 кВт/м

2

 (п. 2, табл. 2.1) [36]. Температура газа, нагретого в таких устройствах, намного превыша-

ет  температуру  фазовых  превращений  теплозащитных  материалов,  а  химический  состав  газа 
практически может быть любым.  

Электродуговые подогреватели были широко использованы при создании стендов и установок 

экспериментальной  базы  ИПМ  НАНУ.  На  стендах  ВПС-1000Л/В,  ВПС-1000К  и  установке  ПД-4М 
(п.п. 3

−5, табл. 2.1) применены подогреватели, разработанные и изготовленные в Институте тепло- и 

массообмена им. А. В. Лыкова АН Белоруси. Конструкции этих подогревателей описаны в [37]. 

Особый  интерес  при  моделировании  условий  работы  ТЗП  представляют  электродуговые  по-

догреватели, обеспечивающие получения газовых потоков с высоким давлением и высокой энтальпи-
ей. Для получения сверхзвуковых газовых потоков высокого давления применяются плазмотроны как 
линейной,  так  и  коаксиальной  схем.  В  этом  случае  приемлемый  ресурс  работы  медных  электродов 
обеспечивается  за  счет  большой  скорости  перемещения  опорного  пятна  дуги  с  помощью  мощных 
магнитных  полей.  На  рис. 2.4 в  качестве  примера  приведена  конструкция  ЭДП  линейной  схемы, 
обеспечивающего  получение  воздушных  газовых  потоков  с  давлением 200·10

5

  Па  и  температурой 

3000 К при потребляемой мощности 500 кВт [38].  

Глава 2. Методы и средства моделирования конвективного и радиационно-конвективного нагрева 

 

35 

Таблица 2.1 

− Комплекс стендов и установок ИПМ НАНУ для исследования характеристик теплозащитных материалов 

 

Максимальные параметры 

№ 

п/п 

 

НАИМЕНОВАНИЕ 

 

Обозна-

чение 

Рабочий 

газ 

(среда) 

Размер 

модели, 

10

3

, м 

Тепловой  
поток, кВт/м

2 

Давление 
торможе-
ния, бар 

Энтальпия  
(т-ра) тормо- 
жения, кДж/кг

 

Основные цели  

испытаний 

1 2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

1 

Газодинамический стенд на 
основе газогенератора 

ЖРД-2М 

Продукты 

сгорания 

топлива 

керосин- 

кислород 

20–100 45 

000 

14  3000 

К 

Определение скорости разру-
шения, прогрева, эффективной 
энтальпии, параметра d

0

, коэф-

фициента газификации, темпе-
ратурных полей и теплопро-
водности 
 

2 

Плазменно-дуговая уста-
новка мощностью 50 кВт 

ПУ-50Д 

Азот 10 

3

⋅10

5 

1,0 - 

Исследование термостойкости 
псевдосплавов и уноса массы 
графитовых материалов 
 

3 

Воздушно-плазменный 
стенд на основе линейного 
электродугового подогрева-
теля ПЛ-9 мощностью 500 
кВт 

ВПС-1000 

Л/В 

Воздух 20–50  до 20 000 

0,05–1,3 

20 000 

Определение скорости разру-
шения, прогрева, эффективной 
энтальпии, параметра d

0

, теп-

лового эффекта поверхностных 
процессов, коэффициента га-
зификации, температурных по-
лей и теплопроводности 
 

4 

Воздушно-плазменный 
стенд на основе коаксиаль-
ного плазмотрона ПВД-2 

ВПС- 

1000К 

Воздух + 

частицы 

14 20 

000 до 15 

5000 

Определение влияния воздей-
ствия двухфазного потока на 
эрозионный унос углепласти-
ков 
 

5 

Высокоэнтальпийная уста-
новка на основе плазмотро-
на с межэлектродными 
вставками  

ПД-4М 

Воздух 

10–14 

50 000 

1,5 

45 000 

Определение скорости разру-
шения, прогрева, эффективной 
энтальпии, параметра d

0

 при 

повышенной энтальпии тормо-
жения 

 

2.2. Установки конвективного и радиационно-конвективного нагрева для исследования теплозащитных 
        материалов 

 

 

36 

Продолжение таблицы 2.1 

1 2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

6 

Радиационно-плазменная 
установка с плазмотроном 
мощностью 100 кВт 

РПУ-1 

 

РПУ-1М 

Воздух 
СО

2

, азот 

10 

 

30 

q

к

 до 30 000 + 

q

л  

до 12 000 

q

к

 до 500 + 

q

л  

до 500 

0,3–1,3 15 

000 

 

8000 

Определение скорости раз-
рушения, прогрева, эффек-
тивной энтальпии, излуча-
тельной способности, пара-
метра d

0

, теплового эффекта 

поверхностных процессов, 
коэффициента газификации 
  

7 

Гелиоустановки с диамет-
ром зеркального концентра-
тора от 1 м до 5 м 

СГУ-2 

− 

   СГУ-7 

Воздух, 

вакуум 

10–200 

до 15 000 

от 10

-4 

мм.рт.ст до 

1,0 бара 

 

− 

Определение излучательной 
способности, эффективной 
энтальпии, теплофизических 
характеристик, прогрева и 
ресурса работы теплозащит-
ных плиток 
 

8 

Установка радиационного 
нагрева на основе 3-х ксе-
ноновых излучателей 

Кристалл- 

М 

Воздух 10–20 

16 

000 

1,0 

− 

Определение прогрева и эф-
фективной энтальпии тепло-
защитных покрытий 
 

9 

Лазерный испытательный 
стенд с длиной волны излу-
чения 1,06 мкм 

ЛС-1 

Воздух, 

различные 

газы 

10 

до 10

6 

1 бар 

− 

Определение скорости раз-
рушения и эффективной эн-
тальпии при тепловых пото-
ках до 10

6

  кВт/м

2

 

 

10  Плазмодинамическая уста-

новка для исследования те-
пломассообмена и трения 

ПУ-200 

Воздух 

Пластина 

50 х 100 

100 0,07–0,2 

1500 

К 

Экспериментальное исследо-
вание тепломассообмена и 
трения в канале 

11  Воздушно-плазменный 

стенд на основе 2-х линей-
ных подогревателей газа 

ВПС-1000 

Т/В 

Воздух 

Пластина 

200 х 200 

до 200 

0,05–1,0 

2500 К 

Экспериментальные иссле-
дования тепломассообмена и 
трения в канале при повы-
шенных температурах. 
  

 

Глава 2. Методы и средства моделирования конвективного и радиационно-конвективного нагрева 

 

37 

 

 

Рис. 2.2. Схема стенда ЖРД-2М: 1 

− кислородная рампа; 2 − кислородный редуктор; 3 − ЭПК подачи кислорода; 4 − пневмоклапан; 5 − главный кислородный ЭПК;  

6 

− расходомер кислорода; 7, 14, 17, 18 −  манометры; 8 − дросельный кран кислорода; 9 − отсечный пневмоклапан кислорода; 10 −  дросельный кран горючего;  

11 

− отсечной пневмоклапан горючего; 12 − расходомер горючего; 13 − главный ЭПК горючего; 15, 16− обратные клапаны; 19 − камера сгорания; 20 − бак горючего;  

21 

− насос подачи горючего; 22 − бак для воды; 23 − пневмоцилиндр запуска стенда; 24 − водяной насос; 25 − пусковой ЭПК; 26 − электрод поджига; 27 − державка  

образца; 28

−31 − механизм перемещения образца; 32 − ЭПК ввода образца; 33 − пневмоцилиндр ввода-вывода образца; 34 − воздушная рампа; 35 − компрессор; 36 − 

секундомер; 37 

− электродвигатель; 38 − программное устройство; 39 − реле давления, 40 − воздушный редуктор