УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения, применяется в экспериментальных исследованиях для моделирования нестационарного температурного поля в элементах конструкций ракетной техники, работающих короткое время в условиях высокотемпературного обтекания газовым потоком. Полезная модель позволяет моделировать нестационарное температурное поле в сборочных единицах сложной формы, состоящих из разнородных материалов, включающих внешнее теплозащитное покрытие, теплоизоляционный слой и стальной элемент конструкции, методом воздействия непрерывного лазера или окислительного потока от газокислородной горелки.
В настоящее время воспроизведение теплового воздействия, которое ракета испытывает в полете, осуществляется в различных установках: аэродинамических трубах, баллистических установках, плазменных установках, стендах на основе сжигания топлива, стендах радиационного нагрева [1, 2]. Известны различные способы моделирования нестационарного температурного поля в конструкциях ракетной техники, работающих короткое время в условиях высокотемпературного обтекания газовым потоком, например способ тепловых испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов (RU 2571442 С1, 20.12.2015). Его недостатком является необходимость испытывать целые конструкции ракетной техники и невозможность для получения достоверных результатов использовать элементы этих конструкций.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ определения теплофизических характеристик (SU 1406469 А1, 30.06.1988), в котором осуществляют односторонний подвод тепла к плоскому образцу, что позволяет испытывать теплофизические характеристики твердых материалов. Его недостатками являются необходимость поддержания постоянной разницы температур по толщине образца и невозможность проведения высокотемпературных испытаний.
Известны устройства, в которых изделия подвергаются высокотемпературному воздействию, например устройство для крепления образцов при высокотемпературных испытаниях (SU 1067399 С1, 15.01.1984).
Общеизвестно, что изделия сложной формы возможно изготавливать из бетона.
Известно [3], что существует класс жаропрочных бетонов.
Известна огнеупорная бетонная смесь (RU 2331617 С2, 20.08.2008), предназначенная для изготовления футеровок и содержащая андалузитовый заполнитель, реактивный глинозем, высокоглиноземистый цемент, тонкодисперсный кремнезем, триполифосфат натрия и лимонную кислоту. Ее недостатком является то, что рабочий диапазон огнеупорного бетона, полученного из указанной огнеупорной бетонной смеси не превышает 1600°С.
Известен термостойкий диоксидциркониевый бетон гидратационного твердения с рабочей температурой до 2500°С [4], использование которого позволяет изготавливать изделия сложной формы, не требующие ни обжига для спекания, ни термообработки.
Задачами, на решение которой направлена полезная модель, являются увеличение рабочей температуры держателей и приближение экспериментальных условий к одномерной задаче распространения температурной волны, характерной для сложных изделий большого размера, когда площадь нагрева существенно превышает толщину изделия.
Технический результат обеспечивается за счет использования в конструкции полезной модели фиксатора, изготовленного из термостойкого стабилизированного кубического диоксида циркония с малой теплопроводностью.
Устройство для моделирования нестационарного температурного поля в изделиях сложной формы в условиях воздействия мощных тепловых потоков от непрерывного лазера или окислительного потока газокислородной горелки включает в себя сборку материалов, идентичную сборке материалов в элементе конструкций ракетной техники, выполненную с сохранением технологии соединения материалов (например, склейка, напыление и т.п.) вдоль линии наибольшей плотности теплового потока в конструкции, заключенный в составную цилиндрическую оболочку фиксатора, выполненного в виде двух полуцилиндров из термостойкого материала на основе стабилизированного кубического диоксида циркония с малой теплопроводностью (около 1,5 Вт/м⋅К), что обеспечивает приближение к одномерной задаче распространения температурной волны, характерной для сложных изделий большого размера, когда площадь нагрева существенно превышает толщину изделия. Оболочка фиксатора состоит из двух полуцилиндров, что позволяет размещать радиальные отверстия для выхода излучения для определения динамики изменения температурного поля вдоль сборки материалов в процессе внешнего торцевого нагрева в любых точках. Возможность выбора диаметра сборки позволяет варьировать требуемый уровень мощности источника нагрева (лазера или горелки).
Экспериментальные исследования с помощью такого устройства позволяют определить слабые места конструкции ракетной техники - нагрев одного из материалов выше допустимого уровня или плохое исполнение клеевого контакта между разнородными материалами, а также определить скорость тепловой волны в сборки материалов.
На фиг. 1 представлен пример такого испытания элемента конструкции ракетной техники - щитка органа управления, где обозначены следующие элементы:
1-3 - сборка материалов щитка органа управления;
4, 5 - полуцилиндры фиксатора;
6 - радиальные отверстия.
По результатам численного моделирования была определена линия (траектория) максимальной величины плотности теплового потока от нагреваемой поверхности до наиболее холодного и наименее стойкого к нагреву элемента конструкции - металлического штифта вала щитка органа управления. Вдоль этой линии располагаются три материала - внешний теплозащитный слой углерод-углеродный композиционный материал 1, теплоизоляционный объемно-армированный углерод-углеродный композиционный материал аргалон 2 и стальной силовой элемент 3, соединенные с помощью клея ФТП-ВК по заводской технологии. Эта последовательность расположения и размеров слоев материалов была воспроизведена в экспериментальной сборке материалов диаметром 10 мм. Сборка материалов была помещена в сборный цилиндр 4, 5 из термостойкого стабилизированного кубического диоксида циркония с внешним диаметром 50 мм и внутренним диаметром 10 мм.
Эксперименты были выполнены как с нагревом горелкой поверхности торца сборки до уровня яркостной температуры 1350°С, так и лазером мощностью 4 кВт с нагревом поверхности торца сборки материалов до 4400°С.
Результатом испытания стало определение момента прихода температурной волны в металл - около 30 с, уровня максимального нагрева металла - менее 100°С и величины скачка температуры на клеевых контактах - менее 200°С.
На фиг. 2 показано устройство для моделирования нестационарного температурного поля в элементах конструкций ракетной техники при воздействии мощных тепловых потоков в исходном состоянии.
На фиг. 3 показано устройство для моделирования нестационарного температурного поля в элементах конструкций ракетной техники при воздействии мощных тепловых потоков после облучения.
Источники.
1. 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.
2. Елисеев В.Н. Теплообмен и тепловые испытания материалов и конструкций аэрокосмической техники при радиационном нагреве / В.Н. Елисеев, В.А. Товстоног. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, 396 [1] с.
3. ГОСТ 25192-2012. Бетоны. Классификация и общие технические требования.
4. High-refractory concretes for lining high-temperature units. A study of the high-temperature tensile strength of zirconium dioxide based hydration hardening (water setting) concretes / Bakunov O.V., Borovkova L.B., Melekhina T.A., Pakhomov E.P., Chubarov Yu.I. // Refractories and Industrial Ceramics, 1991. v. 31. № 7, 8, с. 381-383.