Стенды радиационного нагрева

Стенды радиационного нагрева традиционно используются для определения характеристик теплозащитных и конструкционных материалов, а также определения термической стойкости материалов и покрытий в условиях, характерных для космического полета и полета ЛА в атмосфере Земли. Техническая возможность воспроизведения условий космического полета во многом зависит от типа источников излучения (ИИ), используемых в стендах. Так, электрические ИИ обладают низкой стоимостью, технической простотой, высоким энергетическим КПД (приближающимся к 100 %), а также большим ресурсом работы. Существенным недостатком электрических ИИ является склонностью к окислению рабочих поверхностей. Как правило, для таких ИИ используются тугоплавкие металлы, обладающие высоким электрическим сопротивлением (нихром, вольфрам, молибден и др.)[36].

В установках радиационного нагрева широко используются газоразрядные источники излучения (ГИИ), спектр излучения которых близок к излучению Солнца. ГИИ обеспечиваютвысокую плотность потока падающей энергии (до 3×106 Вт/м²). Примером установки с ГИИ может служить стенд «Утро-1».

Форсирование мощности трубчатых ГИИ позволяет реализовать режимы нагрева при температурах до 2300ºС. Существенным недостатком форсирования мощности является снижение ресурса работы ГИИ вследствие более жесткого температурного режима оболочки ГИИ. Для увеличения ресурса работы в качестве оболочки ГИИ перспективно использование лейкосапфира, обладающего существенно большим, чем у кварцевого стекла, коэффициентом теплопроводности. Применение лейкосапфира позволяет снизить уровень температур и температурных градиентов в оболочке ГИИ. К недостатокам лейкосапфира относят больший, чем у кварцевого стекла, КЛТР, что способствует повышению термических напряжений и снижению термостойкости оболочки [37]

«Утро-1»

Установка «Утро-1» (рисунок 1.18) разработана в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Она предназначена для испытания фрагментов натурных конструкций с размерами, вписывающимися в квадрат 200×200 мм² до температуры 2300 К. Необходимая для этого максимальная плотность теплового потока излучения составляет около 2,5×10⁶ Вт/м² при степени неравномерности не более 10 %. В качестве нагревательных элементов в стенде использовались газоразрядные источники высокоинтенсивного излучения (ИВИ) ДТП 10/200, находящиеся в одной плоскости и расположенные в замкнутом объеме коробчатой формы, который образован отражателем вместе с приспособлением для крепления образца. В конструкции стенда предусмотрены два варианта приспособления для крепления образцов: дискообразной и прямоугольной формы размерами от 60 до 220 мм [38].

1) – образец; 2) – термопары; 3) – теплоизоляция; 4) – нагревательный блок;

5) – датчик ФОЛ 013-01; 6) – рама; 7) – корпус приспособления; 8) – каретка;

9) – секционированный водяной коллектор

Рисунок 1.18 – Внешний вид и схема установки «Утро-1»

В стендах радиационного нагрева для испытаний конструкций и элементов конструкций ЛА также широко используются галогенные лампы накаливания (ГЛН) или кварцевые лампы. К основным достоинствам ГЛН относятся чрезвычайно высокий ресурс работы (более 5000 часов), а также низкая стоимость таких ИИ. Существует ряд крупных испытательных стендов на базе ГЛН с излучающей поверхностью в сотни квадратных метров.

«Утро-6»

Схема установки «Утро-6», оснащенной ГЛН, а также ее внешний вид приведены на рисунках 1.19 и 1.20.

1) – теплоизоляция стенда;

2) – ГЛН; 3) – система охлаждения стенда; 4) – образец

Рисунок 1.19 – Схема установки «Утро-6»

Рисунок 1.20 – Внешний вид установки «Утро-6»

Установка предназначена для тепловых испытаний керамических материалов с рабочими температурами до 1500 К. Источниками излучения являются галогенные лампы накаливания мощностью 1,0 кВт. Предусмотрено водяное охлаждение шин системы ГЛН. В качестве теплоизоляции использован материал ТЗМ-23М. Верхний и нижний блоки стенда съемные.

Стенды тепловых испытаний КВТУ-40, КВТУ-40-С, КВТУ-250 С, ОАО «НПО «Молния».

Стенды серии КВТУ предназначены для проведения криотермовакуумных испытаний элементов конструкций космических аппаратов с имитацией воздействия направленного потока прямого солнечного излучения, излучения от поверхности Земли и охлаждающего действия космического пространства в условиях глубокого вакуума (до 7×10^-5 Па). Объем рабочей зоны стенда КВТУ-40 составляет 47 м³, КВТУ-40-С– 90 м³, а КВТУ-250-С – 360 м³ (рисунок 1.21).

Рисунок 1.21 – Стенды воспроизведения условий космического полета КТВУ-40, КТВУ-40-С и КТВУ-250-С[39]

Установки серии КВТУ оснащены ксеноновыми имитаторами солнечного излучения, мощность падающего лучистого потока который регулируется в диапазоне от 0,4 до 2 кВт/м², при этом угол расходимости лучей составляет не более 3,5°. Неравномерность теплового потока в пределах светового пятна не превышает 10 %, а диаметр светового пятна для установки КТВУ-40-С составляет 1,6 м, а для установки КТВУ-250-С – и 2,5 м.

Помимо имитаторов солнечного излучения стенды серии КВТУ используют источники ИК-излучения, которые способны создавать тепловой поток с мощностью от 0,1 до 2 кВт/м². Уникальная схема переключения источников ИК-излучения позволяет имитировать вращение объекта, при этом сам объект внутри камеры остается неподвижным. Охлаждающее влияние космическогопространства создается при помощи азотных экранов, способных воспроизводить температуру 100 К, при коэффициенте поглощения солнечного излучения более 0,9.

Стенды серии КТВУ помимо воспроизведения условий космического полета предназначены для имитация высокотемпературного нагрева ТЗП космических аппаратов при полете в атмосфере Земли. Принципиальная схема создания высокотемпературных условий спуска в атмосфере на примере испытания плиточной ТЗП для МКА «Буран» на стенде КВТУ-40 приведена на рисунке 1.22. Во избежание перегрева стенок стенда во время испытания объект испытаний располагается в негерметичном теплоизолирующем контейнере, воспроизводящем нужные температурные условия, а изменение давления внутри самого стенда обеспечивает условия давления атмосферы.

а) – схема стенда;

б) – температура металлической обшивки панели под теплозащитой;

1) – вакуумная камера;2) – испытательный модуль «Черный ящик» с внутренней теплоизоляцией; 3) – узлы крепления объекта испытаний;

4) – испытываемая панель конструкции с теплозащитой;

5) – зона имитации повреждения;6) – нагреватель с ГЛН;

7) – термопары на металлической обшивки панели [40]

Рисунок 1.22 – Стенд тепловых испытаний плиточной тепловой защиты МКА «Буран» КТВУ-40

Отличительной особенностью установки КТВУ-40-С являются установленные внутри нее вибростенды ВЭДС-1500, позволяющие проводить комплексные испытания конструкций в условиях космического пространства с имитацией вибраций, создаваемых ракетой-носителем или другими источниками.

Стенд тепловых испытаний лобового иллюминатора МКА «Буран» в НПО «Молния»

На рисунке 1.23 приведена схема стенда на основе ГЛН для проведения тепловых испытаний лобового иллюминатора МКА «Буран».

1) – основной нагреватель с ГЛН; 2) – струйная система охлаждения;

3) – разделительный экран; 4) – дополнительный нагреватель;

5) – вакуумная камера; 6) – теплоизоляция стенда; 7) – штатная теплозащита; 8) – наружное стекло иллюминатора; 9) – окантовка стекла с фрагментом конструкции фюзеляжа; 10) – имитатор остекления кабины [40]

Рисунок 1.23 – Стенд тепловых испытаний лобового иллюминатора МКА «Буран» в НПО «Молния»

Нагревательный стенд на основе ГЛН для испытаний объектов осесимметричной формы.

На рисунке 1.24 приведены общий вид и схема установки для тепловых испытаний объектов осесимметричной формы, оснащенный 68 охлаждаемыми воздухом ГЛН, способный работать длительное время на форсированной мощности до 200 кВт [41]. Помимо излучения может воздействовать газовый поток, который формируется сопловым блоком 9, а через кварцевое окно 6 – направленное излучение внешнего ИИ.

а)	б)

а) общий вид; б) схема;

1) – диффузор; 2) – изолирующее основание;

3) – водоохлаждаемые токопроводы; 4) – блок ГЛН; 5) – испытуемая модель; 6) – кварцевое окно; 7) – водоохлаждаемый корпус-экран;

8) –монтажная опора; 9) – сопловой блок

Рисунок 1.24 –Установка для испытаний осесимметричных объектов,

ОАО ЦНИИ Специального Машиностроения, МГТУ им. Н.Э. Баумана [41]

Стенд СИН-1.

На рисунке 1.25 приведен общий вид испытательного стенда СИН-1, оснащенного испытательным блоком, силовым тиристорным регулятором и программынм задатчиком. Для данного стенда возможно два варианта расположения ИИ:

- вариант 1: 88 ГЛН типа КГ-220х2000 в два ряда с шагом 33 мм;

- вариант 2: 60 ГЛН типа КГ-220х2000 в одну полосу двумя слоями в шахматном порядке.

В первом случае мощность стенда составляет 170 кВт с возможностью форсирования до 220 кВт при увеличении питающего напряжения до 300 В. Во втором случае соответсвенно 110 и 140 кВт. Нагревательный блок установки плоский и снабжен водоохлаждаемым экраном из полированного алюминия.

а)	б)	в)

а), б) – вариант I, разные положения ИИ; в) – вариант II [41]

Рисунок 1.25 – Общий вид установки СИН-1

Установка для тепловых испытаний носовой части истребителя YF-12.

Для тепловых испытаний полноразмерного прототипа истребителя перехватчика LockheedYF-12 в Научно-исследовательском центре им. Драйдена НАСА был создан специальный стенд, воспроизводящий тепловые условия полета истребителя со скоростью 3 М (рисунок 1.26). Данный стенд состоял из пяти подвижных частей. Отдельная часть стенда на роликах служила для обогрева кормовой части аппарата, средняя часть самолета обогревалась нижним обогревателем на роликах и двумя верхними секциями (которые могли перемещаться в вертикальной плоскости), носовая часть самолета нагревалась при помощи двух систем, перемещаемых в горизонтальной плоскости (рисунок 1.27, 1.28).

Рисунок 1.26 – Установка для тепловых испытаний носовой части истребителя YF-12

Рисунок 1.27 – Конфигурация стенда тепловых испытаний

истребителя YF-12[42]

а)	б)
в)	г)

а) – передний и верхний средний нагревательные блоки;

б) – две части верхнего нагревательного блока;

в) – нагревательный блок для хвостовой части самолета;

г) – нагревательный блок для обтекателя

Рисунок 1.28 – Части стенда тепловых испытаний истребителя YF-12 [42]

Пять частей стенда дополнительно разделены на 470 зон с независимым управлением. Контроль температур в каждой зоне осуществлялся при помощи термопар.

Стенд оснащен 16 430 ГЛН общей мощностью 16 МВт установленными на металлический рефлектор, повторяющий форму испытываемого аппарата. Общая площадь стенда составляет465 м².

Установка СКИТ

Стенд СКИТ (рисунок 1.29) позволяет проводить термоциклические испытания единичных элементов тепловой защиты размером до 285х770 мм², включая их программный нагрев до температуры 1550 К и охлаждение до температуры жидкого азота. Программные изменения давления воздуха в рабочей камере возможны в диапазоне 400 Па до 0,1 МПа. Специальное кинематическое устройство в сочетании с криогенными экранами позволяет обеспечить необходимые темпы охлаждения образцов на заключительном этапе программы теплового нагружения.

1) – тепловакуумная камера; 2) – нагреватели; 3) – образцы;4) – силовая рама; 5) – механизмы управления экранами; 6) – криогенные экраны;

7) – криогенные емкости; 8) – приборы регистрации температуры;

9) – датчики давления; 10) – регистратор давления; 11) – вакуумметр;

12) – регулятор нагрева; 13) – криогенный насос [1]

Рисунок 1.29 – Схема установки СКИТ

RadiantHeatTestChamber 1, 2

Стенд радиационного нагрева RadiantHeatTestChamber (рисунок 1.30) разработан в Космическом центре имени Л. Джонсона [43]для разработки и сертификационных испытаний теплозащиты орбитальных МКА. Его диаметр составляет 3 м, длина – 5,5 м. Стенд может быть использован для испытания панелей крыльев с 22 отдельно регулируемыми зонами нагрева, с нагревателями изогнутой конфигурации, повторяющих форму крыла. Эти нагреватели также могут быть установлены для нагрева плоских объектов размерами 1900х2900 мм до температуры 1460ºС.

Рисунок1.30 – Radiant Heat Test Chamber 1[43]

Размеры стенда RadiantHeatTestChamber 2 составляют 2,4 м в диаметре и 2,4 м в длину (рисунок 1.31). Стенд оснащен графитовыми нагревателями, а в верхней части камеры установлены покрытые ниобием датчики. Комбинация камеры и нагревателей позволяет моделировать уменьшение давления при взлете, выхолаживание на орбите, нагрев и давление при входе в атмосферу. Водоохлаждаемая перегородка может быть помещена между образцом и нагревателем, для его предварительного прогрева или для более быстрого охлаждения объекта исследования. Температура 1460ºС достигается в случае моделирования воздушной атмосферы, при азотной атмосфере возможен нагрев до 1627ºС.

Рисунок 1.31 – RadiantHeatChamber 2 [43]

Таким образом, существует ряд стендов радиационного нагрева для воспроизведения тепловых режимов, характерных для космического полета, а также для полета сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов в атмосфере. В качестве ИИ в таких установках могут использоваться газоразрядные источники высокоинтенсивного излучения, галогенные лампы накаливания, твердотельные углеродные нагреватели и др. Особыми перспективами обладают стенды на основе ГЛН, основные преимущества которых – это чрезвычайно высокий ресурс и экономическая эффективность. Однако рабочие температуры объектов испытаний на таких стендах не превышают 1500 К, что связано с нарушением вольфрам-галогенного цикла ГЛН. Таким образом, основным лимитирующим фактором при создании стендов тепловых испытаний на базе ГЛН является ограничение температуры их колб уровнем 1270 К. За счёт активного обдува колб ламп потоком сжатого воздуха можно повысить рабочие температуры испытаний и использовать стенды на основе ГЛН для испытания ТЗП, предназначенных для работы при температурах вплоть до 2000 К.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам данной работы можно сделать следующие выводы:

1.Доказана возможность использования стендов радиационного нагрева на базе ГЛН для испытания материалов с рабочими температурами более 2000 К, разработана конструктивно-компоновочная схема рабочей зоны стенда и предложена его конструкция. При этом температура на объекте испытания на 300 секунде составила 2125 К, максимальный темп нагрева – 263 К/с, а неравномерность распределения температуры на фронтальной поверхности объекта испытания не превысила 4 %.

2. Разработана схема системы подачи газа в рабочую зону стенда, пневматической и водоохлаждаемой системутилизации горячего газа из рабочей зоны стенд, а также системы охлаждения тыльной поверхности объекта испытания проточной водой.

3. Проведена проверка температурного состояния основных элементов системы питания ГЛН и доказана возможность использования серийно выпускаемых лампКГ 220-2000-5.

4. Предложена конструкция перспективного стенда тепловых испытаний на базе галогенных ламп накаливания с рабочими температурами более 2000 К.

5. Результаты данной работы используются при создании перспективного стенда радиационного нагрева на базе ГЛН в АО «ОНПП «Технология» им. А.Г.Ромашина».