Введение

Актуальность работы. В настоящее время возросло количество проектов, в рамках которых разрабатываются объекты аэрокосмической техники, испытывающие значительные тепловые нагрузки в процессе эксплуатации, такие как многоразовые орбитальные и суборбитальные космические аппараты (МКА) и гиперзвуковые летательные аппараты (ГЛА). Разработка таких объектов невозможна без сопутствующей экспериментальной отработки.

Наиболее трудоемким и дорогостоящим этапом экспериментальной отработки является проверка работоспособности тепловой защиты объектов аэрокосмической техники, включающая в себя исследование термостойкости, применяемых в тепловой защите материалов, а также определение их теплофизических характеристик.

Материалы, применяемые для создания тепловой защиты, должны выдерживать воздействие высокоэнтальпийных потоков газа, возникающих вследствие аэродинамического нагрева при полете аппарата в плотных слоях атмосферы. При этом максимальный уровень температур наиболее нагруженных элементов конструкции может превышать 2000 К [1].

Для проведения тепловых испытаний в нашей стране и за рубежом используется широкий спектр стендов. Наиболее широкое распространение получили испытательные установки с нагревательными блоками на основе галогенных ламп накаливания (ГЛН). Они выгодно отличаются от других типов стендов простотой конструкции, дешевизной эксплуатации, а также широким диапазоном мощностей, размеров, типов токоподводов ламп.

Однако, данные установки ограничены уровнем рабочих температур, которые не превышают 1500 К, что связано с нарушением вольфрам-галогенного цикла ламп, который ведет к выходу ламп из строя. Основной проблемой при этом является обеспечение теплового режима колб ламп, выполненных из кварцевого стекла, температура которых ограничена 1270 К [2].

В настоящей работе рассматривается возможность расширения диапазона применения стендов радиационного нагрева на базе ГЛН за счет активного обдува колб ламп потоком сжатого воздуха.

Цель работы: Расширение диапазона применения стендов радиационного нагрева на базе ГЛН для испытания высокотемпературных керамических материалов с рабочими температурами до 2000 К, применяющихся для создания систем тепловой защиты объектов аэрокосмической техники.

Задачи работы:

• Аналитический обзор конструкции современных стендов для испытания образцов высокотемпературных материалов и элементов тепловой защиты объектов аэрокосмической техники.

• Разработка модели комбинированного радиационно-кондуктивно-конвективного теплообмена в рабочей зоне стенда.

• Разработка конструктивно-компоновочной схемы рабочей зоны стенда, а также конструктивных схем пневматической системы стенда, состоящей из системы подачи охлаждающего газа и утилизации отработанного горячего газа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показана возможность расширения температурного диапазона использования стендов радиационного нагрева на базе ГЛН для испытания материалов с рабочими температурами более 2000 К.

2. Теоретически доказана возможность обеспечения температурного режима колб ГЛН за счет применения активного обдува их колб с разделением рабочей зоны стенда на отдельные области экранами и разделительными стеклами, а также возможностью выбора рациональных направлений обдува и расположения колб ламп в обдувающем потоке газа.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработана конструктивно-компоновочная схема рабочей зоны стенда тепловых испытаний на базе ГЛН с рабочими температурами объектов испытания до 2000 К.

2. Разработана пневматическая система стенда, обеспечивающая необходимые параметры газа на входе в рабочую зону стенда и способная утилизировать горячий газ, покидающий рабочую зону стенда.

3. Обоснована возможность применения в стенде тепловых испытаний серийно выпускаемых ламп КГ 220-2000-5.

Структура и объем работы. Настоящая работа состоит из четырех глав.

Первая глава носит обзорно-аналитический характер. В ней обобщены литературные данные о проектах современных аппаратов аэрокосмической техники, тепловой защите, применяемой на данных аппаратах, и современных стендах, применяемых для испытания материалов и элементов тепловой защиты.

Во второй главе решена задача моделирования процесса комбинированного теплообмена в рабочей зоне стенда тепловых испытаний, разработана конструктивно-компоновочная схема рабочей зоны перспективного стенда радиационного нагрева на базе ГЛН с активным обдувом колб ламп потоком сжатого воздуха.

В третьей главе разработаны вспомогательные системы стенда: система подачи газа в рабочую зону стенда, пневматическая и водоохлаждаемая система утилизации горячего газа из рабочей зоны стенда, холодильник с проточной водой для охлаждения тыльной поверхности объекта испытания.

В четвертой главе предложена конструкция перспективного стенда радиационного нагрева на базе ГЛН с рабочими температурами более 2000 К.