Воздействия на современные объекты ракетно-космической техники. Тепловые нагрузки

1.

Оценка на экзамене,
дифференцированном зачёте
Рейтинг
85 – 100
71 - 84
60 – 70
0-59
Оценка на зачете
отлично
зачтено
хорошо
зачтено
удовлетворительно
зачтено
неудовлетворительно
не зачтено
Максимальные баллы
РК1
20
РК2
20
ДЗ
40
Наличие конспекта +
посещения
20

2.

Студент выполняет домашнее задание, которое носит обзорно-аналитический
характер и предполагает подробное изучение установок, стендов, средств
воспроизведения теплового нагружения и средств диагностики. Тема работы
индивидуальна и согласовывается с преподавателем.
Примеры тем домашних заданий:
1. Стенд для газодинамических испытаний головных частей ракет и космических аппаратов.
2. Стенд для термовакуумных испытаний космических аппаратов.
3. Стенд для циклических тепловых испытаний плиточной тепловой защиты.
4. Стенд для термосиловых испытаний конструкций планера гиперзвуковых летательных
аппаратов.
5. Стенд для испытаний элементов остекления воздушно-космического самолета.
6. Установка для определения излучательной способности электропроводных материалов.
7. Установка для определения отражательной способности материалов и покрытий.
8. Установка для измерения излучательной способности частично прозрачных материалов.
9. Установка для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов.
10. Установка для комплексного определения теплофизических свойств материалов.
11.Прибор для измерения коэффициента линейного термического расширения.
12. Болометры.
13. Термопары (конкретизируется).
14. Датчики теплового потока (конкретизируется).
15. Термопреобразователи сопротивления.
16. Пирометры без модуляции потока излучения.
17. Пирометры с модуляцией потока излучения.
18. Тепловизоры (конкретизируется).
19. Датчики на облученных кристаллах.
20. Оптоволоконные датчики.

3.

Модуль 2. Методы и средства воспроизведения тепловых
нагрузок и измерения при тепловых испытаниях
Лекция 5. Воздействия на современные объекты ракетнокосмической техники.
Тепловые нагрузки. Физическая
радиационный
теплообмен,
комбинированное воздействие.
природа тепловых нагрузок:
конвективный
теплообмен,

4.

Классификация теплонагруженных систем
1) Теплопреобразующие
2) Теплозащитные
3) Силовые
активные
пассивные
1

5.

Особенности тепловых режимов
в ракетно-космической технике
(см. Лекцию 1)
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА УСЛОВИЙ
ТЕПЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ
Излучение
Солнца
Конвективный
теплообмен
Излучение +
конвективный
теплообмен
Космические
системы на орбите
Земли, солнечные
парусные системы
Двигатели,
головные части,
ТЗП ВКС
ТЗП межорбитальных
транспортных
аппаратов
2

6.

Теплопроводность
T f ( x, y , z , )
lim( T / n ) n 0 T / n grad T T
q grad T
q
Однородная плоская стенка
dt
q
t x C
dx
q
t 2 t1 q t1 t 2 t
1
t1 t 2 t1 t2 q 1
1
1
t1 t4
q 2 t2 t3 t 2 t3 q 2 q
1 2 3
2
2
2 3
1
q 3 t3 t4 t3 t 4 q 3
3
3
q
ГУ : x 0, t t1 C; x , t t 2
Многослойная плоская стенка
К / - Тепловая проводимость контакта, Вт/(С·м2)
3

7.

4

8.

Конвективный теплообмен
Формула Ньютона-Рихмана
Q ( tc t ж ) F
Критерий перехода ламинарного течения в турбулентное:
Re l / x
где α – коэффициент теплоотдачи;tс – температура
где w – скорость движения жидкости; l – характерный
стенки; tж – температура жидкости; F – площадь
размер канала; стенки; l – характерный размер канала.
поверхности теплообмена.
Характер движения жидкости/газа в трубе при а –
ламинарном, б – переходном, в – турбулентном режимах
a / c
- коэффициент температуропроводности
m – динамический коэффициент вязкости. Выражает
собой силу трения, приходящуюся на единицу
поверхности соприкосновения двух жидких слоев.
Удельная теплоемкость при
постоянном давлении cp
(изобарная), а при постоянном
объеме – сv (изохорная).
– кинематический коэффициент вязкости.
1 v – температурный коэффициент объемного расширения.
v T
v – удельный объем, м3/кг
5

9.

Система ДУ для описания теплопередачи
а) Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье-Кирхгофа
t
t
t
t
2t 2t 2t
X
Y
Z
a 2 2 2
d
x
y
z
x y z
- для твердых тел:
t
2t 2t 2t
a 2 2 2
d
x y z
б) Дифференциальные уравнения несжимаемой вязкой жидкости – Навье-Стокса
wX
wX
wX
p
wX
2 wX 2 wX 2 wX
wX
wY
wZ
g X
2
2
2
x
y
z
x
x
y
z
wY
wY
wY
p
wY
2 wY 2 wY 2 wY
wX
wY
wZ
2
gY
x
y
z
y
y 2
z 2
x
wZ
wZ
wZ
p
wZ
2 wZ 2 wZ 2 wZ
wX
wY
wZ
2
g Z
x
y
z
y
y 2
z 2
x
б) Уравнение сплошности
( X ) ( Y ) ( Z )
0
x
y
z
- для несжимаемых жидкостей:
X Y Z
0
x
y
z
Математическое описание
1) Геометрические условия
(форма, размеры системы)
2) Физические условия
(свойства среды)
3) Граничные и временные условия
6

10.

В одномерном по пространству случае однородное (без источников энергии)
уравнение теплопроводности имеет вид:
t
2t
a 2 , 0 x l , 0.
x
Первая начально-краевая задача:
Если на границах x=0 и x=l заданы значения искомой функции t(x,tau) + начальные условия:
t (l , ) 2 ( ), x l , 0,
t (0, ) 1 ( ), x 0, 0,
t ( x, 0) ( x), 0 x l , 0,
Вторая начально-краевая задача:
t (0, )
1 ( ), x 0, 0.
x
t (l , )
2 ( ), x l , 0.
x
Третья начально-краевая задача:
t (0, )
t (0, ) 1 ( ), x 0, 0.
x
t (l , )
t (l , ) 2 ( ), x l , 0.
x
Определение коэффициента теплоотдачи
Поток теплоты, передаваемый от жидкости к стенке, проходит через слой жидкости, прилегающей
к поверхности, может быть определен по закону Фурье:
t
dQ dF.
n n 0
С другой стороны для этого же элемента поверхности применим закон Ньютона-Рихмана :
dQ t c t ж dF .
Приравнивая правые части этих уравнений, получаем уравнение теплоотдачи:
t
.
t c t ж n n 0
7

11.

8

12.

Радиационный теплообмен
Длина волны
Вид излучения
0,05·10-6 мкм
Космическое
(0,05-1)·10-6 мкм
Гамма-излучение
10-6-20·10-3 мкм
Рентгеновское
20·10-3-0,4 мкм
Ультрафиолетовое
0,4-0,8 мкм
Видимое
0,8 мкм - 0,8 мм
Тепловое (инфракрасное)
0,2 мм – X мм
Радиоволны
c (*)
где c – скорость распространения
колебаний (в вакууме c=3·108 м/с).
Закон Вина
2898
max
мкм.
T
0,5 мкм.
E dQ / dF – плотность потока
излучения,
Q A QR QD Q0
Вт/м2
Q A / Q0 QR / Q0 QD / Q0 1
A R D 0
A – поглощательная способность, R – отражательная
способность, D – пропускательная способность
Схема распределения падающей
лучистой энергии
Если A=1, то R=0 и D=0 – вся падающая лучистая энергия
полностью поглощается телом. Такие тела называются
абсолютно черными.
Если R=1, то A=0 и D=0 – вся падающая лучистая энергия
полностью отражается – зеркало.
Если D=1, то A=0 и R=0 – значит вся падающая лучистая энергия
полностью проходит сквозь тело. Такие тела называются
прозрачными.
9

13.

Если на тело извне не падает никаких лучей, то с единицы
поверхности тела отводится лучистый поток энергии E1, Вт/м2. Он
полностью определяется температурой и физическими свойствами
тела – это собственное излучение тела.
Со стороны других тел – падающее излучение E2. Часть падающего
излучения в количестве A1E2 поглощается телом – поглощенное
излучение. Остальное в количестве (1-A1)E2 отражается –
отраженное излучение.
К определению теплового излучения
Собственное излучение тела в сумме с отраженным называется
эффективным излучением тела, Eэфф=E1+(1-A1)E2. Это фактическое
излучение тела, которое мы измеряем приборами, оно больше
собственного на величину (1-А1)Е2. Eэфф зависит от физических
свойств и температуры не только данного излучающего тела, но и
других окружающих его тел, а также от формы, размеров и
относительного расположения тел в пространстве.
Результирующее излучение Eрез представляет собой
разность между собственным излучением тела и той
частью падающего внешнего излучения E2, которая
поглощается данным телом (A1E2):
Eрез=E1-A1E2 – определяет поток энергии,
который данное тело передает другим
Закон Стефана-Больцмана:
4
T
0 5,67 10 Вт /( м К ) E0 c0
Закон изменения спектральной плотности потока
E0 0 T 4
100
излучения от длины волны и температуры для
4
E / E0
– степень черноты
для реальных тел: E 0 T
абсолютно черного тела – закон Планка
8
c1 5
E 0 c 2 / T
e
1
где l – длина волны, м; T – абсолютная
температура тела, К; c1=3,74·10-16 Вт·м2 и
c2=1,44·10-2 К·м – постоянные излучения.
Закон Ламберта:
2
4
dQ / T 4 cos d dF.
где ф – угол между нормалью к излучающей площадке
dF и направлением распространения излучения;
d – элементарный угол с вершиной в центре
площадки dF.
10

14.

Конвективный + Радиационный теплообмен
Процесс переноса теплоты между потоком излучающего газа и стенкой может
быть результатом совокупного действия конвективного теплообмена и
теплового излучения.
Если в качестве основного воздействия принять конвекцию, то к-т теплоотдачи:
0 К Л , αк учитывает действие конвекции и теплопроводности, а αл – действие теплового излучения.
Каждой единице поверхности этой стенки передается теплота путем соприкосновения и излучения:
qK К t Ж tC
Т Ж 4 Т С 4
qЛ c0
100
100
Т Ж 4 Т С 4
100
100
t t .
q0 К c0
Ж C
Т
Т
Ж
С
Т Ж 4 Т С 4
q0 qК qЛ К t Ж tC c0
100
100
Л c0 10 8 TЖ TC / TЖ TC c0 .
4
4
Если в качестве основного воздействия принять излучение, то:
Т Ж 4 Т С 4
q0 ( К ) c0
100
100
К
К ( t Ж tС )
Т Т
c0 Ж С
100 100
4
4
К
.
c0
11

15.

Теплонагруженные системы
Скорость нагревания и максимальная температура конструкции ЛА
определяются плотностью аккумулируемого ею теплового потока qАК
q АК qПГ qЛУЧ (TAW TS ) S TS ,
4
где qПГ – плотность теплового потока, поступающего в
конструкцию от пограничного слоя; qЛУЧ – плотность лучистого
потока, испускаемого конструкцией в окружающую среду;
TAW=TH(1+r·0,2M2) – температура адиабатической стенки; TH –
температура потока у внешней границы пограничного слоя; r –
коэффициент восстановления, равный 0,84 для ламинарного
пограничного слоя и 0,89 – для турбулентного; TS –
температура нагреваемой поверхности; α – коэффициент
теплоотдачи; σ=5,67·10-11 кВт/(м2·К4) – постоянна СтефанаБольцмана; eS – излучательная способность.
Изотермы в крылатом ЛА
Температура нижней поверхности
ВКС «Спейс-Шаттл»
Установившаяся температура поверхности ЛА
(М=6, высота полета 30000 м)
12

16.

Влияние лучистого теплообмена внутри крыла
на его температуру
Зависимость коэффициента
теплопроводности
материала ТЗП «Спейс Шаттла»
Распределение температуры по толщине теплозащиты ВКС
13

17.

Влияния нагрева на НДС и несущую способность конструкций
1. Снижение механических
характеристик материалов.
2. Ползучесть материалов.
П exp( U 0 / RT ) f ( ),
где U0 – энергия активации (минимальное
кол-во энергии, которое необходимо
сообщить системе, чтобы произошла
реакция); R – газовая постоянная; f(σ) –
степенная функция напряжения.
Удельное сопротивление материалов
3. Окисление материалов.
4. Температурные напряжения.
Ползучесть при постоянном напряжении
14

18. Классификация средств нагрева

Контактный
нагрев
Электрические
источники
Объемный
нагрев
СВЧ-нагреватели,
прямое
пропускание тока
Конвективный
нагрев
Аэродинамические трубы,
газодинамические стенды
на базе твердого и
жидкого топлив,
электродуговые
установки
Радиационный
нагрев
Электрические
источники
с твердым телом накала
и газоразрядные,
лазеры, солнечные
печи, солнечнолазерные системы
15