Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее. Том З. Экспериментальные исследования

          взгляд В БУДУЩЕЕ



      Материалы
      и покрытия
      в экстремальных условиях

       3
      том

      Экспериментальные исследования



          Под редакцией Ю.В. Полежаева, С.В. Резника




         МОСКВА
         Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2002

       УДК 629.76
       ББК 34.651
           М27

          Рецензенты: член-корр. РАН О.М. Алифанов, академик РАН А.И. Леонтьев
          Редакционная коллегия: Ю.В. Полежаев, С.В. Резник, В.Г. Ситало, В.В. Скороход, А.Н. Тимофеев, В.И. Тимошенко, Г.А. Фролов                                             ’


              Материалы и покрытия в экстремальных условиях.


       М27 Взгляд в будущее: В 3 т. - Т.З. 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.

              ISNB 5-7038-1992-Х (Т.З)
              ISNB 5-7038-11989-Х

              Книга является частью научного издания в трех томах, обобщающего результаты оригинальных научных исследований материалов, покрытий и конструкций для работы в экстремальных условиях. В данном томе освещено современное состояние методов и средств испытания материалов и конструкций при высоких тепловых и механических нагрузках, воспроизводящих реальные условия работы современных и перспективных машин и аппаратов. Приводятся характеристики уникальных испытательных установок и стендов, рассматриваются новые методики эксперимента.
              Книга может быть полезна ученым и инженерам, а также студентам и аспирантам технических вузов.
                                                   УДК 629.76
                                                   ББК 34.432






ISNB 5-7038-1992-2 (Т.З)
ISNB 5-7038-1989-Х

© Коллектив авторов, 2002
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002

Посвящается светлой памяти наших учителей - создателей ракетной и космической техники


            ПРЕДИСЛОВИЕ


          Теория и эксперимент лежат в основе процесса создания современных машин и аппаратов. Значение эксперимента в ракетно-космической технике трудно переоценить - слишком велика сложность и стоимость объектов, ограниченны сроки проектирования и испытания, имеется большое число плохо изученных явлений и факторов, способных оказать влияние на работоспособность узлов, агрегатов, отсеков и натурных объектов.
          Важность физического эксперимента и высокая ответственность за достоверность его результатов были осознаны еще пионерами авиации и ракетостроения. Чего только стоит драматизм преодоления «теплового барьера», возникшего при создании первых отечественных ракет большой дальности! Блестящий пример успешной организации серии сложных физических экспериментов, сочетающих лабораторные исследования материалов, стендовые испытания элементов конструкций, агрегатов и отсеков с летно-конструкторскими испытаниями, дала программа «Энергия - Буран». Согласно данным НПО «Молния», для проведения газодинамических экспериментов была разработана серия геометрически подобных моделей орбитального корабля «Буран» и его фрагментов (97 тепловых, 27 газодинамических, 16 акустических) и проведены исследования теплообмена в натурных условиях на летающих моделях «Бор - 4» и «Бор-5».
          Сегодня имеется огромное количество публикаций, посвященных проблемам испытаний. Дело в том, что каждому этапу жизненного цикла (проектирование - производство - применение - переработка) любой машины или аппарата соответствуют свои задачи, методы и средства испытаний. Тем не менее уже многое сделано для построения достаточно универсальной методологии испытаний.
          Данный том - часть трехтомного научного издания, обобщающего результаты оригинальных научных исследований материалов, покрытий и конструкций, предназначенных для работы в экстремальных условиях. В этом томе освещено состояние методов и средств испытания материалов и конструкций при высоких

3

       тепловых и механических нагрузках, воспроизводящих реальные условия работы объектов ракетно-космической и авиационной техники. Приведены характеристики уникальных испытательных установок и стендов, изложены новые методики эксперимента.
           Существенно, что разнообразные виды тепловых и теплопрочностных испытаний рассмотрены в настоящей работе как составные части единой системы. Понятно, что разработка такой системы не по силам одному человеку. Вот почему данный том написан коллективом авторов на основе опыта ведущих научных центров России и Украины: ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского (г. Жуковский Московской обл.), ЦНИИМАШ (г. Королев Московской обл.), ОИВТ РАН (г. Москва), ИТМ НАН и НКА Украины (г. Днепропетровск), ИПМ НАН Украины (г. Киев), МГТУ им. Н.Э. Баумана. Не остался в стороне и опыт научных центров' зарубежных стран, в первую очередь США. Многие результаты исследований нашли отражение в курсах лекций, читаемых студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана, Днепропетровского государственного университета и других вузов.
           Книга не только дает характеристику современного состояния испытательной техники, но способна сформировать у читателя представление о перспективных направлениях исследований. Надеемся, что она будет полезна многим специалистам, а также аспирантам и студентам.



                                 Член-корреспондент РАН Ю.В. Полежаев, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана С.В. Резник

                1. РЕЖИМЫ И МЕТОДЫ ТЕПЛОСИЛОВОЙ ОТРАБОТКИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ
                МАТЕРИАЛОВ




         Процессы в высокотемпературных многофазных потоках в значительной мере определяют уровень развития энергетики, металлургии, авиации, космонавтики, химической технологии и других отраслей народного хозяйства. Повышение интенсивности этих процессов обуславливает необходимость разработки тепловой и эрозионной защиты обтекаемых элементов. В общем объеме работ по созданию теплозащитных покрытий (ТЗП) газодинамические испытания играют доминирующую роль. Для решения проблем тепловой защиты используются сверх- и гиперзвуковые аэродинамические трубы с различными подогревателями, ударные аэродинамические трубы, баллистические стенды и трубы, газогенераторы, центробежные стенды.
         Обширный экспериментальный материал по тепловой защите элементов конструкций накоплен в различных отраслях техники, особенно в авиационной и ракетно-космической. Однако публикации по данной теме в периодических и специальных изданиях, разобщены и методически неоднородны. Большое количество определяющих параметров, отсутствие единых методик в постановке и проведении экспериментов, разнообразие испытательных стендов затрудняют интерпретацию экспериментальных данных.

1.1. ЗАДАЧИ и режимы испытаний

         В процессе испытаний необходимо воспроизводить по специфическим законам воздействие обтекающего потока, которое характеризуется рядом факторов.
         Собственно испытанием называется комплекс работ по приведению системы в рабочее состояние с целью оценки каких-либо ее свойств. Параметрами называются величины, характеризующие физические, химические, геометрические или какие-либо другие свойства системы в исходном или рабочем состоянии. Комплекс работ по измерению, регистрации и оценке параметров системы называется контролем. Задачей испытаний является подтверждение соответствия контролируемых параметров заданным пределам в течение требуемого промежутка времени.
         Газодинамические испытания предполагают непосредственное воздействие газа на испытуемый объект. В дальнейшем газ, используемый в испытательных установках, называется рабочим те

5

       лом. Поле возмущенного газового потока описывается следующими параметрами: - модулем вектора скорости невозмущенного потока; р«,,/^-плотностью и давлением невозмущенного потока; ср, X, ц - коэффициентами теплоемкости, теплопроводности и вязкости газа; L - характерным размером тела; а, ср - углами, определяющими ориентацию тела относительно вектора скорости набегающего потока; Tw - температурой поверхности. Рабочее тело предполагается совершенным газом. Это означает, что молекулярная масса газа (1, его теплоемкость при постоянном давлении ср и показатель адиабаты k = cₚ/cᵥ постоянны. Однако вязкость газа ц изменяется в зависимости от температуры.
           При обтекании модели, геометрически подобной натурному изделию, необходимо воспроизвести на стенде все 11 перечисленных физических параметров. Сами системы тепловой защиты могут активно влиять на набегающий поток. Например, при использовании разрушающихся теплозащитных материалов (ТЗМ) газообразные продукты разрушения проникают далеко в пристеночный слой и даже могут изменить форму головной ударной волны, образующейся в сверхзвуковом потоке перед обтекаемым телом. Учет только этого одного эффекта - эффекта вдува - требует ввести следующие параметры: молекулярную массу и температуру вдуваемого газа; расход вдуваемых газообразных веществ. Еще значительнее расширяется перечень параметров при учете неустановившихся режимов обтекания и разрушения.
           Условия функционирования и конструктивное оформление тепловой защиты отличаются большим разнообразием (рис. 1.1). Стенды, для теплогазодинамических испытаний, делятся на две крупные категории: исследовательские и отработочные.
           Принципиальным различием между ними является то, что на первых, как правило, не соблюдается геометрическое подобие модели натурным изделиям, а режимы испытаний могут значительно отличаться от натурных условий.
           Основное назначение исследовательских стендов - получение необходимой научной информации для построения моделей тепломассообмена на поверхности тел, обтекаемых высокоскоростным потоком газа. Задачи, решаемые на исследовательских стендах состоят в изучении:
           -закономерностей теплообмена в многокомпонентном пограничном слое при наличии различных физико-химических превращений как в газовой фазе, так и на поверхности тела, включая эффекты каталитичности стенки;

6

          -     закономерностей перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный при наличии неизотермичности, шероховатости, вдува продуктов через поверхность тела;
          -     механизма турбулентного тепломассообмена при наличии турбулентности и акустических возмущений в набегающем потоке, вдува, шероховатости на стенке при различных числах Маха и градиентах давления;
          -     влияния перечисленных выше особенностей тепломассообмена в ламинарном, переходном и турбулентном пограничных слоях на параметры тепловой стойкости тепловой защиты.



Рнс.1.1. Основные области применения системы тепловой защиты и типичный вид теплозащитных покрытий в ракетно-космической технике:

а - ракета-носитель; б - спускаемый аппарат; в - головная часть;
          г - двигательная установка; 1 - композиционный ТЗМ; 2 - теплоизоляционный материал;
3 - сотовая конструкция; 4 - силовая оболочка

7

           Последняя задача решается последовательно в три этапа.
           1.    Сравнительные испытания различных вариантов систем тепловой защиты при некоторых «стандартных» режимных параметрах, определяемых условиями их будущего применения. Испытания проводят при постоянных параметрах набегающего потока на одном режиме работы установки. Особого внимания требуют воспроизводимость этих параметров, надежность и точность методов контроля, достаточность объема полученной информации для последующего сравнения. Применительно к разрушающимся ТЗМ последнее условие, например, требует корректного учета влияния на уровень тепловых и силовых нагрузок изменяемой геометрической формы модели. Естественно, что продолжительность испытания должна гарантировать выход параметров разрушения на стационарный уровень.
           2.    Выяснение механизма взаимодействия отобранных (по результатам первого этапа) систем тепловой защиты при изменении условий теплосилового нагружения в широких пределах, в том числе и на нестационарных режимах. Результаты этого этапа исследований используются при построении математической модели, а также для проверки теоретических методов расчета, выработки рекомендаций по областям предпочтительного использования данного материала или теплозащитной системы.
           3.    Определение теплофизических и оптических свойств ТЗМ, в том числе излучательной способности поверхности, теплоты физико-химических превращений, молекулярной массы продуктов разложения и т.д. Проведение таких исследований требует разработки специальных методов и целого комплекса «негазодинамических» испытательных установок, имитирующих воздействия высокотемпературной среды.
           На всех трех этапах работы исследовательских стендов необходимо руководствоваться требованием соблюдения одномерности процессов тепло- и массообмена. Это означает, что результаты испытаний не должны зависеть от соотношения структуры или толщины ТЗП и диаметра модели. Применительно к композиционным материалам, отличающимся грубой, крупномасштабной структурой, это требование сводится к заданию минимального линейного размера образца порядка 10 мм. Дополнительные мероприятия необходимы для герметизации и тепловой изоляции боковых поверхностей моделей.

8

          Стенды теплогазодинамической отработки предназначены, в первую очередь, для испытания натурных изделий, либо геометрически подобных натурным моделей. Цель этих испытаний можно сформулировать следующим образом:
          -     получение данных о распределении тепловых и силовых нагрузок вдоль всей экспонируемой поверхности с учетом изменения геометрии поверхности в процессе теплового разрушения и влияния этого процесса на всю картину обтекания;
          -     изучение теплового режима функционирования изделия с учетом геометрической и тепловой неоднородности его поверхности за счет установки датчиков, рулей, стабилизаторов и других элементов, нарушающих равномерность обтекания, теплообмена и теплопроводности внутри изделия;
          -     исследование влияния отклонений технологического процесса заводского изготовления ТЗП на стабильность его параметров в условиях газодинамического воздействия и других условиях штатной эксплуатации. Эта задача исключает использование геометрически подобных, но уменьшенных моделей.
          Условия функционирования изделий, имеющих систему тепловой защиты, отличаются большим разнообразием. В качестве характерных примеров представлены зависимости от времени некоторых траекторных и тепловых параметров спускаемых аппаратов типа «Восток», «Зонд», «Луна-16» (рис. 1.2,а, б, в).
          Изменение скорости входа с 7,8 до 11,2 км/с привело к увеличению доли радиационного потока в суммарной тепловой нагрузке на аппаратах «Зонд» и «Луна-16» по сравнению с «Востоком». Положения максимумов тепловой и силовой нагрузок разнесены на временной шкале.
          Из рис. 1.2 следует, что в качестве определяющих параметров при выборе режимов газодинамических испытаний систем тепловой защиты должны выступать максимальные значения удельных тепловых потоков и их интегральные (по времени) величины. При выборе режимов работы стенда, моделирующего баллистический спуск возвращаемого отсека в атмосфере Земли, необходимо установить эквивалентные параметры стендовых испытаний и разработать методику сопоставления результатов стендовых и натурных испытаний.
          Принято считать, что распределение плотности атмосферы по высоте Н подчиняется экспоненциальному закону, параметры которого выбираются как коэффициенты согласования с реальным распределением в диапазоне высот, соответствующем максималь-

9

ним тепловым и силовым нагрузкам: р = роехр(-р/7); ох= =           - баллистический коэффициент; g = g₀ [5 /(r₀ + Я)] -
        ускорение силы тяготения; 9вх- угол наклона траектории относительно местного горизонта (рис. 1.3,а); г₀ - радиус планеты; т -масса летательного аппарата.



Рис.1.2. Характер изменения скорости, высоты, конвективного и лучистого тепловых потоков при спуске в атмосфере Земли [3]:

а - «Восток»; б - «Зонд»; в - «Луна-16»


10