Тепловое разрушение материалов - часть 10

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

ров по сечению газовой струи, значительно увеличить размеры исследуемых моделей и получить не-
равновесный газовый поток с необходимой концентрацией атомарных компонент кислорода и азота
[3, 47]. Большой интерес представляет использование таких установок для испытаний крупномас-
штабных моделей ТЗМ, в частности с замером напряжения трения на их поверхности. Поэтому серь-
езное внимание было уделено экспериментально-теоретическому обоснованию возможности модели-
рования условий внешнего обтекания моделей в коротких прямоугольных каналах. Результатом этих
исследований явилось создание экономичных установок ПУ-200 и ВПС-1000 Т/В (п. п. 10, 11, табл.
2.1), позволивших выполнить большую программу испытаний тепловой защиты носителя «Энергия»
с замером напряжения трения на поверхности моделей (см. разд. 2.5).

Рис. 2.9. Внешний вид излучателей,
оптическая схема и зависимость
средней плотности потока световой
энергии в фокальной зоне установки
«Кристалл-М» [44]: 1

− эллипсоидные

отражатели; 2

− ксеноновые лампы

ДКСШРБ-10 000; 3

− общая фокальная

зона радиационных излучателей;
4

− зависимость q

для одного излуча-

теля; 5

− зависимость q

для трёх излу-

чателей

Кроме источников конвективных и лучистых тепловых потоков в состав стендов и установок,

как правило, входят системы электроснабжения, газоснабжения, водоснабжения, приточно-вытяжной
вентиляции, вакуумная система, пульты управления и контрольно-измерительных приборов, а в ге-
лиоустановки

− также системы автоматического слежения за Солнцем. Поскольку системы, обеспе-

чивающие проведение высокотемпературных испытаний теплозащитных материалов с использовани-
ем ЭДП, близки по своему составу и различаются в основном по потребляемой мощности и расход-
ным характеристикам ограничимся их кратким описанием на примере комплекса ИПМ НАНУ.

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

Для электроснабжения подогревателей газа использованы два модернизированных источника

постоянного  напряжения  ИПН-160/600М,  которые  при  одновременном  включении  обеспечивали
возможность  работы  ЭДП  мощностью  до 150 кВт,  а  также  выпрямительная  подстанция  на  базе
трансформатора  ТНР-1600/10  и    полупроводникового  выпрямительного  блока  (U

хх

= 825 В, I до

1000А). В последнем варианте мощность ЭДП повышалась до 500 кВт. Система газоснабжения обес-
печивала возможность получения газовых потоков различного химического состава, так как в качест-
ве рабочих газов применялись воздух, азот, углекислый газ и аргон. Система водоснабжения, предна-
значенная для охлаждения теплонапряженных элементов и узлов, включает насосы ЦНС 38-220 и
ЦНС 38-154, обеспечивающие давление воды до 25·10

Па и максимальный расход ~60 м

/ч. Ваку-

умная система состоит из четырех форвакуумных насосов ВН-6, бустерной емкости, трубопроводов,
задвижек с электроприводами и водоохлаждаемой рабочей камеры.

К специальным системам следует отнести систему слежения и подачи образца по мере его уно-

са, которая выполнялась в различных вариантах [48, 49]. B зависимости от вида и условий испыта-
ний, размеров модели и схемы ее крепления применялись различные державки, а также системы от-
сечки теплового воздействия и ввода-вывода державки с образцом в газовый поток. Некоторые из
этих систем, необходимые для моделирования аэродинамического нагрева в высокотемпературной
струе продуктов сгорания, представлены на рис. 2.2 на примере стенда ЖРД-2М.

Комплекс сравнительно экономичных стендов и установок, созданный в ИПМ НАНУ, широко

использовался  для  предварительного  отбора  и  определения  характеристик  тысяч  рецептур  теплоза-
щитных материалов. Он оказался очень полезным при изучении физики теплового разрушения твер-
дого тела. Однако для моделирования всех возможных траекторий входа в атмосферу, при которых
тепловые потоки, энтальпия и давление торможения отличаются на несколько порядков в условиях
как  ламинарного,  так  и  турбулентного  режимов  обтекания,  необходим  значительно  более  широкий
набор  экспериментальных  стендов.  Поэтому различные  схемы  испытаний  образцов  и  моделей  ТЗМ
(некоторые из которых показаны на рис. 2.1) были реализованы в организациях бывшего Советского
Союза и США, занимающихся разработкой ракетно-космической техники. При этом в таких установ-
ках,  как  правило,  использовались  мощные  электродуговые  подогреватели  газа  или  газогенераторы
типа  ЖРД,  которые  обеспечивали  получение  сверхзвуковых  высокотемпературных  потоков  с  пара-
метрами, перекрывающими практически весь необходимый диапазон теплового и газодинамического
воздействия на теплозащитное покрытие.

В таблице 2.2 приведены некоторые установки, которые использовались в США для отработки

теплозащитных покрытий. Из таблицы видно, что в сверхзвуковых газовых потоках наибольшие про-
блемы возникают при определении энтальпии торможения, которая в основном находится каким-
либо расчетным методом.

Таблица 2.2

− Установки США для исследования характеристик теплозащитных материалов

№

п/п

Название,

назначение,

принадлежность

Мощность,

кВт

Рабочий

газ

Давление в

форкамере,

атм

Диаметр кри-

тич. сечения

Диаметр среза

сопла, 10

, м

Тип

системы

откачки

Число

Метод

расчета

энтальпии

1 2

3 4 5 6

1 Моделирование

условий нагрева на
атмосферном участ-
ке.
Центр Эймса NASA

150

−1000

Воздух

0,35

−3,0

18,9

Сфериче-

ский баллон

выше

Метод по-

вышенных

давлений

2 Электродуговая тру-

ба переменного тока.
Отдел по исследова-
нию траекторий вхо-
да в атмосферу.
Центр Ленгли NASA

350

−3700

Воздух
3,0

−5,0

26
51

Эжектор

2,5

Метод по-

вышенных

давлений

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

Продолжение таблицы 2.2

1 2

3 4 5 6

3 Гиперзвуковая труба

с электродуговым
подогревом.
Отдел перспектив-
ных материалов и
физики.
Центр Ленгли NASA

900

−1700

Воздух

1,36

−10

13,7

167

Сфериче-

ский баллон

выше

Метод

теплового

баланса

4 Электродуговой

подогреватель газа.
Центр пилотируе-
мых аппаратов,
Хьюстон

1000

Воздух
1,0

−3,0

Дозвуковой

поток

Истечение в

атмосферу

−

Метод

теплового

баланса

5 Электродуговая

газодинамическая
труба.
Отдел механики
полета. Центр NASA

1049

−2018

Воздух

23,1

−117

9,55

240

Воздухо-

дувка и

вакуумный

насос

выше

Метод

теплового

баланса

6 Моделирование

входа орбитальных
аппаратов.
Фирма AVCO

−500

Воздух

0,013

−0,13

25,4

Емкость

выше

Метод

теплового

баланса

7 Электродуговая

труба с высотной
камерой
Фирма BOEING

−500

Воздух
0,1

−0,5

17,8

Паровой

эжектор

–

Метод

теплового

баланса

8 Гипертепловая

установка
General Dynamics

250

−1800

Азот

0,5

−34

12,7

5-ти

ступенча-
тый паро-

вой эжектор

–

Метод

теплового

баланса

9 Газодинамическая

дуговая установка.
General Electrik

−500

Воздух
1,0

−1,6

3,98

48,5

−127

Насосы и

воздухо-

дувка

–

Расчетная

энтальпия

10 Высокоэнтальпийная

установка
Giamini

−1000

Воздух

0,02

−0,36

25,4
76,2

Насос

выше

Метод

теплового

баланса

11 Плазмотрон

Hartin

−200

Воздух

0,05

−0,2

12,7 25,4
38,1 76,2

Воздухо-

дувка

и насос

выше

Метод

теплового

баланса

12 Гипертепловая

электродуговая
установка
North American

−650

Воздух

0,35

−5,5

6,35
63,5

Насосы

выше

Средне-

массовая

энтальпия

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

2.3. Методы диагностики режимных параметров установок радиационного и

конвективного нагрева

Наиболее важными параметрами, характеризующими радиационный и конвективный нагрев,

являются  лучистые  и  конвективные  тепловые  потоки,  энтальпия  и  давление  торможения  в  высоко-
температурной газовой  струе. Для определения  каждого из этих параметров существуют многочис-
ленные методы и аппаратура. Методика и датчики, с помощью которых измерялись лучистые тепло-
вые  потоки  на  установках,  представленных  в  табл. 2.1, описаны  в  работах [50, 51]. Обзор  сущест-
вующих методов измерения плотности тепловых потоков в высокотемпературных струях приведен в
работе [52]. Анализ  погрешностей  измерения  нестационарных  и  стационарных  тепловых  потоков,
сделанный в этой же работе показал, что общая погрешность в зависимости от метода измерений на-
ходится в диапазоне 5–20 %. При измерениях нестационарных тепловых потоков методом полуогра-
ниченного тела она составила 16,5%. Погрешность измерения стационарных тепловых потоков экс-
поненциальным  методом  находилась  в  пределах 10

−15 %, а с помощью водоохлаждаемого калори-

метра составила 18

−20 %.

На рис. 2.10–2.12 показаны основные калориметры для измерений конвективных и лучистых

тепловых потоков, которые были применены для диагностики стендов и установок ИПМ НАНУ.

Определение энтальпии торможения в высокотемпературных газовых потоках является наибо-

лее трудоемкой задачей. Для получения достоверных результатов необходимо применять несколько
методов измерения энтальпии.

Рис. 2.10. Водоохлаждаемый калориметр для измерений кон-
вективных тепловых потоков: 1 – датчик; 2 – корпус; 3 – подача
и отвод воды

Расчет теплового потока проводится по формуле:

∆

где

– калориметрический тепловой поток;

– теплоемкость

и расход воды;

∆

– подогрев воды; F – площадь поверхности дат-

чика

Рис. 2.11. Схема датчика тепловых параметров [53]:
1 – чувствительный элемент; 2 – экран; 3 – корпус;
4, 5 – кольца; 6 – опора; 7 – теплозащитная пластина;
8 – термопара

∆

где с – теплоемкость материала чувствительного

элемента (медь);

– плотность; h – высота датчика;

∆

– измене-

ние температуры в «средней точке»,

∆

– время изменения температуры

Наиболее часто используется метод баланса энергии [32], который дает возможность рассчи-

тать среднемассовую энтальпию на срезе сопла подогревателя, если в процессе эксперимента прово-
дятся измерения расхода газа, мощности, выделяемой в электрической дуге, расхода и перепада тем-
пературы охлаждающей воды через электроды ЭДП. При определении энатальпии на установках,
приведенных в табл. 2.2, в основном применялся именно этот метод.

Широкое распространение (особенно в сверхзвуковых потоках) получил метод, основанный на

формуле (1.1) Дж. Фэя и Д. Р. Ридделла [8]. Эта формула в работе [52] для расчета теплового потока к
сферической преграде при обтекании ее равновесным диссоциированным воздухом или азотом пре-
образована к виду

(

) (

)

(2.1)

−

⋅

∞

−

содержание .. 8 9 10 11 ..