5.2 Тепло вакуумные испытания
Тепловакуумные испытания КЛА и его элементов являются комплексными (многофакторными) испытаниями, так как на испытуемый объект одновременно воздействуют как минимум два фактора — температура, диапазон которой может колебаться от -130°С до +150°С, и пониженное давление окружающей среды.
Целью таких испытаний является отработка конструкции КЛА и его систем на функционирование, определение предельных возможностей испытуемого объекта, определение прочностных характеристик конструкции, определение фактического устройства" теплоизоляции КЛА, а также уточнение математической модели тепловых режимов КЛА в целом и его элементов.
Тепло вакуумные испытания имеют следующие особенности:
1. При их проведении, когда исследуются процессы теплообмена элементов KA между собой и с окружающей средой, необходима имитация тепловой части внешнего электромагнитного излучения, имитация поглощения излучения космическим пространством и вакуума в пределах 10-3 — 10-4 Па.
2. Особое влияние на тепловое состояние оказывают вакуум (в табл. 2.7 приведены ориентировочные уровни вакуума, необходимого для имитации в стендовых условиях различных физических явлений, характерных для космического пространства), жесткие составляющие электромагнитного излучения, включая ультрафиолетовое, потоки протонов и электронов и др.
3. При отработке работоспособности узлов трения, электроконтактных механизмов, пиросредств, уплотнений в условиях космического пространства необходима имитация явлений десорбции поверхностных пленок, диффузии твердых веществ в вакууме. Для этого кроме воспроизведения внешних тепловых потоков требуется имитация более высокого вакуума (10-6 — 10-8 Па).
В качестве экспериментальных средств для проведения тепловакуумных испытаний используют вакуумные камеры различных объемов, где размещаются имитаторы солнечного и планетного излучения, а также экраны, охлаждаемые криогенными жидкостями для обеспечения «черноты» и «холода» космического пространства.
На рис. 2.99 показана принципиальная схема тепловакуумной камеры «Дженерал электрик» с искусственной системой излучения (ИСИ) неосевой оптической схемы.
5.3 Теплостатические испытания
Необходимость проведения теплостатических испытаний КЛА или его элементов возникает в тех случаях, когда на конструкцию в процессе эксплуатации действуют одновременно такие нагрузки, как высокие и низкие температуры, статические, вибрационные и линейные инерционные перегрузки, ударные нагрузки, акустические воздействия и т.д.
На примере изменения удельной прочности в зависимости от температуры (рис. 2.100) можно показать, что с повышением температуры удельная прочность материалов σв /γ, т.е. отношение предела прочности σв к удельному весу γ, снижается, и при определенной критической
температуре один материал необходимо заменить другим, более жаропрочным (стойким). Изучение влияния длительности воздействия повышенных температур на механические характеристики конструкционных материалов особенно важно, когда температуры элементов конструкции близки к пределу применимости материалов, а также когда конструкция предназначена для длительной эксплуатации.
Классическая методика проведения статических испытаний предусматривает постепенное увеличение нагрузки, прикладываемой к конструкции ЛА небольшими ступенями. Величина ступеней обычно не превышает 10% от расчетной нагрузки.
При теплостатических испытаниях ЛА такая методика не годится. Необходимо согласовывать по времени программы нагружения и нагревания, для того чтобы получить те же комбинации тепловых и механических нагрузок, которые имеют место в полете. Силовое и тепловое нагружения на элементы конструкции ЛА являются известными функциями времени. В процессе тепловых механических испытаний целесообразно воспроизводить нагрузки и температурные поля в натурном масштабе времени, причем из всех возможных траекторий следует выбирать ту, для которой сочетание нагрузок и температур наименее благоприятно по условиям прочности. Однако не всегда удается однозначно определить самую опасную расчетную траекторию. На одной из них могут быть, например, максимальные нагрузки и невысокие температуры, а на другой, наоборот, самые высокие температуры, но небольшие нагрузки. В этом случае испытания должны предусматривать проверку прочности JIA при температурных полях и нагрузках, соответствующих всем опасным траекториям.
Надо помнить, что основным требованием при тепловых и механических испытаниях является наиболее точное по отношению к полетным условиям сочетание тепловых и силовых режимов нагружения, а see допущения, которые предусматриваются коэффициентом безопасности, должны идти в запас прочности.
При выборе программ тепломеханических испытаний необходимо помнить, что основным требованием является воспроизведение нестационарных температурных полей, так как именно они представляют наибольший интерес для какого-либо момента времени, а это можно сделать только при условии воспроизведения полной программы напева.
При силовом нагружении элементов конструкции можно отметнтц что ее напряженное состояние гораздо меньше зависит от предыстории, чем температурные поля в ней. При отсутствии ползучести материала напряженное состояние можно воспроизвести с хорошей точностью, нагружая конструкцию по произвольной программе. Этот факт значительно упрощает тепломеханические испытания ЛА, и при выборе программы нагружения можно не заботиться об участке нарастания силовой нагрузки до расчетных значений.
Возможны три варианта проведения тепломеханических испытаний (рис. 2.101).
1. Проанализировав для расчетной траектории полета температурные поля в конструкции, устанавливают момент времени, когда в ней возникает самое неблагоприятное с точки зрения прочности распределение температур. В найденный момент или моменты времени, если их несколько, нагрузку следует доводить до эксплуатационной или до разрушения ЛА (в зависимости от целей эксперимента). Скорость нагружения нужно выбирать максимальной, какую позволяют мощность системы нагружения и быстродействие управляющей и измерительной систем. Недостатком такой программы является то, что не всегда можно быть уверенным в том, что при выбранной комбинации температур и нагрузок испытуемая конструкция имеет максимальный запас прочности (рис. 2.101,а).
2. От этого недостатка свободен второй вариант программы, когда нагружение производят до начала нагревания, а затем уровень нагрузки поддерживают постоянным в течение всего эксперимента.
По-прежнему воспроизводится самая опасная в отношении прочности программа нагрева (рис. 2.101,6).
3. Третий вариант испытаний проводится по программе, когда уровень нагрузки увеличивается от испытания к испытанию. Программа же нагревания остается в каждом эксперименте постоянной (рис. 2.101,в).
Для ЛА, срок службы которых исчисляется тысячами часов, пряные испытания на полный срок службы практически трудновыполнима (особенно это относится к многоразовым ЛА). Это усложняет экспериментальные исследования работоспособности элементов конструкции ЛА с учетом длительной эксплуатации в условиях повышенных температур.
В настоящее время разработана методика ускоренных испытаний лри стационарных тепловых режимах, которая позволяет предсказывать долгосрочное поведение материалов конструкции на основании результатов испытаний, ограниченных по времени.
Повышение температуры испытуемой конструкции — наиболее реальный путь сокращения длительности испытаний. Длительные испытания можно заменять менее продолжительными, если повысить температуру, используя температурно-временной параметр Ларсона — Миллера T(С+ Igτ) , где С — константа; τ — время, необходимое для достижения заданной деформации или разрушения, т.е. одно и то же значение параметра соответствует длительному эксперименту при низкой температуре и кратковременному — при высокой.
В работе [53 показано, что если принять С = 20 (в этом случае время берется в часах), то для сокращения продолжительности испытаний в 10 раз (с 10000 до 1000 ч) достаточно увеличить температуру на 4,4%.
Таким образом, можно сократить продолжительность эксперимента, используя незначительное повышение температуры испытуемой конструкции, но при этом предъявляются очень жесткие требования к точности эксперимента. Так, например, перегрев во время испытаний конструкции из сплава АК4-1-Т2 всего на 5 К (408 К вместо 403 К) приведет к увеличению деформации ползучести примерно в два раза [5].
Метод испытания и определения характеристик материалов, основанный на использовании температурновременного параметра, называется методом термоэкспозиции.
Методика таких ускоренных испытаний заключается в получении зависимости характеристик испытуемых конструкций от температур-но-временного параметра и установлении по полученному параметру соотношений между температурой и временем, которые необходимо задать при проведении испытаний по ускоренной программе.
В качестве примера можно привести соотношения между температурой T и временем т при проведении ускоренных испытаний конструкций из сплава АК4-1-Т1, рассчитанных на эксплуатацию при температуре 403 К в течение 30000 ч (табл. 2.8).
