Устройство для тепловых испытаний теплозащитных материалов до температур 2000 K
APPARATUS FOR THERMAL TESTING OF HEAT-SHIELDING MATERIALS TO TEMPERATURES OF 2000 K

Изобретение относится к теплофизике и может найти применение при разработке испытательного оборудования, обеспечивающего нагревание объекта до высокой температуры (2000-2200 K) за сравнительно короткий промежуток времени ~20-30 с и последующее охлаждение объекта.
Известны устройства для испытания объектов, в том числе теплозащищенных элементов и образцов летательных аппаратов, путем создания теплового потока с помощью инфракрасного нагревания до высоких температур, в которых нагревательные системы располагаются параллельно нагреваемой поверхности конструкции на определенном расстоянии от нее. (а.с. №120940, класс 42k, 20 и 42k, 34(05), 1959 г.; патент RU №2440700, МПК Н05В 3/44, 2012 г.; патент RU №2562277, МПК G01N 25/72, B64G 7/00, 2015 г.; Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов / А.Н. Баранов, Н.Г. Белозеров, Ю.С. Ильин, В.В. Кутьинов. М.: Машиностроение, 1974 г. стр. 131-139, 143-151)
В этих работах предполагается подача электрической мощности на нагревательные элементы, излучающие тепловую энергию в окружающее пространство. В основном это металлические излучатели из жаропрочных материалов или кварцевые лампы, которые широко применяются при тепловых статических испытаниях. При дискретном расположении их параллельно нагреваемой поверхности они нагревают эту поверхность с определенной неравномерностью, зависящей от взаимного расположения излучателей между собой и нагреваемой поверхностью. Как правило, это стационарные установки, в которых нагреваемый объект и нагреватели неподвижны, или, в крайнем случае, может перемещаться нагреватель. Однако они обладают рядом недостатков для выполнения сложных программ испытаний элементов и агрегатов гиперзвуковых летательных аппаратов, главные из которых следующие:
1. Металлические излучатели из жаропрочных материалов (трубчатые и ленточные) применяются до температур 1200-1375 K, достаточно громоздки, сложны в изготовлении и надежность их работы определяется качеством сварного шва.
2
2. Кварцевые излучатели широко применяются до температур 1600-1700 K и для получения лучистых потоков с плотностью до 1500 кВт/м. Однако, находясь между рефлектором и нагреваемой поверхностью, кварцевая оболочка лампы может достичь температуры размягчения кварца (1450 K), после чего происходит потеря прозрачности кварца и затем разрушение лампы. Особенно часто это происходит при испытаниях теплозащитных материалов и образцов теплозащитных покрытий, которые могут частично разлагаться при нагреве и продукты разложения осаждаются на кварцевой оболочке лампы, затеняют ее и преждевременно выходят из строя. Применять кварцевые лампы при температурах выше 1600-1700 K не представляется возможным.
3. Перечисленные выше устройства не позволяют проводить испытания при пониженном давлении в вакуумной камере и выполнять программный режим охлаждения поверхности испытываемого образца.
4. Практически невозможно наблюдать за поведением поверхности образца в процессе охлаждения, особенно в вакуумной камере.
Кроме того, перечисленные выше устройства не позволяют многократно, точно по программе, производить охлаждение испытываемых материалов и образцов покрытий, нагретых до температур 2000 K-2200 K, а также наблюдать за их поведением при охлаждении.
Известно устройство, описанное в патенте RU №2562277 МПК G01N 25/72 от 11.08.2015 г. принятое за прототип.
В этом устройстве (фиг. 1) нагревательный блок состоит из 23 нагревательных ламп, рефлектор, собран из стальных труб 1, которые охлаждаются водой, а его облучаемая поверхность закрыта позолоченными никелевыми пластинками 5, имеющими высокую отражательную способность и теплопроводность, что позволяет избежать перегревания неохлаждаемых концов пластинок. Пластинки приклеены к трубам таким образом, чтобы между ними образовывалась щели, через которые поступают струи воздуха, охлаждающего колбы ламп и объект испытаний. Трубы закрепляют на стальной плите 4 при помощи приваренных к ним втулок 2 с внутренней резьбой и пустотелых шпилек 3. Шпильки используют для подачи в трубы охлаждающей их воды
В этом устройстве имеются все описанные элементы: корпус, рефлектор, токоподводящие элементы, кварцевые излучатели, система подвода воды и охлаждающего газа (воздух, азот, аргон и др.).
Однако устройство имеет ряд конструктивных сложностей, с его помощью невозможно достичь уровня температур 2000 К-2200 К, поскольку максимальная температура нагрева может составлять 1600-1700 K. Практически невозможно наблюдение за поведением поверхности испытываемого образца в режиме охлаждения и использование устройства в вакуумной камере из-за подачи в рефлектор охлаждающей воды.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание устройства, обеспечивающего выполнение нагревания теплозащитного материала до высоких температур (2000К-2200К), последующего охлаждения его и наблюдение за поведением его поверхности при охлаждении.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что устройство для тепловых испытаний теплозащитных материалов до температур 2000 K - содержит инфракрасный нагреватель с излучателями, систему управления нагревом, систему охлаждения, измеритель температуры (термопару), теплозащитную обойму для размещения образца испытываемого теплозащитного материала, систему перемещения теплозащитной обоймы из зоны нагрева в зону охлаждения, при этом все элементы размещены в вакуумной камере, как минимум с одним смотровым окном находящимся в зоне охлаждения. По периметру инфракрасного нагревателя расположены термостойкие экраны с возможностью плотного прижатия к ним теплозащитной обоймы с образцом испытываемого теплозащитного материала. Излучатели выполнены из композитного материала, система перемещения теплозащитной обоймы выполнена электромеханической и состоит из гибких тяг, шарниров, рычага на стойке и электромеханизма, связанного с одним концом рычага, при этом рычаг снабжен упором, электромеханическая система дополнительно снабжена возвратной пружиной большого удлинения с тягами или направляющими пластинами.
На фигуре 1 приведена схема устройства прототипа.
На фигуре 2 показана схема устройства в режиме нагревания
На фигуре 3 показана схема устройства в режиме охлаждения
На верхнем основании рамы 1 (фиг. 2) закреплена регулируемая по высоте стойка 2, на которой установлен высокотемпературный нагреватель 3, снабженный излучателями из композиционного материала, способного работать при температурах до 2200…2300 К. Нагреватель 3 имеет термостойкий экран и способен работать без охлаждения до указанных выше температур. Он подсоединен к системе автоматического управления нагревом (САУ) и подачи электрической энергии 19. Контроль выполнения программы нагрева осуществляется измерителем температуры-термопарой 20, являющейся обратной связью в системе управления нагревом. На той же стойке 2 установлен коллектор 5 системы охлаждения образца, снабженный соплами для подачи охлаждающего газа в вакуумную камеру. Нагреватель 3 снабжен боковыми экранами 6 из термостойкого материала, образующих по периметру нагревателя окно, к которому вплотную прижата теплозащитная обойма 4. Теплозащитная обойма с образцом из теплозащитного материала 4 сверху подвешена с помощью узла крепления 7 и тяги 8 к одному плечу рычага 9, снабженному упором 10, который в верхнем положении (фиг. 3) в момент охлаждения поддерживает обойму с образцом теплозащитного материала 4 в вертикальном положении. Рычаг 9 закреплен на стойке 11 и может поворачиваться в вертикальной плоскости. Второй конец рычага 9 через шарнир 12 и гибкую тягу 13 соединен с электромеханизмом 15 через шарнир 14. Электромеханизм 15 закреплен на нижнем основании рамы шарниром 16. Включение путевого сигнала на электромеханизме 15 осуществляется САУ нагревом по показаниям термопары 20 в соответствии с программой нагрева. Снизу к теплозащитной обойме с образцом теплозащитного материала 4 подсоединена на гибкой тяге 17 возвратная пружина 18, которая возвращает теплозащитную обойму в исходное положение.
Все элементы устройства помещены в вакуумную камеру так, что в верхнем положении (фиг. 3) теплозащитная обойма с испытываемым образцом теплозащитного материала 4 расположена напротив смотрового окна 21 вакуумной камеры, находящегося в зоне охлаждения.
Управление нагревом по программе выполняет САУ нагрева, и в момент начала охлаждения испытываемого образца теплозащитного материала от нее подается путевой сигнал для вывода его из зоны нагревания и включения системы охлаждения, коллектора 5, которой установлен на стойке 2 (фиг. 3). Устройство расположено в вакуумной камере таким образом, что при выводе испытываемого образца из зоны нагрева он оказывается одновременно перед коллектором охлаждения 5 напротив смотрового окна 21 вакуумной камеры для наблюдения за поведением его нагретой поверхности. Для возврата в исходное положение образец снабжен возвратной пружиной 18 большого удлинения с тягами или направляющими пластинами.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
После вакуумирования камеры подключают электрическую энергию к нагревателю 3 и проводят нагревание испытываемого образца теплозащитного материала, установленного в обойме 4 до заданной температуры 2000-2200К. Затем в момент начала программного охлаждения по путевому сигналу от САУ нагрева на электромеханизм 15 поступает сигнал на уборку его штока и за счет движения штока образец теплозащитного материала выходит из зоны нагрева и попадает в зону охлаждения и наблюдения через смотровое окно 21. В этот момент нагреватель может быть выключен и включено газовое охлаждение (азот, аргон) поверхности образца. Затем в случае необходимости по программе испытаний его возвращают в исходное положение с помощью возвратной пружины или направляющих пластин. Эта процедура может повторяться в зависимости от программы испытаний несколько раз.
Таким образом, удается выполнить тепловые испытания теплозащитных материалов до температур 2000-2200 K и наблюдать за поведением их поверхности при последующем охлаждении.