Способ теплового нагружения элементов конструкций летательных аппаратов
METHOD FOR THERMAL LOADING OF AIRCRAFT STRUCTURAL ELEMENTS

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано в авиационной и ракетно-космической отраслях промышленности, а так же в общем и специальном машиностроении для теплового нагружения элементов конструкций летательных аппаратов (ЛА) при проверке их работоспособности в процессе наземной лабораторно-стендовой отработки.
Известны способы теплового нагружения элементов конструкций ЛА применяемые в настоящее время на практике, в которых воспроизведение заданного теплового режима осуществляется посредством контактных нагревателей, расположенных на поверхности нагреваемой конструкции (патент РФ №2456568 МПК G01M 9/04 G01N 25/72 опубликовано 22.02.2011, патент РФ №2599460  МПК G01M 9/04 G01N 25/72 опубликовано 03.08.2015). Основным недостатком данных способов является расположение нагревателей на поверхности нагреваемой конструкции изделия, что вследствие непосредственного контакта с нагревательным элементом приводит к повреждению поверхностного слоя и покрытия испытуемой конструкции изделия.
Известен также способ по патенту РФ № 2530443 «Способ тепловых испытаний материалов и изделий», МПК G01M 9/04, G01N 25/72, опубликовано 10.10.2014. Способ включает размещение и регулировку положения нагревателей относительно поверхностей объекта до их облучения, отличающийся тем, что нагреватели размещают набором отдельных модулей относительно облучаемых поверхностей объекта, а в процессе облучения параметрами теплового воздействия их положение регулируют как индивидуально, так и взаимным расположением отдельных модулей, при этом осуществляют контролируемые и управляемые воздействия силовыми и динамическими нагрузками, а также воздействие окислительной средой на облучаемые поверхности объекта. Недостатком вышеописанного способа является неоднородность теплового поля, создаваемого радиационными нагревателями.
Так же известен способ по патенту РФ № 2534362 «Способ теплового нагружения конструкций летательных аппаратов из неметаллических материалов» МПК G01M 9/04, опубликовано 27.11.2014. Способ включает зонный нагрев изделия и измерение температуры, отличающийся тем, что зонный нагрев изделия осуществляют бесконтактной передачей энергии переменным магнитным полем средней частоты, генерируемой индуктором, в промежуточный нагревательный элемент, выполненный из ферромагнитного материала, расположенный на поверхности изделия. Основным недостатком данного способа является расположение промежуточного нагревательного элемента на поверхности нагреваемой конструкции изделия, что вследствие непосредственного контакта с нагревательным элементом приводит к снижению точности выполнения программ испытаний и повреждению в процессе теплового нагружения поверхностного слоя и покрытия испытуемой конструкции изделия из полимерно-композиционного или другого материала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ по патенту РФ № 648875 «Способ нагрева образцов» МПК G01N 3/18, опубликовано 25.02.79. Способ включает нагрев образцов путем их размещения в высокочастотном поле индуктора, отличающийся тем, что с целью обеспечения одностороннего нагрева образцов неметаллических материалов, параллельно образцу, между ним и индуктором размещают элемент из токопроводящего материала. Недостатком данного способа является сама схема нагрева, при которой отсутствует свободный доступ к внешней поверхности испытуемого образца, что приводит к снижению точности выполнения программ испытаний ввиду отсутствия контроля температуры нагрева и тепловых деформаций.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности выполнения тепловых режимов испытаний и исключение повреждения нагреваемого поверхностного слоя и покрытия испытуемой конструкции изделия в процессе теплового нагружения.
Технический результат достигается тем, что предложен способ теплового нагружения элементов конструкций летательных аппаратов, включающий нагрев изделия путем бесконтактной передачи энергии высокочастотным полем индуктора в промежуточный нагревательный элемент, расположенный эквидистантно поверхности нагреваемого изделия, отличающийся тем, что нагрев изделия осуществляют индуктором через промежуточный нагревательный элемент, расположенных со стороны внутренней поверхности изделия и проводят измерение температуры термодатчиками, размещенными на внешней поверхности изделия.
Предлагаемый способ реализован следующим образом: керамическое основание, на котором закреплен спиралевидный индуктор, изготовленный из сплошного токопровода, установлено во внутренней полости промежуточного нагревательного элемента, изготовленного из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, высокой температурой магнитного превращения и расположенного эквидистантно внутренней поверхности нагреваемого элемента конструкции, при этом электропитание индуктора осуществляется от генератора, подающего на индуктор переменное напряжение заданной частоты. В качестве материала для промежуточного нагревательного элемента могут использоваться ферромагнитные сплавы с высоким содержанием кобальта, железа и никеля температурой магнитного превращения соответствующей режиму нагрева элемента конструкции. Для компенсации реактивной мощности в эклектическую схему параллельно индуктору включена конденсаторная батарея. Измерения температуры или других параметров нагреваемого элемента конструкции в процессе теплового нагружения осуществляется с помощью соответствующих датчиков (температуры, перемещения и т.д.), установленных на конструкции.
Способ иллюстрируют фигуры 1 и 2. Тепловое нагружение элемента конструкции 1, установленного на опорное кольцо 7, осуществляется за счет бесконтактной теплопередачи от промежуточного нагревательного элемента 2, изготовленного из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, высокой температурой магнитного превращения (кобальт, железо, никель, ферромагнитная сталь и т.д.) и расположенного на подставке 3 эквидистантно внутренней поверхности нагреваемой зоны элемента конструкции 1 на некотором расстоянии от нее. Нагрев промежуточного нагревательного элемента 2 осуществляется путем воздействия электромагнитного поля генерируемого индуктором 4, расположенным внутри промежуточного нагревательного элемента (далее – ПНЭ) на электроизолирующем (керамическом или ином) основании 5, установленном вместе с элементом конструкции 1 на опоре 6. Расположение системы «индуктор-ПНЭ» внутри нагреваемой конструкции имеет большое практическое значение при решении задач контроля и измерения тепловых деформаций элементов конструкций.
На фигуре 2 приведена электрическая схема устройства для реализации способа теплового нагружения элементов конструкций летательных аппаратов. В устройстве параллельно индуктору L подключена конденсаторная батарея С, образующая с ним параллельный LC-контур, на который от генератора G подается переменное электрическое напряжение. Частота подаваемого напряжения, а соответственно и частота индуцируемого электромагнитного поля, определяется расчетным путем по формуле (1). Измерение температуры элемента конструкции И осуществляется с помощью датчиков температуры ВК (термопар), расположенных на поверхности элемента И. Конструкция устройства теплового нагружения позволяет также осуществлять измерение тепловых деформаций элемента И в процессе нагрева с помощью датчиков перемещения BR. Для обработки результатов измерения первичные преобразователи ВК и BR подключены к измерительно-вычислительному комплексу A01, соединенному с устройством ввода-вывода информации А02.
На первом этапе проводят расчет частоты переменного электромагнитного поля, генерируемого индуктором, исходя из соотношения:
(1)
0
0
Т
2
где k – постоянная, равная ε·с/π; ε– диэлектрическая проницаемость вакуума; с – скорость света в вакууме; ρ – удельное электрическое сопротивление материала ПНЭ; Δ – глубина проникновения электромагнитной волны в материал ПНЭ (скин-слой); μ  – относительная магнитная проницаемость материала ПНЭ.
Из условия резонанса тока параллельного LC-контура системы «индуктор-конденсаторная батарея» рассчитывается количество витков N токопровода, требуемое для нагрева ПНЭ на частоте f:
(2)
a
где h – высота индуктора (нагреваемой зоны); f – частота индуцируемого электромагнитного поля; С – емкость конденсаторной батареи; μ – абсолютная магнитная проницаемость сердечника индуктора; S – площадь сечения (торца) индуктора.
Далее для индуктора, имеющего N витков, рассчитываются геометрические и электротехнические параметры токопровода, исходя из геометрических параметров нагреваемой зоны элемента конструкции, а также требуемой плотности падающего теплового потока. Для изготовления индуктора рекомендуется использовать сплошной токопровод соответствующей конфигурации, поскольку это не требует дополнительного водного, воздушного или иного охлаждения индуктора и позволяет сделать устройство для воспроизведения способа теплового нагружения в целом значительно более мобильным и автономным.
После проведения расчетов изготавливают следующие конструктивные элементы (см. фиг. 1): промежуточный нагревательный элемент 2, подставка 3, индуктор 4, электроизолирующее основание для индуктора 5, опора 6 и осуществляют монтаж элементов установки в соответствии со схемами, приведенными на фиг.1 и фиг.2.
Для теплового нагружения элемент конструкции 1, с закрепленными в контрольных местах датчиками температуры, устанавливают на опорное кольцо 7, изготовленное из того же материала, и осуществляют геометрическую центровку положения элемента 1 относительно промежуточного нагревательного элемента 2 путем смещения элемента в соответствующем направлении на величину, определяемую по результатам предварительного нагрева и измерения распределения температуры в нагреваемой зоне. Центровка осуществляется до достижения требуемой равномерности нагрева. При необходимости устанавливают датчики измерения перемещения. По завершению перечисленных подготовительных операций осуществляют тепловое нагружение элемента конструкции по заданному температурному режиму.
Предлагаемый способ позволяет повысить точность выполнения программ испытаний и исключить повреждение нагреваемого элемента конструкции ЛА. Способ может найти широкое применение при измерении тепловых деформаций элементов конструкций ЛА, а также при проведении тепловых и комплексных термовибрационных и термовакуумных испытаний в процессе наземной лабораторно-стендовой отработки конструкций ЛА, имеющих сложные формы поверхности.