Тепловое разрушение материалов - часть 14

2.5. Установки для исследования тепловой защиты многоразовых космических систем  

 

58 

 

 

 

Рис. 2.26. Испытания плиточной тепловой защиты МКС «Буран» на гелиоустановке СГУ-7 

 
Исследование характера распределения статического и динамического давления по длине кана-

ла  проводилось  для 1, 2, 4, 6-го  режимов.  На  рис. 2.29, а  видно,  что  зависимость 

∆Р  от  x/h  носит 

сложный характер, обусловленный наличием сопловой решетки перед входом в канал. Ввиду конст-
руктивной сложности входной части канала измерить статическое давление на расстоянии меньшем, 
чем 1,5 калибра  от  входа,  не  представлялось  возможным.  Зона  влияния  сопловой  решетки  распро-
страняется на длину, равную примерно 5 калибрам, начиная от входа. Такой характер изменения ста-
тического давления обусловлен перерасширением и турбулизацией потока при выходе его из решет-
ки в канал. Начиная с расстояния, превышающего 5 калибров, и вплоть до выхода из канала, статиче-
ское  давление  убывает.  При  этом  характер  падения  давления  подобен  тому,  который  наблюдается 
при течении газа в начальном участке каналов. 
 
 

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

 

59

 

 

 
 
Рис. 2.27. Схема установки:  
1 – электродуговой подогрева-
тель; 2 – форкамера; 3 – микро-
сопловая решетка; 4 – держав-
ка; 5 – образец; 6 – вакуумная 
камера; 7 – тензометрический 
датчик; 8 – водяное охлажде-
ние; 9 – подвод рабочего газа 
(воздуха) 

 

 

 

 
 

Рис. 2.28. Схема устройства для 
замера напряжения трения на 
поверхности 2-х моделей

:  

1 – генератор высокотемпера-
турного газового потока;  
2, 3 – исследуемые образцы;  
4, 5 – датчики индукционного 
типа; 6, 7 – подвижные уравно-
вешенные элементы; 8, 9 – 
противовесы 

 

 
Давление и температура торможения измерялись одновременно комбинированным зондом, 

включающим в себя хромель-алюмелевую термопару и трубку Пито. Зонд представлял собой трубку 
из нержавеющей стали с диаметром приемного отверстия 0,4 мм. По высоте канала зонд перемещал-
ся с помощью специального координатника с точностью ± 0,05 мм. 

В зависимости от режима работы установки температура торможения на оси канала изменялась 

от 900 до 1500 К. Давление торможения находилось в пределах (7,8

−20) ⋅10

3

 Н/м

2

. Проведенные измере-

ния показали, что с увеличением расхода газа температура торможения на оси канала уменьшается. 
Однако при одном и том же режиме работы установки она остается практически постоянной по всей 
длине  канала.  Этот факт указывает на то,  что  смыкания  тепловых  пограничных  слоев в исследуемом 
канале не происходило. Не наблюдалось также смыкания и динамических пограничных слоев. Об этом 
свидетельствуют профили динамического давления, измеренные в сечении, отстоящем от входа на рас-
стоянии 8,5 калибра (рис. 2.29, б). На рисунке видно, что толщины динамического пограничного слоя 

2.5. Установки для исследования тепловой защиты многоразовых космических систем  

 

60 

для режимов 1, 2, 4, 6 составляют в среднем 0,25 h. Это обстоятельство говорит о наличии потенциаль-
ного ядра. 

 

 

 
Рис. 2.29. Распределение статического и динамического давления в канале:

 а – изменение перепада  

статического давления по длине канала: точки – эксперимент; б – профили динамического давления в сечении 
x/h = 8,5; точки – эксперимент; 1, 2, 4, 6 – режимы работы установки

 

 

При исследовании теплообмена стенки канала изнутри облицовывались шлифованными керами-

ческими плитками. В верхнюю стенку канала устанавливались заподлицо 10 датчиков теплового пото-
ка [53]. Экспериментальные данные по теплообмену были обработаны в критериальном виде (рис. 2.30): 

(2.2)

       

          

          

          

          

          

Re

  

          

,

)

(

Nu

∞

∞

∞

µ

ρ

=

−

λ

=

x

u

T

T

x

q

x

w

e

w

x

 

Сравнение экспериментальных значений чисел Nu

X

 

(точки) с расчетными (кривая 1), получен-

ными при использовании зависимости для ламинарного режима течения [98], показывает, что неко-
торое совпадение данных наблюдается в диапазоне изменения числа Re

x

 от 5

⋅10

3 

до 3

⋅10

4

. При даль-

нейшем увеличении числа Re

x

 начинается, по-видимому, переходный режим течения. Число Re

δ

, рас-

считанное по формуле 

(2.3)

 

          

          

          

          

          

          

          

Re

∞

∞

∞

δ

µ

δ

ρ

=

u

 

с использованием экспериментальных значений толщины пограничного слоя 

δ, находится в диапазо-

не 1

⋅10

3

−3⋅10

3

. Это соответствует области перехода ламинарного течения в турбулентное на плоской 

пластине. 

В качестве метода измерения поверхностного трения был выбран метод подвижного (плаваю-

щего)  элемента,  что  позволило  достаточно  просто  определить  величину 

τ

w

  при различных  режимах 

работы установки. Методика измерения поверхностного трения заключалась в следующем. Подвиж-
ный элемент, состоящий из державки 4 и образца 5 (рис. 2.27), устанавливался на опоры. Перемеще-
ние подвижного элемента с помощью штока передавалось на тензометрический датчик 7. Сигнал от 
тензометрического  датчика,  проходя  тензостанцию,  записывался  на  потенциометр.  Во  время 
экспериментов  подвижный  элемент  перемещался  под  воздействием  силы  трения  со  стороны 
набегающего потока, перепада статического давления на поверхности образца и сил инерции. Этому 
перемещению  препятствуют  масса  подвижного  элемента,  трение  в  опорах  и  сила,  обусловленная 
разностью  между  атмосферным  давлением  и  давлением  в  вакуумной  камере  и  воздействующая  на 
торец штока. Учесть воздействие этих сил в данной системе сложно, так как они переменны и зависят 
от перемещения подвижного элемента. Поэтому перед измерениями проводилась тарировка системы 
в  вакууме  с  помощью  разновесов,  что  давало  возможность  учесть  суммарное  воздействие  всех  сил 
(кроме  силы  инерции)  и  при  известном  перепаде  статического  давления  на  образце  определить 
напряжение  трения  на  стенке.  Расчет  величины  напряжения  трения  с  использованием 

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

 

61

стенке. Расчет величины напряжения трения с использованием экспериментальных данных проводился 
по формуле, приведенной в работе [99] 

(2.4)

 

          

          

          

          

          

          

,

  

пов

тор

T

S

PS

F

w

∆

−

=

τ

 

где F

T

 

− сила трения; ∆P − перепад статического давления; S

тор

 

− площадь торцевой поверхности об-

разца; S

пов

 

− площадь обтекаемой поверхности образца. 

Среднее по длине образца значение 

τ

w

, рассчитанное по формуле (2.4), составило, например, для 

2-го режима 18,6 Н/м

2

. 

Величину 

τ

w

 можно также оценить на основании экспериментальных данных по теплообмену. Если 

положить Рr = 1 и считать, что на участке канала, где проводятся измерения 

τ

w

,

 

справедлива аналогия 

Рейнольдса, то 

(2.5)

    

          

          

          

          

          

          

. 

)

(

0

w

e

p

w

T

T

c

u

q

−

=

τ

∞

 

Величина 

τ

w

, рассчитанная по (2.5), для режима 2 имела значение 21,5 Н/м

2

. 

К  числу  принципиально  важных  результатов,  обнаруженных  при  анализе  экспериментальных 

данных, прежде всего, можно отнести измерения профилей скорости в пограничном слое, проведен-
ные в сечении, отстоящем от входа на расстоянии x/h = 8,5. Они показали, что пограничные слои с 
противоположных стенок канала не смыкаются. Далее аппроксимацией этих профилей скорости степен-
ной зависимостью u / u

∞

 = (y / h)

n

 обнаружено, что показатель п приближается к значению 1/7 для иссле-

дованных в опытах режимов течения. И, наконец, температуру торможения на оси потока в пределах 
точности эксперимента можно считать постоянной по всей длине канала.  Все это  дает возможность 
решить задачу о теплообмене при турбулентном течении газа в начальном участке канала. C этой це-
лью  был  использован  метод  С.  С.  Кутателадзе  и  А.  И.  Леонтьева [100], предложенный  для  расчета 
трения и теплообмена при турбулентном течении газа в начальном участке цилиндрической трубы. 
Преимущество этого метода состоит в том, что он достаточно просто позволяет определить коэффи-
циенты  трения  и  теплообмена  в  широком  диапазоне  чисел  Рейнольдса,  Прандля  и  Маха.  В  нашем 
случае решалась задача в приближении пограничного слоя для плоскопараллельного канала при ис-
пользовании в качестве характерного размера гидравлического диаметра [96]. Полученное в расчетах 
изменение коэффициентов трения с

f

 и теплообмена St по длине канала показало, что основное соот-

ношение  аналогии  Рейнольдса  нарушается  незначительно.  Если  ввести  коэффициент  пропорцио-
нальности A = Pr

-

2/3

, то аналогия Рейнольда практически выполняется St = 0,5с

f

A. На рис. 2.31 показа-

на зависимость 

,

lgRe

  

 

lgSt

T

2

от

н

δ

 где St

н

 – число Стантона в «стандартных» условиях, а Re

δ2T

 – число 

Рейнольдса по толщине потери энергии.  

 

 

 

 
Рис. 2.30. Зависимость числа Nu

x

 от числа Re

x

:

 точ-

ки 

−  эксперимент, 1 − расчет  по  зависимости работы 

[98]; 1

−7 режимы работы установки 

 
Рис. 2.31.  Зависимость lg St

н

 от lg Re

δ2T

 : 

прямая 

расчет по методике [100]; 1 

−  эксперимент работы 

[101]; 2 – [102]