Тепловое разрушение материалов - часть 9

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

 

38 

 

 

 

Рис. 2.3. Испытание образца легированной кварцевой стеклокерамики на стенде ЖРД-2М 

 

 

 

Рис. 2.4. Линейный плазмотрон высокого давления: 1 

− катод, 2 − анод, 3 − сопло, 4 − поджигающее  

устройство, 5 

− изолятор, 6 − соленоиды   

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

 

39

 

 

Рис. 2.5. Схема  стенда  ВПС-1000К  для  испытаний  материалов  в  двухфазном  газовом  потоке:  1 – цен-
тральный электрод; 2 – корпус; 3 – магнитные катушки; 4 – сопло; 5 – сопловой вкладыш; 6 – пылепитатель;  
7 – транспортирующий газ; 8 – вибратор; 9 – подача порошка в струю; 10 – образец; 11 – державка; 12 – меха-
низм ввода-вывода образца; 13 – подача бензина 

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

 

40 

 
На стенде ВПС-1000К применен подогреватель высокого давления коаксиальной схемы. Этот 

стенд  в  основном  предназначен  для  моделирования  работы  тепловой  защиты  при  одновременном 
воздействии потока твердых частиц. На схеме, рис. 2.5, показано испытание графитового образца в 
двухфазном газовом потоке. В ЭДП коаксиальной схемы дуга горит в зазоре между электродами и 
под действием внешнего магнитного поля перемещается с большой скоростью (200 м/с) по поверх-
ности  электродов.  Центральный  электрод  может  служить  как  катодом,  так  и  анодом.  Вращаясь  с 
большой  скоростью,  электрическая  дуга  постоянно  взаимодействует  с  новыми  порциями  газа,  те-
кущего в осевом направлении в зазоре между электродами, и нагревает его.  

Для получения высокоэнтальпийных газовых потоков, как правило, применяются ЭДП с межэ-

лектродными вставками, например, рис. 2.6 [38]. Подогреватель такой схемы применен на установке 
ПД-4М  (п. 5, табл. 2.1). Лучистая  составляющая  в  суммарном  тепловом  потоке,  на  этой  установке 
составляет 10 000 

кВт/м

2  

(рис.2.7). В электродуговых подогревателях с межэлектродными вставками 

при увеличении тока увеличивается также и его плотность. Это связано с ограничением диаметра 
дуги внутренней поверхностью межэлектродной вставки, что приводит к повышению температуры 
нагрева газа. Так, если максимальный уровень среднемассовой температуры газа в обычных подог-
ревателях составляет 7000 К, то в подогревателях с межэлектродной вставкой достигаются темпера-
туры 10 000 К и выше.  

 

 

 

 
Рис. 2.6. Электродуговой подогреватель с меж- 
электродными вставками: 1 

− катод, 2 − анод,  

3 

− секции, 4 − пусковая секция, 5 − изоляторы,  

6 

−  узел  подачи  защитного  газа, 7 −  узел  подачи 

рабочего газа

 

 
Рис. 2.7. Испытания графитового образца на установ-
ке ПД-4М 

 
К основным недостаткам электродуговых подогревателей относятся загрязнение газового пото-

ка продуктами эрозии электродов, недостаточный диаметр газовых струй и неравномерность распре-
деления параметров по их сечению. Однако, применение специальных электродных материалов [39, 
40] и конструкций электродуговых подогревателей [41] позволяет уменьшить эрозию электродов на 
порядок. 

Полностью  исключить  загрязнение  потока  продуктами  эрозии  электродов  удается  лишь    при 

использовании индукционного нагрева газа [42]. Установки на базе индукционных плазмотронов, по 

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

 

41

сравнению  с  ЭДП  и  ударными  трубами,  также  наиболее  полно  моделируют  физические  параметры 
взаимодействия диссоциированного потока с поверхностью.  

Кроме установки ПД-4М для моделирования совместного радиационно-конвективного нагрева 

была разработана и создана установка РПУ-1, параметры которой приведены в табл.2.1, п. 6, а схема 
− на рис. 2.8.  
 

 

 

Рис. 2.8. Схема установки РПУ-1: 1 

− электродуговой подогреватель; 2 − параболическое зеркало диаметром 

1,5 м; 3 

− параболическое зеркало диаметром 0,5 м; 4 − ксеноновая лампа ДКсР-10000; 5 − образец теплозащит-

ного материала; 6 

− вакуумная камера; 7 − колпак с кварцевыми окнами; 8 − юстировочный лазер  

 

С целью уменьшения затенения лучистого теплового потока для этой установки был разрабо-

тан ЭДП линейной схемы 1 (рис. 2.8), который при мощности до 100 кВт имел максимальный попе-
речный диаметр 50·10

-3

 м [43]. На установке РПУ-1, в качестве источника радиационного нагрева ис-

пользуются  ксеноновые  лампы  мощностью 10 кВт.  Источник  радиационного  нагрева  состоит  из 
стенда-излучателя и стенда-отражателя с параболическим зеркалом 2 диаметром 1,5 м (рис. 2.8). На 
стенде-излучателе  установлены  семь  параболических  зеркал 3 диаметром 0,5 м.  В  фокусе  каждого 
зеркала  (за  исключением  центрального)  смонтирована  ксеноновая  лампа 4. При  работе  установки 
шесть параллельных пучков света со стенда-излучателя направлены на параболическое зеркало стен-
да-отражателя 2, которое  собирает  энергию  излучения  в  своем  фокусе.  При  испытании  образцов  в 
вакууме  на  камеру  укрепляется  охлаждаемый  колпак  с  шестью  кварцевыми  окнами 7. Крепление 
окон  в  конических  стаканах,  впаянных  в  охлаждаемый  колпак,  позволило  увеличить  их  диаметр  и 
значительно уменьшить запыление и перегрев во время эксперимента. 
 

Лучистые тепловые потоки до 1,5

⋅10

4

 кВт/м

2

 можно получить с помощью зеркальных концен-

траторов солнечной энергии на установках СГУ с диаметром зеркала 1,5

−2 м (п. 7, табл. 2.1) и уста-

новке радиационного нагрева «Кристалл-М» на основе 3-х ксеноновых излучателей (рис. 2.9 [44, 45]). 
На лазерном испытательном стенде ЛС-1 тепловые потоки при кратковременном воздействии дости-
гают 10

6

 кВт/м

2

 (п. п. 8, 9, табл. 2.1). 

На  гелиоустановке  с  диаметром  зеркала 5 м  проводились  исследования  моделей  теплозащит-

ных покрытий, в том числе теплозащитных плиток для многоразовой космической системы «Буран» 
[13].  

Для  получения  газовых  потоков  с  равномерными  параметрами  часто  применяют  демпферные 

камеры [35]. Использование  сопловых  аппаратов,  снабженных  микросопловыми  охлаждаемыми  ре-
шетками, позволило решить сразу несколько задач: обеспечить равномерное распределение парамет-