СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ОБТЕКАТЕЛЕЙ ИЗ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF TESTING FAIRINGS OF FRAGILE MATERIALS

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов.
В настоящее время для 100% контроля обтекателей ракет из хрупких материалов, например из керамики, применяется опрессовка обтекателя изнутри газом или жидкостью при давлениях, эквивалентной 60% силовой нагрузки. Способ достаточно прост, но имеет существенный недостаток - мало информативен. По этой причине практически невозможно прогнозировать поведение обтекателя после 60% силовой нагрузки. Кроме того, при разрушении конструкции обтекатель разлетается на куски и невозможно восстановить картину разрушения для определения координат начала разрушения.
Частично, перечисленные недостатки устранены в способе, описанном в источнике информации (Фокин В.И. Совершенствование методов и средств наземных статических испытаний конструкций головных обтекателей летательных аппаратов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Самара - 2009, с. 1-16).
Способ, описанный в работе Фокина В.И., заключается в создании избыточного давления во внутренней полости керамического обтекателя с синхронной регистрацией измерения зазора между торцом керамической оболочки и кольцом металлического шпангоута в процессе нагружения. В данном способе в основном оценивается прочность узла соединения.
Основным недостатком способа является то, что при разрушении оболочки из хрупкого материала в результате остается кучка осколков, из которых трудно, а в ряде случаев невозможно собрать оболочку, чтобы восстановить рисунок распространения трещин. Это важно при анализе результатов испытаний.
Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в патенте №2466371. В данном способе увеличена эффективность контроля узла соединения за счет контроля механических свойств непосредственно на натурном обтекателе, однако прототип имеет тот же недостаток, что и предыдущие аналоги - при разрушении испытуемого обтекателя теряется часть информации из-за разлета осколков оболочки. Кроме того, из-за случайного взаимодействия осколков обтекателя при разрушении с защитным кожухом к последнему предъявляются большие требования по прочности. Обычно, испытания на опрессовку керамических обтекателей проводят в бронекамере.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в уменьшении энергии разлета осколков при разрушении и автоматической сборке оболочки после разрушения для восстановления рисунка распространения трещин.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе испытания керамических обтекателей летательных аппаратов на разрушение, включающем создание избыточного давления во внутренней полости обтекателя, отличающемся тем, что предварительно на наружной поверхности обтекателя монтируют упругий перфорированный прозрачный чехол, на внутреннюю поверхность которого нанесен липкий слой, обеспечивающий возможность фиксации осколков обтекателя при его разрушении, и перфорированный защитный кожух, при этом пространство между наружной поверхностью упомянутого чехла и внутренней поверхностью кожуха заполняют резиновым материалом, например, в виде резиновых шариков.
При разрушении оболочки из хрупкого материала большая часть потенциальной энергии сжатого газа преобразовывается в кинетическую энергию осколков. Полную кинетическую энергию i-го осколка можно выразить формулой
i
(h)
где S - площадь осколка, на котором действует давление газа; P - давление газа на осколок в интервале от 0 до h; Е - модуль упругости демпфирующего материала между наружной поверхностью обтекателя и стенкой защитного кожуха; h - путь, пройденный осколком до полного преобразования потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую.
При отсутствии демпфирующего материала между наружной поверхностью обтекателя и стенкой защитного кожуха формула (1) принимает вид
В этом случае вся потенциальная энергия сжатого газа преобразовывается в кинетическую энергию i-го осколка.
Так как величина площади взаимодействия осколка с защитным кожухом имеет случайный характер, то требования к прочности последнего велики. По этой причине такие испытания проводят в бронекамерах. Кроме того, при взаимодействии керамических осколков с защитным кожухом они претерпевают дополнительные разрушения, которые не дают возможность восстановить исходную картину разрушения.
Из формулы (1) видно, что если пространство между наружной поверхностью и защитным кожухом заполнить демпфирующим (резиновым) материалом, то можно снизить кинетическую энергию осколков. Упругие свойства демпфирующего материала могут быть выбраны из условия
где Н - расстояние между наружной поверхностью обтекателя и защитным кожухом; d - перемещение наружной поверхности оболочки при максимальном давлении до разрушения обтекателя.
Подбором свойств демпфирующего слоя можно довести кинетическую энергию осколков при разрушении до нуля. Это дает возможность снизить требования к прочности защитного кожуха, так как защитный кожух при разрушении обтекателя взаимодействует только с демпфирующим слоем.
Для того чтобы сохранить картину распространения трещин в керамической оболочке с целью выявления начала разрушения, внутренняя часть упругого прозрачного чехла выполняется липкой, например из двустороннего скотча. В этом случае, при разрушении керамической оболочки, осколки, контактируя с липким слоем, фиксируются, а взаимодействуя с демпфирующей средой, возвращаются назад в исходное положение, что дает возможность восстановить первоначальную картину разрушения.
На фигуре представлена сборка обтекателя по предложенному способу. Цифрой 1 обозначен обтекатель, на котором монтируется упругий чехол 2 с липким слоем 3 на внутренней поверхности, пространство между наружной поверхностью обтекателя 1 и защитным кожухом 5 заполняется упругим (демпфирующим) материалом 4. Для герметизации внутренней полости керамического обтекателя 7 применяется заглушка 6.
Сборка работает следующим образом. При разрушении обтекателя 1 часть сжатого газа (при расширении) действует на осколки, а часть через отверстия перфорации в упругом чехле и отверстия 8 в защитном кожухе выходит в атмосферу. Осколки под действием сжатого газа взаимодействуют с демпфирующим материалом 4 через упругий чехол 2 с нанесенным липким слоем 3 и отдают часть своей кинетической энергии демпфирующему материалу 4. Так как осколки фиксированы липким слоем к упругому чехлу 2, то при уменьшении давления чехол вернется в исходное состояние вместе с осколками. Тем самым происходит восстановление первичной картины распространения трещин при разрушении обтекателя. После снятия демпфирующего материала 4 через прозрачный упругий чехол 2 первичная картина разрушения проявляется.
Предлагаемый способ может найти широкое применение при проведении опрессовки обтекателей ракет из керамических материалов.