СПОСОБ ТЕПЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF THERMAL LOADING OF AIRCRAFT STRUCTURES MADE FROM NONMETALLIC MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения и авиационно-космической отрасли промышленности и может быть использовано при проведении испытаний конструкции летательных аппаратов и их узлов (головных обтекателей) из неметаллических материалов на тепловые, а также комплексные термовибрационные и термовакуумные воздействия при экспериментальной отработке в наземных условиях, как способ воспроизведения аэродинамического теплового воздействия.
В настоящее время воспроизведение аэродинамического нагрева осуществляется в различных установках: аэродинамических трубах, баллистических установках, плазменных установках, стендах на основе прямоточных реактивных двигателей [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.]. Недостатками способов является большая стоимость испытаний и, как следствие, ограничение применения в наземной отработке конструкций летательных аппаратов.
Одними из самых распространенных в практике наземных испытаний являются стенды радиационного нагрева.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов - Патент RU 2456568 C1, 20.07.2012. Способ включает зонный нагрев изделия и измерение температуры, отличающийся тем, что нагрев изделия осуществляют за счет контакта нагревателя с наружной поверхностью, а распределение температуры по высоте обтекателя задают электропроводящими секторами нагревателя разной толщины, соединенными в электрическую цепь последовательно.
Основным недостатком данного способа является то, что процесс передачи энергии в нагреватель осуществляется контактно с помощью токоведущих шин, расположенных на нагревателе, что создает конструктивные сложности в процессе проведения теплового нагружения, а также снижает точность выполнения программ испытаний.
Целью изобретения является конструктивное упрощение процесса передачи энергии в нагреватель и повышение точности выполнения программ испытаний при имитации в наземных условиях реального теплового воздействия за счет бесконтактной передачи энергии в нагреватель.
Цель достигается тем, что предложен способ теплового нагружения конструкций летательных аппаратов из неметаллических материалов, включающий зонный нагрев изделия и измерение температуры, отличающийся тем, что зонный нагрев изделия осуществляют бесконтактной передачей энергии переменным магнитным полем средней частоты, генерируемым индуктором, в промежуточный нагревательный элемент, выполненный из ферромагнитного материала, расположенный на поверхности изделия.
Авторы экспериментально установили, что при воздействии среднечастотного магнитного поля (2÷3 кГц), за счет магнитного сопротивления, происходит интенсивный разогрев промежуточного нагревательного элемента, выполненного из ферромагнитного материала, от которого теплопередачей осуществляется тепловое нагружение изделия. При этом остальная испытательная оснастка изготовлена из неферромагнитного материала, и при воздействии переменного магнитного поля средней частоты существенного нагрева ее не происходит. За счет этого эффекта исключены энергетические потери на нагрев испытательной оснастки.
Способ иллюстрирует схема, представленная на чертеже. Тепловое нагружение неметаллического изделия 1 осуществляется за счет передачи тепла от промежуточного нагревательного элемента 2, нагреваемого в переменном магнитном поле, генерируемом индуктором 3. Для уменьшения тепловых потерь и направления потока тепловой энергии на изделие промежуточный нагревательный элемент изолирован с внешней стороны специальным теплоизоляционным материалом 4. Исходя из условий режима теплового нагружения, индуктор и промежуточный нагревательный элемент изготавливают в различных конфигурациях и располагают как снаружи, так и внутри нагреваемого изделия.
Предлагаемый способ реализован следующим образом. При заданном распределении плотности теплового потока по высоте изделия конструкцию условно разделяют на зоны с заданной плотностью теплового потока. Далее для каждой зоны изготавливают промежуточный нагревательный элемент из ферромагнитного материала с поверхностью, эквидистантной поверхности изделия в соответствующей зоне теплового нагружения. Промежуточный нагревательный элемент вместе с изделием помещают в переменное магнитное поле средней частоты, генерируемое индуктором, в котором происходит его бесконтактный нагрев. Зонный нагрев изделия осуществляют теплопередачей от промежуточного нагревательного элемента и измеряют температуру в каждой зоне. Конструкционные, электрические и энергетические параметры системы индуктор - промежуточный нагревательный элемент устанавливают, исходя из режима теплового нагружения и специфики выполняемой задачи.
Для расчета распределения плотности теплового потока по высоте изделия нагревательный элемент разбивают на i зон (см. чертеж).
i
Плотность теплового потока q в i-той зоне может быть определена с помощью формулы:
<mrow><msub><mi>q</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>w</mi><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>с</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>μ</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>⋅</mo></mrow></msqrt><msub><mi>F</mi><mi>ф</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>h</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>h</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext>   (1)</mtext></mrow>
где w - количество витков индуктора, приходящихся на i-ую зону;
I - сила тока в индукторе;
св
k - коэффициент связи системы индуктор - нагреватель;
ρ - удельное электрическое сопротивление;
µ - относительная магнитная проницаемость;
f - частота тока в индукторе;
ф
F - поправочная функция;
i
Δh - высота i-той зоны;
i
r- радиус i-той зоны;
α - угол наклона i-той зоны к вертикальной оси.
Формула (1) выводится путем решения системы дифференциальных уравнений электромагнитного поля
<mrow><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>r</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>J</mi><mo>¯</mo></mover><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover accent="true"><mi>D</mi><mo>¯</mo></mover></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>r</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>¯</mo></mover></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>i</mi><mi>v</mi><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>i</mi><mi>v</mi><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>;</mo></mtd></mtr></mtable><mo>}</mo></mrow><mtext>  (2)</mtext></mrow>
,
где B - магнитная индукция;
D - электрическая индукция;
H - напряженность магнитного поля;
J - плотность тока проводимости;
E - напряженность электрического поля;
с учетом следующих допущений:
- электромагнитное поле меняется по синусоидальному закону;
- так как в металлах ток смещения много меньше тока проводимости, то для проводников
<mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mover accent="true"><mi>D</mi><mo>¯</mo></mover></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>J</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
, а для проводящих сред
.
Предлагаемый способ позволяет упростить процесс передачи энергии в промежуточный нагревательный элемент, повысить точность выполнения программ испытаний и снизить энергетические затраты на их проведение. Способ может найти широкое применение при проведении тепловых, а также комплексных термовибрационных и термовакуумных испытаний при экспериментальной отработке в наземных условиях конструкций летательных аппаратов и их узлов из неметаллических материалов с различной формой поверхности.