НАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ СТЕНДА ИСПЫТАНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ
HEATER FOR STRENGTH TEST RIG

В качестве нагревателей для теплопрочностных испытаний натурных конструкций летательных аппаратов (ЛА) наиболее широкое распространение получили радиационные нагреватели с кварцевыми трубчатыми лампами, обеспечивающие широкий диапазон температур и темпов нагрева [Баранов А.Н. Теплопрочностные испытания летательных аппаратов // Труды ЦАГИ, 1999, вып. 2638, с.78÷82]. Максимальная температура нагрева крупногабаритного объекта испытаний (ОИ) таким нагревателем составляет 1300÷1400 K, что уже недостаточно для современных скоростных ЛА. При прочностных испытаниях на внешнее давление нагреватель вместе с ОИ находится в ограниченном пространстве камеры высокого давления. На лампы осаждаются продукты деструкции ОИ и теплоизоляции камеры и нагревателя. Колбы ламп теряют прозрачность, сами поглощают тепло и разрушаются.
Известен высокотемпературный нагреватель, описанный в «Способе теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов» [патент RU №2456568, дата публикации 20.02.12], поверхностный нагревательный элемент (НЭ) которого непосредственно контактирует с наружной поверхностью ОИ. Заданное распределение температуры по высоте ОИ обеспечивается за счет разной толщины электропроводящих секторов нагревательного элемента, соединенных последовательно. На нагреватель с внешней стороны надета теплоизолирующая оболочка. Такая конструкция нагревателя не позволяет осуществлять быстрое охлаждение ОИ, что характерно для современных маневренных ЛА. Непосредственный контакт поверхностного нагревательного элемента с носовой частью испытываемого обтекателя, где должна быть обеспечена самая высокая температура, значительно затрудняет ее достижение. Как следует из самой формулы заявки, толщина нагревателя примерно обратно пропорциональна квадрату радиуса оболочки обтекателя. В носовой части радиус значительно уменьшается. Несмотря на увеличение удельного теплового потока в этой зоне, толщина нагревательного элемента увеличивается в несколько раз. В условиях больших темпов нагрева и охлаждения скажется инерционность утолщенного участка нагревателя. Еще больше увеличивает инерционность расположенная рядом массивная токоподводящая шина. Изменение сечения поверхностного нагревательного элемента за счет изменения его толщины - достаточно трудно реализуемая задача. Последовательное соединение всех зон нагревателя в одну цепочку не позволяет воспроизводить несинхронный нагрев разных участков ОИ. Это нижняя, верхняя и боковые поверхности ЛА, которые греются несинхронно.
Целью изобретения является максимальное приближение условий испытаний ЛА к натурным за счет возможности воспроизведения по времени и температуре неоднократных нагревов и охлаждений различных участков поверхности ОИ за одно испытание.
Это достигается тем, что между поверхностным нагревательным элементом и ОИ имеется зазор, в который на участках траекторного снижения температуры из коллектора подается охлаждающий газ. Величина зазора обеспечивается закрепленными на поверхности НЭ точечными упорами и устройствами натяжения НЭ, соединенными с выполненными подвижными токоподводящими шинами.
Зазор позволяет выполнить НЭ длиннее ОИ и выдвинуть вперед от носовой части и таким образом увеличить возможность его нагрева до заданной температуры.
Необходимое изменение площади поперечного сечения НЭ достигается подбором величины зазора, что позволяет изменять ширину НЭ, а не только толщину, а также вырезами в местах, где необходимо уменьшить площадь поперечного сечения. Величина зазора и площадь поперечного сечения поверхностного НЭ подбираются для каждого участка ОИ в зависимости от условий теплообмена и определяются расчетно-опытным путем.
Изготовление нагревателя из нескольких поверхностных НЭ позволяет соединять их параллельно и объединять в группы, соответствующие верхней, нижней и боковым наружным поверхностям ОИ. Каждая группа подсоединяется к своему источнику электропитания.
Это позволяет воспроизводить по времени и температуре неоднократные нагревы и охлаждения различных участков поверхности ОИ за одно испытание.
На чертеже представлена схема нагревателя. Нагреватель содержит несколько поверхностных НЭ 1, расположенных вокруг ОИ 2 с зазором 3, величина которого обеспечивается точечными упорами 4 и устройствами натяжения 5. ОИ закреплен на имитаторе смежного отсека 6. Вся сборка установлена на днище 7 компрессионной камеры. Нижние концы поверхностных НЭ подсоединены к минусовым токоподводящим шинам 8, 9, 10 и 11, объединяющим НЭ в группы для независимого нагрева верхней, нижней и боковых поверхностей ЛА. Минусовые токоподводящие шины выполнены подвижными. К ним подсоединены устройства натяжения НЭ. Верхние концы НЭ подсоединены к неподвижной общей плюсовой токоподводящей шине 12. В нижней части зазора установлены четыре коллектора 13 подачи газа для обеспечения охлаждения ОИ в определенные моменты времени и в определенной зоне боковой поверхности ОИ. Вокруг поверхностных НЭ надета теплоизолирующая оболочка 14. По длине НЭ в местах, где необходимо уменьшить площадь поперечного сечения, располагаются вырезы 15. Все элементы нагревателя закреплены на каркасе (на схеме не показан).
Нагреватель работает следующим образом.
При пропускании электрического тока через поверхностный НЭ происходит его резистивный разогрев. Участки с меньшей площадью поперечного сечения имеют большее электрическое сопротивление. На них выделяется большее количество тепла. За счет заранее подобранного распределения площадей поперечного сечения по длине НЭ путем выбора ширины участков и расположением вырезов и с учетом величины зазора подбирают необходимые тепловыделения и распределение температуры по длине участка поверхности ОИ, нагреваемого данным НЭ. Такой подбор идет для каждого НЭ. Нагреватель в целом проектируется под конкретный ОИ.
В процессе испытания для обеспечения заданной временной зависимости температуры ОИ регулируется напряжение электропитания каждой группы НЭ и подача газа для охлаждения соответствующей зоны ОИ. Контроль ведется по показаниям датчиков температуры (термопарам), установленным на поверхности ОИ.
В процессе нагрева и охлаждения НЭ меняют свою длину, а при нагружении ОИ нагрузками последний может деформироваться. Устройства натяжения НЭ постоянно поддерживают заданную величину зазора между ними и ОИ.
Нагреватель обеспечивает независимый нагрев или охлаждение любой из сторон ОИ, что характерно для современных маневренных ЛА, и одновременно позволяет проводить нагружение внешним давлением.