СПОСОБ ТЕПЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ ОБТЕКАТЕЛЕЙ РАКЕТ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR THERMAL LOADING OF ROCKET COWLS MADE OF NONMETALS

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на головную часть (обтекатель) ракеты в наземных условиях.
В настоящее время воспроизведение аэродинамического нагрева осуществляется в различных установках: аэродинамических трубах, баллистических установках, плазменных установках, стендах на основе сжигания топлива (прямоточных реактивных двигателях) [Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. / А.Н. Баранов [и др.]. - М.: Машиностроение - 1974. - 344 с.; Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее: В 3 т. - Т.3. Экспериментальные исследования. / Ю.В. Полежаев, С.В. Резник, А.Н. Баранов и др., Под ред. Ю.В. Полежаева и С.В. Резника. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 264 с.: ил.]. Испытание натурных конструкций в таких установках требует огромных материальных затрат, поэтому широкого распространения в практике наземных испытаний эти установки не получили.
Наиболее широкое распространение в практике наземных испытаний получили стенды радиационного нагрева, так как они просты в эксплуатации, позволяют достаточно легко изменять конфигурацию нагревателя в зависимости от геометрии конструкции обтекателя.
Однако стандартные стенды радиационного нагрева (на базе ламп инфракрасного излучения) имеют ряд ограничений. Для элементов летательных аппаратов сложной формы, когда геометрические размеры конструкции сравнимы с размерами нагревателей, присутствует большая погрешность задания температурного поля. Кроме того при задании высоких температур (выше температуры смягчения кварца) инфракрасные нагреватели выходят из строя.
Наиболее близким по технической сущности является способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов по патенту Российской Федерации №2517790, G01M 9/04, G01N 25/72, 2012. В этом способе тепловое нагружение осуществляется за счет пропускания электрического тока через токопроводящую тонкостенную оболочку переменной толщины по высоте обтекателя, эквидистантную наружной поверхности обтекателя, выполнением оболочки из гибких токопроводящих материалов и ограничителем из пористого теплоизолирующего материала, внутренняя поверхность которого эквидистантна наружной поверхности изделия, а в зазоре между внутренней поверхностью токопроводящей оболочки и наружной поверхностью изделия нагнетается инертный газ под давлением.
Однако техническое решение по патенту РФ №2517790 имеет ограниченное применение при воспроизведении полного аэродинамического воздействия (теплового и силового) на испытуемый обтекатель. С применением прототипа можно воспроизвести только силовое воздействие за счет изменения давления инертного газа, а задание поперечных нагрузок (изгибающих моментов), действующих на обтекатель, практически невозможно реализовать.
Техническим результатом заявляемого изобретения является полное воспроизведение аэродинамического воздействия (теплового и силового) на наружной поверхности обтекателя из неметаллических материалов при наземной отработке конструкции.
Технический результат обеспечивается тем, что предложенный способ включает нагрев наружной поверхности и измерение температуры в инертной среде, где силовое воздействие от нагружающих элементов до наружной поверхности обтекателя передается n-ым количеством стержней (равномерно распределенных по поверхности конструкции), проходящих через стенки токопроводящей и теплоизолирующей оболочки, причем сумма площадей поперечного сечения стержней много меньше нагреваемой поверхности, а плотность распределения стержней по поверхности конструкции выбирается таким образом, чтобы исключить концентраторы механических напряжений при взаимодействии стержней с наружной поверхностью конструкции.
При отработке конструкции керамических обтекателей ракет с применением установок радиационного нагрева силовое нагружение воспроизводят различными лямочными устройствами. Площадь взаимодействия таких устройств по отношению ко всей площади испытуемого изделия варьирует в диапазоне 0,01-0,1, причем необходимо подчеркнуть, что устройства помещаются в зоне нагрева. В прототипе (патент РФ №2517790) из-за малого рабочего пространства и более высокой температуры такие устройства невозможно использовать, поэтому заявляемое техническое решение является единственным для воспроизведения силовой составляющей аэродинамического воздействия. Кроме того, оно позволяет рассредоточить взаимодействие нагружающих устройств с испытуемым изделием, что позволяет повысить точность задания силового поля. Расчетным путем доказано, что при диаметре нагружающих стержней 10 мм из непрозрачных материалов, например из оксида циркония, искажение температурного поля в местах взаимодействия с испытуемым изделием составит не более 5%, что приемлемо для теплопрочностных испытаний обтекателей из керамики, а если применять прозрачные материалы, например кварцевое или ситалловое стекло, то погрешность искажения становится значительно меньше.
На чертеже представлен один из вариантов реализации способа. Силовое нагружение от нагружающих мешков 6 (которые монтируются на опорном корпусе 5) передаются на испытуемое изделие 1 нагружающими стержнями 7 через отверстия в теплоизоляции 3 и нагревателе 2, а для подачи напряжения на нагреватель 2 используют шины 4.