8. Методика лётных исследований тепловой защиты

В зависимости от этапа создания тепловой защиты выполняются исследования на отдельных натурных образцах из теплозащитных материалов, на отдельных элементах или фрагментах конструкции, а также на натурных конструкциях тепловой защиты.

К опытному образцу материала тепловой защиты как объекту тепловых исследований предъявляются следующие требования. Его размер должен по возможности исключать влияние на теплозащитные характеристики теплообмена с окружающей конструкцией, а также позволять размещать на модели натурные конструкции исследуемой теплозащиты. Места установки на модели исследуемых образцов тепловой защиты должны выбираться так, чтобы воспроизводить на поверхности образца газодинамические условия обтекания, близкие к условиям эксплуатации

Одни измеряемые прилетных испытаниях параметры должны характеризовать непосредственно либо косвенно внешние условия воздействия на исследуемый объект. Другие – должны позволять оценить характеристики исследуемого способа тепловой защиты, проконтролировать техническое состояние и установить причины неисправностей и отказов при летных испытаниях.

В связи с этим при разработке конструкции исследуемого образца необходимо учитывать противоречивые требования, заключающиеся, с одной стороны, в возможности применить выбранные средства измерения, а с другой стороны, исключать влияние измерительных датчиков на работоспособность и функционирование исследуемой конструкции тепловой защиты.

Большой интерес представляет анализ характеристик образцов теплозащиты после натурных испытаний. Для этого после летных исследований проводятся визуальный осмотр и обмер образцов материалов тепловой защиты, взвешивание их, послойный структурный анализ, определение физико-механических и теплофизических свойств. Осуществляется спектрографический послойный рентгеноструктурный анализ состава теплозащитного материала, а также проводится фотографирование образцов и микрофотографирование прококсованного слоя на различных расстояниях от внешней поверхности для уточнения механизма термического разложения материалов. Для ряда теплозащитных материалов на основе кремнеземных наполнителей результаты указанных лабораторных исследований могут быть использованы для нахождения распределения максимальных значений температуры по толщине прококсованного слоя путем установления зависимости между фазовым составом и температурой. В связи с этим способ крепления опытных образцов должен допускать их демонтаж после летных испытаний без повреждений. Для определения эффективной теплопроводности материалов используются результаты измерений температуры на различной глубине отсчитываемой от нагреваемой поверхности.

Коэффициент теплопроводности определяют исходя из кусочно-постоянной аппроксимации изменения этого коэффициента в исследуемом диапазоне температур . Максимальное число ступеней аппроксимации в этом случае обуславливается числом температурных измерений по толщине покрытия .

Для уточнения коэффициента теплопроводности материала вначале используют результаты измерений температуры в n-й и ( n-1)-й точках, отсчитываемых от наружной поверхности. Коэффициент теплопроводности определяют путем численного решения уравнения теплопроводности, в качестве граничного условия которого принимается измерение температуры в ( n-1)-й точке. При этом, варьируя коэффициент теплопроводности в каждой расчетный момент времени, сравнивают расчетную и измеренную температуры в n-й точке. Остальные исходные данные (плотность, удельная теплоемкость теплозащитного материала) считаются известными.

Процесс определения коэффициента теплопроводности, соответствующего средней температуре в интервале Т - Т , заканчивается при достижении наилучшего согласования между расчетным и измеренным значениями температур в n-й точке. После этого аналогично определяют коэффициент теплопроводности в интервале , причем можно варьировать искомый коэффициент в указанном интервале или в двух интервалах и . Таким образом , для каждого интервала температур решается задача оптимального определения коэффициента теплопроводности в диапазоне измеренных температур.

Известны способы измерения унесенной массы теплозащитного покрытия, основанные на использовании радиоактивных изотопов, на применении различных плавких вставок, расположенных на заданной глубине и приводящих к размыканию электрической цепи в момент выхода на омываемую поверхность из-за нарушения целостности вставки на поверхности разрушения. По радиотелеметрической информации можно определить момент нарушения целостности цепи термопары при уносе теплозащиты в месте ее установки. В связи с этим для дискретного определения толщины унесенного теплозащитного покрытия часто используется датчики профиля температур. За толщину унесенного теплозащитного покрытия в этом случае принимается глубина установки термопары в момент ее разрыва. Этот способ является наиболее предпочтительным, так как позволяет с помощью одного датчика измерять как температуру, так и толщину унесенного слоя теплозащитного покрытия. Погрешность определения толщины унесенного покрытия равна погрешности измерения глубины залегания термопар, определяемой по рентгеноснимку, составляющей не более 0,1 мм.

Рассмотрим в качестве примера более подробно методологию подготовки и проведения летных исследований на ЛМ системы пористой теплозащиты. Известно, что основными определяющими характеристиками процесса пористого охлаждения с применением газообразных и жидких хладагентов являются эффективность пористого охлаждения, характеризуемая безразмерной температурой пористой стенки , (где - начальная температура хладагента) и коэффициентом теплообмена на проницаемой поверхности .

Для правильной постановки эксперимента и обобщения результатов исследований необходимо определить критерии подобия, обусловленные поставленной задачей. Н а основе анализа уравнений, описывающих процессы тепломассообмена в пограничном слое, установлено, что для рассматриваемой задачи определяющими критериями являются числа Re, Pr, температурный фактор Т , число М, фактор вдува В= , - отношение молекулярных масс вдуваемого газа и набегающего потока. Критериальное уравнение в этом случае имеет вид

, (18)

Целью экспериментальных исследований является установление эмпирической зависимости коэффициента теплообмена от определяющих критериев. Для этого требуется проведение серий опытов, число которых зависит от общего числа определяющих критериев; в пределах серии изменяется одни из параметров при неизменных значениях всех остальных.

Другой способ состоит в установлении зависимости относительного числа Стантона от критериев подобия, характеризующих вдув массы хладагента в пограничный слой. Этот способ базируется на одинаковой зависимости числа Стантона на непроницаемой и пористой поверхности со вдувом St от основных критериев подобия, определяющих теплообмен на непроницаемой поверхности . В этом случае в экспериментах ищется зависимость

(19)

что существенно облегчает и удешевляет проведение исследований.

При подобном подходе методика экспериментального исследования теплообмена в пограничном слое при наличии вдува сводится к определению для условий летного эксперимента числа Стантона на пористой поверхности с вдувом St и на непроницаемой поверхности при одних и тех же значениях числе Re, Pr, M и температурного фактора.

Значение числа Стантона на исследуемом теле можно определить расчётным путем. Однако в этом случае не учитывается влияние на число

Стантона ряда факторов (неизотермичность, состояние поверхности и др.) В связи с этим целесообразно во время одного эсперемента при одних и тех же условиях проводить исследования процесса теплообмена не только на проницаемой поверхности при вдуве, но и на непроницаемой поверхности.

Методически данный вопрос решается путем установки в сходственных зонах на модели опытных участков для исследования теплообмена как при вдуве, так и при его отсутствии. Причём путем выбора соответствующей толщины непроницаемой стенки обеспечиваются одинаковые значения температурного фактора при исследовании теплообмена без вдува и на пористой поверхности со вдувом.

Чтобы получить как можно больше результатов и расширить диапазон исследований при ограниченном числе числе летных экспериментов, целесообразно размещать на одной модели несколько автономных опытных участков.

На рисунке 7 показана схема размещения простых участков на носовом конусе модели. Размер и конфигурацию опытных участков выбирают из условия минимально возможного искажения процесса теплообмена, обусловленного теплопередачей между корпусом модели и опытным участком.

Система измерений должна обеспечить измерение следующих параметров:

- давления в местах расположения опытных участков ;

-давления и перепада давлений в линиях подачи хладагента;

-температуры пористых опытных участков;

-температуры хладагента в различных точках подачи;

-воздуха в приборном отсеке;

-холодных спаев термопар.

Предусматривается так же фиксация системой измерений выдачи и исполнения команд системой теплозащиты.

Датчики для измерения перечисленных параметров выбирают с учётом ожидаемого характера и пределов их изменения, в зависимости от работоспособности и требуемой точности измерения при летных экспериментах на ЛМ.