СПОСОБ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR THERMAL TESTING OF MATERIALS AND ITEMS

Изобретение относится к области стендовых тепловых испытаний материалов, оборудования и машин. Оно может найти применение для диагностики характеристик термопрочности и термостойкости эксплуатируемых металлов, композиционных и керамических материалов, покрытий.
Из уровня техники известен способ испытания летательных аппаратов на прочность (RU 2396530, опубликован 11.03.2009), заключающийся в воздействии на испытуемый объект периодической знакопеременной нагрузкой посредством силовозбудителей и измерении величины полученной нагрузки с помощью датчиков силы. Величину и скорость периодической знакопеременной нагрузки регулируют электрическими параметрами, подаваемыми в электромеханические силовозбудители. Темпы нарастания и уменьшения нагрузки регулируют электромеханическими силовозбудителями и станциями частотного управления, управляемыми от программного устройства.
Недостатком данного способа является ограничение испытаний только при динамических нагрузках, без тестирования при высокоинтенсивном конвективно-терморадиационном воздействии.
Известен также способ (RU 2172709, опубликован 23.09.1999), реализованный стендом для тепловых испытаний космических объектов, в котором объект испытания устанавливают в вакуумной камере на подставке, регулируют положение нагревателей (имитаторов солнечного излучения) относительно облучаемых поверхностей, для обеспечения моделируемых условий воздействия космического пространства. После этого производят закрытие вакуумной камеры, ее вакуумирование и захолаживание. Во время работы вакуумной камеры осуществляют контроль по показаниям температурных датчиков, внешних расчетных полей температур, по каждой отдельно взятой поверхности контролируемого объекта и регулировку мощности излучения нагревателей. При этом каждую поверхность изолируют от облучения нагревателями, предназначенными для нагрева других поверхностей, а также для исключения бокового отражения лучистых потоков от элементов внутренней конструкции испытательного стенда.
2
Недостатком данного способа является то, что терморадиационная нагрузка моделируется только спектром солнечного излучения и низким значением соответствующего потока излучения (не более одной солнечной постоянной 1300 Вт/м). Кроме этого отсутствует воспроизведение тепловых потоков ультрафиолетового (УФ) излучения, например, для имитации входа в плотные слои атмосферы, а также в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне для моделирования условий облучения в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных двигателях (ГТД).
Известен способ (RU 2085897, опубликован 27.07.1997), реализованный стендом для тепловых испытаний изделий на теплостойкость, содержащим источник и профилированный канал для подвода нагружающей среды с заданным законом распределения давления по длине испытуемого участка изделия и нагреватель, представляющий собой газодинамическое устройство типа плазмотрона.
Недостатком данного технического решения является то, что комбинированное испытание проводится только на отдельном участке изделия и нагреватель, представляющий собой газодинамическое устройство, обеспечивает плазменный нагрев поверхности до заданной температуры, но с неизвестными компонентами конвекции и излучения.
Известен способ (RU 2010213, опубликован 30.03.1994), реализованный стендом для тепловых испытаний на прочность при температурном воздействии. Сущность его в том, что испытуемое изделие размещают в вакуумной камере между средствами температурного воздействия в виде камер из эластичного материала. Камеры соединены между собой стяжками с  возможностью регулировки по высоте. Изделие подвергают температурному воздействию путем контактного теплообмена. Испытаниям могут подвергаться изделия различной конфигурации за счет плотного прилегания стенок камеры к каждой части поверхности изделия.
Недостатком данного технического решения является то, что такое испытание, обеспечивая тестирование теплопрочностных характеристик изделий криволинейной формы при заданном температурном режиме нагрева, не позволяет оценить вклад лучистых и конвективных компонент. Оно также не указывает, насколько возможно увеличение интенсивности тепловой нагрузки, которая в свою очередь будет деформировать и нарушать целостность прилегающих к стенкам изделия эластичных камер.
Известен способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов (RU 2302984, опубликован 07.10.2005), заключающийся в воспроизведении характеристик штатного облучения космического аппарата имитатором внешних тепловых потоков с предварительным использованием аппарата-имитатора. Он тестируется при температурном режиме полета, при штатной эксплуатации космического аппарата на орбите, при указанных значениях вакуума и температуры криоэкранов.
Несмотря на точное предварительное моделирование тепловых потоков аппаратом-имитатором и воспроизведение внешних температурных режимов и вакуума, данное техническое решение обеспечивает испытание при интенсивностях теплового потока не выше солнечной постоянной, при отсутствии вклада конвективной и терморадиационной компонент теплового потока, т.е. моделируются только условия космического полета. Поэтому невозможно воспроизведение физических условий входа в плотные слои атмосферы. Кроме того, данные тепловые испытания ограничены применением методологии испытаний только космических объектов, не позволяя обеспечить подобную тепловую нагрузку в другом диапазоне длин волн, например, в ближнем ИК - актуальном для режимов эксплуатации камер сгорания ДВС и ГТД.
Также известен способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов, (RU 2456568, опубликован 22.02.2011), принятый нами за прототип, включающий зонный нагрев изделия и измерение температуры. 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, причем толщину каждого сектора нагревателя определяют по расчетной формуле.
В данном способе реализована возможность моделирования тепловых потоков любой величины, но только контактным способом, без возможности определения конвективных и лучистых компонент на различных участках испытуемого материала или изделий сложной формы. Кроме того, отсутствуют характеристики динамической нагрузки и внешние условия термовакуума и атмосферного давления. При этом может быть испытаны конструкции только неметаллических корпусов, что обусловлено модельным электронагревом, а температуры нагрева должны быть ограничены, чтобы избежать процессов термической деструкции.
2
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение эффективности моделирования тепловых испытаний в комбинации с динамическими, с заданным вкладом тепловых потоков конвективной и терморадиационной компонент до 10 МВт/м в УФ видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн при воздействии на материалы и изделия на режимах, максимально приближенных к натурным условиям их эксплуатации.
Сущность предложенного изобретения заключается в том, что способ тепловых испытаний материалов и изделий, включающий размещение и регулировку положения нагревателей относительно поверхностей объекта до их облучения, а в процессе облучения поверхностей объекта по результатам контроля температурными датчиками параметров теплового воздействия осуществляют управление ими, согласно изобретению нагреватели размещают набором отдельных модулей относительно облучаемых поверхностей объекта до их облучения, 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.
Кроме того, отличия еще состоят в том, что силовыми и динамическими нагрузками осуществляют воздействия в условиях окислительной среды, путем приложения силовых статических сосредоточенных и распределенных нагрузок в заданных точках или областях облучаемых поверхностей объекта; воздействие окислительной средой осуществляют на режимах, приближенных к натурной эксплуатации поверхностей объекта; силовые и динамические воздействия, а также воздействие окислительной средой выбирают с учетом условий теплового воздействия на облучаемые поверхности объекта. Основным техническим результатом является:
- модульный принцип размещения нагревательных элементов, что позволяет обеспечивать наилучшее соответствие распределения тепловых потоков натурным (реальным) распределениям;
- автоматическая регулировка, в процессе теплового воздействия как нагревательных элементов индивидуально, для облучаемых поверхностей объекта, так и взаимного расположения набора отдельных модулей, что позволяет, например, моделировать изменение тепловых нагрузок при изменении угла атаки, когда изменяется режим нагрева поверхностей объекта, а также оценить влияние маневренности объекта на его характеристики в широком диапазоне режимов эксплуатации (полета);
- совмещение моделирования условий нагрева с одновременным силовым и динамическим воздействием путем приложения силовых статических сосредоточенных (точечных) и распределенных нагрузок в заданных точках (узлах) или областях поверхностей объекта позволяет приблизить режимы испытаний к различным режимам эксплуатации, вплоть до имитации натурных по величине и времени воздействий.
Предлагаемый способ тепловых испытаний материалов и изделий реализуется следующим образом:
- размещают и регулируют положение различного размера панелей терморадиационных нагревателей относительно криволинейных поверхностей объекта до их облучения;
- терморадиационные нагреватели размещают набором отдельных модулей, индивидуально для каждой облучаемой поверхности объекта;
- устанавливают параметры теплового воздействия как по величине теплового потока, так и по требуемому диапазону длин волн;
- регулируют положение терморадиационных нагревателей, относительно облучаемых поверхностей объекта (в процессе теплового воздействия, для достижения требуемых его параметров) как индивидуально, так и изменением взаимного расположения отдельных модулей по результатам контроля температурными датчиками;
- одновременно с тепловым воздействием, осуществляют контролируемые воздействия на поверхности объекта силовыми и динамическими нагрузками, а также окислительной средой;
- воздействие окислительной средой осуществляют на режимах, приближенных к натурной эксплуатации поверхностей объекта;
- силовые и динамические воздействия, в условиях окислительной среды, осуществляют путем приложения силовых статических сосредоточенных (точечных) и распределенных нагрузок в заданных точках (узлах) или областях поверхностей объекта;
- режимы силовых, динамических воздействий и окислительной среды выбирают с учетом условий теплового воздействия на облучаемые поверхности объекта.
Согласно заложенному в предлагаемом способе принципу испытаний материалов и изделий реализуются и режимы испытаний в условиях воздействия вибрации с параметрами частоты и амплитуды воздействий, соответствующих натурным режимам, что позволяет определять спектр собственных частот всего изделия, в том числе и в условиях нагрева. Таким образом, реализация одновременного теплового, силового и динамического воздействия в режимах, соответствующих натурным, позволяет получать функциональные характеристики объекта и существенно сократить стоимость создания реальных образцов.
Воздействия, одновременно с ранее указанными факторами, окислительной средой на поверхности (реальных размеров) с нанесенными защитными покрытиями позволяют оценить стойкость этих покрытий на режимах, соответствующих натурной эксплуатации, чего нельзя сделать на малых (лабораторных) образцах, когда проявляется масштабный эффект.
На малых образцах и реальных поверхностях (в силу существенного различия их резонансных частот) покрытие (в условиях воздействия совокупности тепловых, силовых и динамических нагрузок) может иметь совершенно разные характеристики стойкости (расслоение, отслоение и т.п.). Возможность многократного повторения испытания, при вариации режимов моделирования внешних условий воздействий, повышает их эффективность, что нельзя достичь, например, при летных испытаниях в силу их высокой стоимости.