1. Основные понятия и определения в области тепловых режимов летательных аппаратов

1.1. Терминология

Теплонагруженная система – это объект, находящийся в условиях теплового взаимодействия с окружающей средой.

Рис. 1.1

Под тепловыми нагрузками подразумевается воздействие, изменяющее количество теплоты в объекте исследования.

Температура – характеристика теплового состояния того или иного объекта.

Температурное состояние – характеристика распределения температуры в объекте исследования в различных его пространственных точках в различные моменты времени. Эквивалентом температурного состояния является температурное поле.

Тепловой режим – совокупная характеристика температурного состояния объекта исследования и тепловых нагрузок.

Темп нагрева (охлаждения) – изменение температуры во времени.

– темп нагрева;

– темп охлаждения;

Рис. 1.2

На практике темп нагрева некоторых элементов конструкции космической техники может достигать нескольких сотен Кельвинов в секунду.

Градиенты температуры – изменение температуры по пространственным координатам.

Нагревание ведется с поверхности х=0. Такая поверхность называется фронтальной, а при x=h – тыльной.

Рис. 1.3

Во многих случаях градиент температуры возникает по всем трем координатам. Однако в инженерных расчетах решают одномерные задачи, так как градиенты температур по другим осям сравнительно малы.

В теплозащитных покрытиях градиенты температур достигают 1000 К/мм. Такие большие значения характерны для приповерхностных слоев и только для начальных моментов времени. Со временем температурное поле становится более однородным.

Наиболее опасными являются начальные тепловые взаимодействия. Высокие градиенты температуры порождают возникновение больших температурных напряжений. Поэтому, хотя температура в начальный момент нагрева не достигает запредельных значений, опасно возникновение термических напряжений. Однако термические напряжения могут вызвать разрушение приповерхностных слоев. σ_т

Размерности: dim T=K=град.

dim ΔT=K=град ;

dim =К/с; dim =К/м ;

dim Q= Вт = Дж/м=Н·м/с=кг·м²/с³,

где Q – тепловой поток, ΔT – перепад температур между характерными точками объекта.

– плотность теплового потока – количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу поверхности.

dim q=Вт/м²=кг/с³.

Обращение к такой размерности возникает при выводе безразмерных комплексов – критериев подобия по использованию метода анализа размерностей.

q_w – плотность падающего теплового потока;

q_p – плотность потока собственного излучения (поток, который покидает поверхность объекта исследования);

α_f – коэффициент теплоотдачи характеристика интенсивности конвективного теплообмена между поверхностью объекта и окружающей средой, имеющей температуру T_f ;

q_v – внутренние источники или стоки теплоты;

dim α_f =Вт/(м²·К); dim q_v =Вт/м³

1.2. Классификация теплонагруженных систем

Все теплонагруженные системы можно разделить на 3 группы:

1. Теплопреобразующие;

2. Теплозащитные;

3. Силовые;

1)В теплопреобразующих системах осуществляется преобразование одного из видов энергии в тепловую или наоборот.

Примеры: ракетные двигатели, ядерные реакторы, двигатели внутреннего сгорания, плазмотроны, источники света, солнечные батареи, солнечные парусные системы.

Основным условием их проектирования является ограничение температуры в тех или иных точках конструкции. Температура в этих точках не должна превышать допустимую:

;

Сами значения T_a зависят от назначения объекта, принятых конструктивных, технологических решений. Величина T_a может варьироваться в широких пределах. Например, температура поверхности сопла РДТТ, выполненного углерод-углеродного материала, не должна превышать 2000 К, а температура поверхности солнечных батарей не должна превышать 600 К.

В каждом случае значение T_a назначается исходя из конкретного механизма потери основных качеств. Обычно эти качества связывают с понятием – термостабильность. Это распространенный, хотя и не общепринятый термин. Он имеет англоязычное происхождение «thermal stability». По сути, этот термин определяет способность объекта противостоять тепловым воздействиям (нагреванию/охлаждению) и сохранять при этом способность к выполнению возложенных задач (т.е. сохранять работоспособность).

В ракетных двигателях не допускается разгар сопла, либо устанавливаются его жесткие пределы, т.к. изменение размеров сопла, особенно критического сечения, ведет к изменению удельного импульса, т.е. понижению характеристик двигательной установки.

В солнечной батарее кпд уменьшается с увеличением температуры.

Рис. 1.4

2)В теплозащитных системах используются приемы, блокирующие подвод или отвод теплоты.

Различают пассивные и активные теплозащитные системы.

В пассивных системах отсутствует хладагент, с помощью которого от защищаемого объекта отводится избыток теплоты. Защитные функции возлагаются на специально подобранные материалы: термостойкие (хладостойкие), теплоизоляторы и т.д.

Наряду с условием используется условие ограничения плотности проникающего теплового потока : ; а в некоторых случаях – самого теплового потока теплоты: и общего количества энергии, поступившего или вышедшего за пределы объекта: .

;

3)Силовые системы выполняют вспомогательные функции по отношению к другим теплонагруженным системам. Они используются для крепления, передачи механических связей, обеспечивают несущую способность. В механике такие конструкции рассматриваются в качестве главного объекта исследования.

Типичные примеры силовых конструкций: подкрепленные пластины, оболочки – топливные баки, корпуса ракетных двигателей на твердом топливе, камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей, сопла и насадки сопел, панели приборных отсеков и сами приборы, солнечные батареи, радиаторы для отвода теплоты, антенные отражатели, фермы и рамы, мачты, звенья манипуляторов, тросовые системы.

Наряду с ограничением по допустимой температуре важно ограничение , так как, по сути, это ограничение (температурных напряжений).

Очевидно, что для силовых конструкций на первое место выходят вопросы прочности и устойчивости в условиях переменных температур.

Последние годы большой интерес проявляется к размеростабильным конструкциям.

Размеростабильность – один из видов термостабильности.

Рис. 1.5

Смысл этого понятия вытекает из простейшей формулы, связывающей линейные размеры объекта с изменением температуры и коэффициентом – коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР).

К^-1;

Перепады температур в реальных ракетно-космических конструкциях могут колебаться

 К;

Допустимые отклонения размеров обычно связаны с назначением объекта. Например, в космических антеннах: ;

;  ГГц;

 Гц; =10^-2 м;

В некоторых случаях требования по допустимым отклонениям могут быть очень высоки.

Одна из идей обеспечения высокой размерной стабильности состоит в том, чтобы КТЛР . Для достижения такой цели предпринимаются усилия по созданию композиционных материалов, отдельные слои которых должны быть уложены в пакет под разными углами, что в итоге может привести к исчезающе малым . Сами материалы, в которых , именуют термонейтральными. Однако этот термин не совсем точен, так как отдельные слои реагируют на тепловое воздействие, а необходимый синергетический эффект термонейтральности достигается за счет укладки отдельных слоев. Каждый (Т) зависит от температуры, но зависимость разная.

Другим, более привычным способом обеспечения размеростабильности является уменьшение величины, т.е. (уменьшение перепадов температур). Уменьшение величины может быть достигнуто с использованием хорошо проводящих тепло материалов.

Рис. 1.6

– коэффициент теплопроводности, характеризует способность материала проводить теплоту. Вт/(м·K);

Т₁–Т₂ ;

₂ – более благоприятное условие для конструкции.

Другие приемы состоят в использовании терморегулирующих покрытий. С их помощью можно не допустить резкого изменения температуры в зонах «свет-тень».

Наряду с термином «термостабильность» используются схожие по смыслу понятия: термостойкость, жаростойкость, хладостойкость, морозоустойчивость, пожароустойчивость. А материалы, с помощью которых достигается термостабильность, именуются высокотемпературными, огнеупорными, жаростойкими и т.д.

Возникновение этих терминов часто обусловлено особенностями прикладных задач:

• защита от пожара (пожаростойкость);

• защита конструкции от действия нагретого металла, пламени газовых горелок, электрических дуг (огнеупорные материалы);

• предотвращение подвода теплоты к охлажденным веществам, рабочим средам и сохранение при этом теплоизолирующих качеств в холодильнике (хладостойкость);

Для достижения термостабильности конструкции необходимо использовать термостабильные материалы.

Под термостабильными материалами понимаются далее такие материалы, в которых отсутствуют необратимые физико-химические и структурные превращения, вызывающие утрату объектом своих основных служебных качеств (потерю формы, размеров, нарушение герметичности, радиопрозрачности, теплоизолирующей способности и других).

Наряду с термином термостабильность часто встречается термин термостабилизация (термостатирование). Термостабилизация подразумевает использование технических или иных приемов поддержания заданной температуры объекта. В этом смысле термостатирование имеет то же назначение.

В лабораторной практике нашли применение термостаты – устройства, в котором создаются строго определенные значения температуры рабочих сред жидкостей или газов. Часто по условиям опыта необходимо, чтобы экспериментальный образец находился в контакте с рабочей средой, имеющей заданную постоянную температуру. Такой подход упрощает обработку экспериментальных данных.

В общем, термостабильность более широкое понятие, чем термостабилизация.