CC BY
70
УДК 629.7.018.3:536.24
С. В. Резник, О. В. Денисов
РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИК ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ НАТУРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ НА УСТАНОВКАХ РАДИАЦИОННОГО НАГРЕВА
Приведены постановка и результаты тепловых испытаний по определению коэффициента теплопроводности полимерных композиционных материалов в окружном направлении непосредственно на элементах натурных тонкостенных стержневых космических конструкций. Испытания проведены на гелиоустановке и в вакуумной камере с галогенными источниками излучения.
E-mail: sreznik@bmstu.ru
Ключевые слова: композиционные материалы, коэффициент теплопроводности, космические конструкции, испытания, радиационно-кондуктивный теплообмен.
В стержневых космических конструкциях (КК) из композиционных материалов (КМ) для обеспечения стабильности формы и размеров в период эксплуатации должны быть ограничены уровни и перепады температуры, влияющие на деформации. При заданных тепловых нагрузках и размерах КК их температурное состояние зависит от сочетания теплофизических (ТФС) и оптических свойств КМ [1].
Ввиду большого разнообразия и уникальности каждой партии стержней из КМ (различные типы наполнителя и связующего, число слоев и углы укладки волокон, режимы термообработки) почерпнуть из справочной литературы данные по их ТФС практически невозможно. В традиционных методиках определения ТФС материалов используются образцы в форме круглой или прямоугольной пластин. Изготовление таких образцов из натурной стержневой конструкции затруднительно и может привести к нарушению структуры материала. Обычно продолжительность экспериментов лежит в интервале от нескольких часов до нескольких десятков часов, а результаты испытаний могут иметь существенную погрешность. Очевидно, что назрела необходимость применения более совершенных программно-аппаратных средств для получения данных по ТФС КМ.
Цель методик — повышение точности и производительности тепловых испытаний по определению ТФС КМ стержневых КК на основе применения современных методов и средств математического, физического моделирования и идентификации тепловых процессов.
Постановка и техника экспериментальных исследований. Результаты математического моделирования [1] выявили существенное
влияние коэффициента теплопроводности А^ в окружном направлении на температурное состояние композитных стержневых КК. Определение А^, можно обеспечить с помощью экспериментально-расчетной процедуры параметрической идентификации [2]. В основе процедуры лежит обработка экспериментальных данных, полученных при тепловых испытаниях элементов натурных стержневых КК с помощью решения коэффициентной обратной задачи.
При проведении эксперимента следует создать такие условия, в которых искомый параметр проявляет себя наиболее сильно в определенном интервале температур. Для повышения точности параметрической идентификации коэффициента теплопроводности А^ стержневой элемент должен быть равномерно нагрет по длине и неравномерно в окружном направлении. Этим требованиям удовлетворяют установки радиационного нагрева.
Объект исследований — полый цилиндрический стержень, состоящий из двух внешних слоев ткани СВМ-4 толщиной 0,2 мм и внутреннего слоя углепластика КМУ-4 толщиной 2 мм, был изготовлен в ОНПП "Технология". В углепластике КМУ-4 углеродный наполнитель ЭЛУР-0,08П пропитан эпоксидным связующим ЭНФ-5 [3].
Эксперименты по определению А^ были поставлены на гелиоустановке ИГУС (ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины) и в вакуумной камере СШВ (ОАО ВПК "НПО машиностроения") с галогенными источниками излучения (таблица).
На установке ИГУС (рис. 1) можно достаточно точно моделировать плотность, спектральный состав и угловую структуру теплового потока, подводимого к поверхности испытываемого объекта. Отражающая поверхность установки ИГУС сформирована в виде прямоугольной вырезки из параболоида общей площадью 2x2 м2 и образована из 9 рядов плоских фацет (170 x220 мм2) по 11 штук в каждом ряду. Каждая фацета на индивидуальной шаровой опоре прикреплена к одному из продольных
Рис. 1. Гелиоустановка ИГУС:
1 — фацета; 2 — силовая рама; 3 — рама измерительного участка; 4 — штанга; 5,6 — электрические приводы системы наведения
силовых элементов корпуса, смонтированных на силовой раме. Силовая часть измерительного участка выполнена в виде прямоугольной цельносварной рамы, вынесенной вперед. Благодаря карданной системе подвеса и двух независимых приводов силовая рама способна совершать повороты по азимуту на 180° и по углу места на 120°.
Таблица
Основные особенности гелиоустановки ИГУС и вакуумной камеры СШВ
Гелиоустановка ИГУС Вакуумная камера СШВ
1. Идентичность плотности, спектрального состава и угловой структуры падающего излучения при эксперименте и в реальных условиях эксплуатации. 2. Зависимость от погодных условий и времени года. 3. Необходимость учета конвективного теплообмена при анализе экспериментальных данных. 1. Идентичность плотности падающего излучения при эксперименте и в реальных условиях эксплуатации. 2. Возможность проведения эксперимента в вакууме и при различных начальных температурах объекта. 3. Угловая структура и спектральный состав падающего излучения отличаются от солнечного.
Рис. 2. Вакуумная камера СШВ:
1 — корпус камеры; 2 — стержень; 3 — нагреватель; 4 — датчики температуры; 5 — датчики теплового потока ФОА-020; 6 — кронштейн; 7 — системы вакуумирования и охлаждения; 8 — к вакуумному насосу; 9 — охлаждающая жидкость
Наведение и слежение за Солнцем осуществлялось вручную путем совмещения пятна светового луча, приходящего из визирного отверстия, с отметкой на корпусе.
Корпус вакуумной камеры СШВ изготовлен в форме цилиндра диаметром 1500 мм, высотой 2420 мм (рис. 2). Для уменьшения потока собственного излучения от внутренней поверхности камеры применена система водоохлаждения. Нагревательная панель смонтирована из 25 галогенных ламп накаливания КГТ0-220-2500. Во время экспериментов с помощью вакуумной системы в камере поддерживалось давление 10-3 ммрт. ст. Стержень и блок датчиков теплового потока были размещены в центральной части зоны измерительного участка с помощью специального кронштейна. Плотность прямой радиации и излучение, отраженное от стенок камеры, измерялись датчиками Ф0А-020. Материал блока датчиков
теплового потоков — кварцевый теплоизолятор. Как показали эксперименты, отраженный от стенок камеры тепловой поток был настолько мал, что датчиком ФОА-020 не фиксировался.
Последовательность и результаты экспериментов. На этапе планирования испытаний при прогнозировании температурного состояния элементов конструкций принимались во внимание технические возможности установок, а для установки ИГУС также и климатические характеристики района испытаний в летне-осенний экспедиционный период (июль-сентябрь). Для черноморского побережья Крыма вблизи п. Кацивели прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность при высокой прозрачности атмосферы и наиболее высоком стоянии Солнца достигает qs,0 = 800 Вт/м2. В рассматриваемый период среднемесячная температура воздуха близка к 290 K, достигая максимального значения 297 K в конце июля. Скорость ветра в этот период по данным многолетних наблюдений в среднем составляет 3... 5 м/с.
Результаты прогнозирующих расчетов по модели радиационно-кондуктивного теплообмена в полом стержне [1] показали, что максимальное значение температуры стержня не превысит 340 K, а градиенты температуры в радиальном и окружном направлениях не превысят соответственно 2 K и 80 K. Сравнительно невысокий уровень расчетных значений температуры послужил основанием для выбора датчиков температуры — термопар типа ХК и ХА, имеющих в ожидаемом диапазоне температур стабильные и линейные характеристики.
Схема размещения полого стержня в измерительном участке установки ИГУС показана на рис. 3. Стержень закреплен в центральной части рамы с помощью двух шпилек таким образом, что его продольная ось параллельна горизонтальной плоскости. Для контроля плотности радиационных потоков qs,0 и qs,m служили датчики типа Ф0А-020. Для тер-мометрирования был выбран участок, равноотстоящий от торцов.
Рис.3. Размещение полого стержня в измерительном участке гелиоустановки ИГУС:
1 — стержень; 2 — рама; 3, 4 — датчики ФОА-020
На внешней и внутренней поверхностях стержня установлено по 5 термопар типа ХА.
На расстоянии 30 мм от места измерения стержень был разрезан на две части, после чего в него были заведены термопары и закреплены в заданных точках поверхности с помощью клея ВК-9 и съемной спиральной пружины, защищенной от приклеивания лавсановой пленкой. Затем обе половины стержня склеивали тем же клеем. При установке термопар на внешней поверхности также применяли клей ВК-9 и лавсановую пленку. Поверхность термоэлектродов изолирована стеклонитью и покрыта лаком. Термоэлектроды выведены вдоль продольной оси стержня и подсоединены к измерительной колодке.
С помощью измерительных панелей, оснащенных датчиками типа Ф0А-020, была исследована степень неравномерности падающих потоков излучения дв,т, формируемых системой зеркал установки ИГУС. В результате экспериментов выявили, что в местах предполагаемых температурных измерений неравномерность величины д3,т не превышала 10% (см. заштрихованную область на рис. 3).
Для воспроизведения заданной тепловой нагрузки после нацеливания установки на Солнце открывались восемь предварительно выставленных зеркальных фацет. На установке ИГУС были проведены шесть испытаний стержня, каждое продолжительностью 600 с. При этом значения величины были существенно разными (минимальное — 480 Вт/м2, максимальное — 790 Вт/м2). Независимые измерения дв 0 осуществлялись с помощью актинометра через каждые 60 с. Отклонение д3,0 в процессе эксперимента не превышало 5 %. Показания термопар регистрировались шлейфовым осциллографом Н0-30А, а показания датчиков Ф0А-020 — цифровым вольтметром ЩА-300 и записывались через каждые 5 с. Типичное изменение температуры стержня по координате р в различные моменты времени показано на рис. 4.
В вакуумной камере СШВ было проведено три испытания стержня. Характерные зависимости плотности падающего теплового потока от времени и экспериментальные термограммы представлены на рис. 5, 6.
Оценка методической погрешности измерения температуры (МПИТ) контактными датчиками проводилась по методике [4]. Значения МПИТ не превышали 5 % максимального уровня температуры Теах, инструментальные погрешности составляли 1,6% от значения величины Теах.
Значения коэффициентов теплопроводности в окружном направлении, выявленные на основе экспериментов на гелиоустановке ИГУС и в вакуумной камере СШВ, удовлетворительно совпадают (рис. 7). Различие искомых зависимостей можно объяснить неопределенностью коэффициента теплоотдачи, значения которого использованы в качестве исходных данных для решения обратной задачи.
Qs,m g Qs, 0
0 100 200 300 400 500 г, с
Рис. 4. Термограммы, полученные при испытании цилиндрического стержня на гелиоустановке ИГУС:
1, 2, 3,6, 7 — номера датчиков температуры
qWR, Вт/м
1,4 _
1,2 - / V
1,0 - / ^—
0,8 - /
0,6 -
0,4 -
0,2 1 1 1 1
0 200 400 600 800 г, с
Рис. 5. Изменение плотности падающего потока в камере СШВ
Рис. 6. Термограммы, полученные при испытании цилиндрического стержня в вакуумной камере СШВ (1-10 — номера датчиков температуры)
Хф, Вт/(м-К)
290 310 330 350 Г, К
Рис. 7. Зависимости коэффициента теплопроводности КМ стержня в окружном направлении от температуры:
1 — гелиоустановка ИГУС; 2 — вакуумная камера СШВ
Авторы благодарят канд. техн. наук И.И. Лопухова и д-ра техн. наук Г.А. Фролова за помощь при проведении экспериментальных исследований.
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по гранту 08-08-01065а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Денисов О. В., Калинин Д. Ю., Резник С. В. Моделирование температурного состояния элементов композитных стержневых космических конструкций // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение". - 2008. - Спец. выпуск. - С. 183-192.
2. Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем: Учеб. пособие / О.М.Алифанов, П.Н.Вабищевич, В.В.Михайлов и др. - М.: Логос, 2001. -400 с.
3. Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее: В 3 т. - Т. 2. Передовые технологии производства / В.В. Скороход, Н.А. Никифоров, С.В. Резник и др.; Под ред. С.В. Резника. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 296 с.
4. Я р ы ш е в Н. А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
Статья поступила в редакцию 21.12.2009
