Способ тепловых испытаний металлических шпангоутов керамических обтекателей
METHOD FOR THERMAL TESTING OF METAL FRAMES OF CERAMIC FAIRINGS

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к воспроизведению тепловых режимов головной части (обтекатель) ракеты в наземных условиях.
Известно, что слабое место керамического обтекателя - это узел соединения металлического шпангоута с керамической оболочкой.
При тепловых испытаниях керамическая оболочка разрушается от силового взаимодействия с металлическим шпангоутом из-за разности теплового коэффициента линейного расширения (ТКЛР) металла и керамики. Для того чтобы этого не происходило, необходимо знать зависимость расширения шпангоута от температуры на всей траектории полета до его сборки с керамической оболочкой.
В настоящее время металлические шпангоуты испытываются в составе всей конструкции обтекателя, например, способ по патенту Российской Федерации №2571442, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликованного 20.12.2015 Бюл. №35. Такой подход достаточно затратный, так как в случае отрицательного результата бракуется обтекатель или вся партия. С технической стороны имеются ограничения применения методов и средств исследования напряженно-деформированного состояния керамической оболочки в зоне узла соединения с металлическим шпангоутом вследствие расположения нагревателей с внешней стороны обтекателя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ тепловых испытаний керамических обтекателей ракет по патенту Российской Федерации №2531052, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликованного: 20.10.2014, Бюл. №29. В этом способе нагреву подвергается металлический шпангоут в зоне узла соединения оболочки со шпангоутом, причем температурный режим во времени соответствует фактической температуре шпангоута при аэродинамическом нагреве. Достоинство способа заключается в том, что он дает возможность воспроизвести и оценить напряженно-деформированное состояние керамической оболочки (максимально-приближенной к реальной) в узле соединения при одновременном воздействии тепловой и силовой нагрузками на обтекатель в наземных условиях. Однако прототип обладает тем же недостатком, что и аналог. Расширение шпангоута при тепловом нагружении может быть оценено только косвенно по напряженно-деформированному состоянию керамической оболочки. Если с керамической оболочкой был собран шпангоут с ТКЛР, не соответствующим техническим требованиям, и обтекатель при испытаниях разрушился, то бракуется изделие или вся партия.
Целью предлагаемого изобретения является испытание металлического шпангоута для оценки его теплового расширения и отбраковки его до сборки с керамической оболочкой.
Техническим результатом заявленного изобретения является снижение вероятности появления дефектных обтекателей в процессе их производства.
Эта цель достигается тем, что предложенный способ тепловых испытаний металлических шпангоутов керамических обтекателей, включающий нагрев шпангоута и контроль температуры, отличающийся тем, что на наружной поверхности испытуемого шпангоута, монтируют керамическую скобу с продольным разрезом, вырезанную из юбки керамической оболочки обтекателя, на внутреннюю поверхность скобы нанесен слой герметика, воспроизводящий клеевой слой в узле соединения керамической оболочки и металлического шпангоута, монтаж шпангоута в керамической скобе проводят за счет расширения продольного разреза клином, нагрев шпангоута проводят с его внутренней стороны с синхронной регистрацией изменения ширины продольного разреза скобы, а среднее радиальное расширение  рассчитывают по формуле:
0
где Δ - перемещение, измеренное в сечении, проходящей через ось штока датчика перемещений; R - исходный радиус испытуемого шпангоута; ΔС - толщина скобы; ΔH - высота площадки для установки датчика перемещений относительно наружной поверхности скобы; Δh - расстояние оси штока до основания датчика перемещений.
Это техническое решение позволит отбраковать металлические шпангоуты с ТКЛР, не соответствующим техническим требованиям до сборки оболочки с металлическим шпангоутом.
На фиг. 1 представлена схема проведения теплового испытания металлического шпангоута до сборки с керамической оболочкой, где цифрой 1 обозначено керамическое кольцо скобы 1 (вырезанного из зоны узла соединения оболочки и шпангоута данного типа обтекателя) со слоем герметика 2 на внутренней поверхности. На наружной поверхности кольца 1 смонтирован датчик перемещений 4 через теплоизолированные платформы 5, которые расположены по краям разреза кольца 1. Цифрой 3 обозначен испытуемый шпангоут, температура которого задается нагревателем, состоящим из инфракрасного излучателя 6 и теплоизолированной основы 7.
На фиг. 2 приведена схема скобы для вывода расчетной формулы (1), где цифрой 1 обозначено керамическое кольцо скобы, на наружной поверхности которого смонтирован датчик перемещения 2 через теплоизолированные платформы 3.
Взаимодействие металлического шпангоута с керамическим кольцом 1 через слой герметика при нагреве шпангоута можно описать системой уравнений 2-4 (см. фиг. 2.):
где δ - изменение длины окружности, образующейся на пересечении плоскости (перпендикулярной оси вращения шпангоута) со шпангоутом и проходящей через ось штока датчика перемещений.
Решая систему уравнений 2-4 относительно показаний датчика перемещений Δ находим, что:
Из (5) следует, что измерительная скоба 1 является своего рода усилителем среднего изменения радиального перемещения . Это дает возможность применить более простые измерители перемещений при малых изменениях . Это важно при исследованиях шпангоутов из материалов с малым ТКЛР, когда  меняется в диапазоне десятка микрон.
Экспериментальные исследования со скобами из стеклокерамики показали, что по формуле (5) можно рассчитать среднее изменение радиуса шпангоутов из инвара при нагреве в пределах температур до 300°C.
-6
Использование предлагаемого способа при входном контроле металлических шпангоутов из материалов с ТКЛР в диапазоне 0,5-10×10/°C обеспечивает сокращение брака дорогостоящих изделий - керамических обтекателей ракет.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2571442, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликован 20.12.2015, Бюл. №35.
2. Патент Российской Федерации №2531052, МПК G01M 9/04 (G01N 25/72), опубликован 20.10.2014, Бюл. №29.