Пребывание в космосе 3 страница
- импульс ударного ускорения - интеграл от ударного ускорения за время, равное длительности его действия.
По форме кривой функциональной зависимости параметров движения ударные процессы разделяются на простые и сложные. Простые процессы не содержат высокочастотных составляющих и их характеристики аппроксимируются простыми аналитическим функциями. Класс функции определяется формой кривой, аппроксимирующей зависимость ускорения от времени - полусинусоидальная, косинусоидальная, прямоугольная, треугольная, пмлообразная, трапецеидальная и т. п.
Механический удар сопровождается быстрым выделением энергии, в результате чего возникают местные упругие или пластические деформации, возбуждение волн напряжения и другие эффекты, приводящие иногда к нарушению функционирования и к разрушению конструкции КА. Ударная нагрузка, приложенная к КА, возбуждает в нем быстрозатухающие собственные колебания. Значение перегрузки при ударе, характер и скорость распределения напряжений по конструкции определяются силой и продолжительностью удара и характером изменения ускорения. Удар, воздействуя на КА, может вызвать его механическое разрушение. В зависимости от длительности, сложности ударного процесса и его максимального ускорения при испытаниях определяют степень жесткости элементов конструкции КА. Простой удар может вызвать разрушение вследствие возникновения сильных, хотя и кратковременных перенапряжений в материале. Сложный удар может привести к накоплению микродеформаций усталостного характера. Так как конструкция КА обладает резонансными свойствами, то даже простой удар может вызвать колебательную реакцию в ее элементах, также сопровождающуюся усталостными явлениями.
Механические перегрузки вызывают деформацию и поломку деталей, ослабление соединений (сварных, резьбовых, заклепочных), перемещение механизмов и органов управления, в результате чего изменяется регулировка и настройка приборов и появляются другие неисправности.
Испытания конструкций и систем КА на воздействие ударных нагрузок
Общая задача испытаний КА на воздействие ударных нагрузок состоит в проверке способности КА и всех его элементов выполнять свои функции в процессе ударного воздействия и после него. При этом ставится целью максимально приблизить результаты испытательного удара к эффекту реального удара в натурных условиях эксплуатации КА.
При воспроизведении в условиях наземного эксперимента режимов ударного нагружения накладывают ограничения на форму импульса мгновенного ускорения как функции времени, а также на допустимые пределы отклонений формы импульса. Дело в том, что практически каждый ударный импульс на лабораторном стенде сопровождается пульсацией, являющейся следствием резонансных явлений в ударных установках и вспомогательном оборудовании. Так как спектр ударного импульса в основном является характеристикой разрушающего действия удара, то наложение даже небольшой пульсации может сделать результаты лабораторных измерений недостоверными.
Ударные стенды обычно состоят из следующих элементов: испытуемого объекта, закрепленного на платформе или в контейнере вместе с датчиком ударной перегрузки; средства разгона для сообщения объекту необходимой скорости; тормозного устройства; системы управления; регистрирующей аппаратуры для записей исследуемых параметров объекта и закона изменения ударной перегрузки; первичных преобразователей; вспомогательных приборов для регулировки режимов функционирования испытываемого объекта; источников питания, необходимых для работы испытуемого объекта и регистрирующей аппаратуры.
Простейшим стендом для ударных испытаний является стенд, работающий по принципу сбрасывания закрепленного на каретке испытуемого объекта с некоторой высоты, т.е. использующий для разгона силы земного тяготения. При этом форма ударного импульса определяется материалом и формой соударяющихся поверхностей. На таких стендах можно обеспечить ускорение до 
. Стенд, работающий по принципу сбрасывания объекта с определенной высоты, имеется в научно - исследовательской лаборатории кафедры 601 МАИ и называется научно - исследовательским стендом бросковых испытаний. Ударные перегрузки на таких стендах зависят от высоты падения 
, жесткости тормозящих элементов 
, суммарной массы стола и объекта испытаний 
и характеризуются следующей зависимостью: 
. Подбирая соответствующим образом отмеченные величины, можно получать требуемые перегрузки.
Имеются испытательные стенды, использующие гидравлический или пневматический привод для разгона каретки с испытуемым объектом. В качестве разгонного устройства могут быть использованы резиновые амортизаторы, пружины, а также линейные асинхронные двигатели.
Возможности практически всех ударных стендов определяются конструкцией тормозных устройств. Перечислим и кратко охарактеризуем виды этих устройств, используя заимствованный из [1] рис.2.
Рис.2
1) Для получения больших перегрузок с малым фронтом их нарастания ( 
) используется удар испытуемого объекта с жесткой плитой (рис. 2 
). Торможение происходит за счет возникновения упругих сил в зоне контакта при ударе.
2) Для получения перегрузок в широком диапазоне, от десятков до десятков тысяч единиц, с временем нарастания их от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд используют деформированные элементы в виде пластины или прокладки, лежащей на жестком основании. Материалами этих прокладок могут быть сталь, латунь, медь, свинец, резина и т.п. (рис. 2 
)
3) Для обеспечения какого - либо заданного закона изменения перегрузки и длительности времени ударного ускорения ( 
) в небольшом диапазоне используют деформируемые элементы в виде наконечника, который устанавливается между плитой ударного стенда и испытуемым объектом (рис.2 
).
4) Для воспроизведения удара с относительно большим путем торможения применяют тормозное устройство, состоящее из свинцовой, пластически деформированной плиты, расположенной на жестком основании стенда, и внедряющегося в нее жесткого наконечника соответствующего профиля (рис.2 
), закрепленного на объекте или на платформе стенда. Такие тормозные устройства позволяют получать перегрузки в широком диапазоне 
с небольшим временем их нарастания, доходящим до десятков миллисекунд.
5) В качестве тормозного устройства может быть использован упругий элемент в виде рессоры (рис.2. 
), установленной на подвижной части ударного стенда. Такой вид торможения обеспечивает получение относительно малых перегрузок полусинусоидальной формы с продолжительностью, измеряемой миллисекундами.
6) Пробиваемая металлическая пластина, закрепленная по контуру в основании установки в сочетании с жестким наконечником платформы или контейнера, обеспечивает получение относительно малых перегрузок (рис. 2 
).
7) Деформируемые элементы, установленные на подвижной платформе стенда (рис. 2 
), в сочетании с жестким коническим уловителем обеспечивают получение длительно действующих перегрузок с временем нарастания до десятков миллисекунд.
8) Тормозное устройство с деформированной шайбой (рис.2 
) позволяет получать большие пути торможения объекта (до 200 - 300 мм) при малых деформациях шайбы.
9) Пневматическое тормозное устройство рис.2и позволяет воспроизвести интенсивные ударные импульсы различной формы. Кроме того, это устройство является устройством многоразового действия.
10) Широко применяются гидравлические амортизаторы. При ударе испытуемого объекта об амортизатор его шток погружается в жидкость. Жидкость выталкивается через очко штока по закону, определяемому профилем регулирующей иглы. Изменяя профиль иглы, можно реализовать различный вид закона торможения.
В заключение лекции следует отметить, что ударные испытания можно проводить и на маломасштабных моделях объекта, руководствуясь при разработке методики такого эксперимента теорией подобия физических процессов.
Лекция N 6
Тема лекции: Газодинамические испытания КА.
Газодинамическим испытаниям подвергаются маломасштабные модели околоземных КА многоразового использования, а также маломасштабные модели спускаемых аппаратов, входящих в атмосферу планеты с высокими скоростями.
Задачи, решаемые при газодинамических испытаниях, и методический подход к их решению.[]
При исследовании газодинамических процессов путем математического или физического моделирования решаются главным образом две задачи: 1) Определение силовых нагрузок, связанных с распределением сил аэродинамического давления и трения вдоль внешней поверхности КА и акустическим воздействием. 2) Определение газодинамических характеристик обтекания, которые являются необходимой информацией для расчета плотности конвективных и радиационных тепловых потоков к поверхности КА
Возможны два подхода к исследованию воздействия потока газа на испытуемый объект:
- Исследуемый объект располагается неподвижно в экспериментальной установке, а обтекаемому его поверхность газу сообщается определенная относительная скорость.
- Исследуемому объекту сообщается определенная скорость относительно неподвижной газовой среды.
Первый подход реализуется в аэродинамических трубах, в которых создается газовый поток с требуемыми параметрами, обтекающий исследуемое тело.
Второй подход реализуется с применением баллистических установок или ракетных трасс.
Как в первом, так и во втором случае испытания проводятся на маломасштабных моделях изделий, что объясняется ограниченностью энергетических возможностей испытательных центров. В связи с этим моделирование условий обтекания испытываемых объектов, обработка и интерпретация результатов испытаний на моделях основывается на теории подобия физических явлений. Физическое подобие газодинамических процессов предполагает наличие геометрического, кинематического и динамического подобия. Геометрическое подобие предполагает пропорциональность сходственных линейных размеров для модели и натуры. Кинематическое подобие предполагает, что кинематические характеристики сходственных частиц подобных потоков, обтекающих геометрически подобные тела, пропорциональны, т.е. в пропорциональные отрезки времени частицы проходят подобные пути, а скорости и ускорения в сходственных точках пропорциональны и ориентация этих векторов в пространстве одинакова. Динамическое подобие предполагает, что силы, действующие в сходственных точках, пропорциональны по величине и одинаково ориентированы.
Подобие называется полным, если во всем пространстве, окружающем модель и натуру, соблюдается подобие картин обтекания в целом. Если это условие не соблюдается, то подобие называется неполным или частичным.
Если записать уравнения Навье - Стокса в безразмерном виде то для двух гидродинамически подобных течений эти уравнения окажутся совершенно идентичными. Безразмерные уравнения Навье - Стокса в качестве коэффициентов (параметров) содержат следующие безразмерные комплексы, состоящие из размерных параметров: 
, 
, 
, 
, где 
- соответственно характерный размер, скорость, давление, плотность, динамический коэффициент вязкости, ускорение земного тяготения, характерное время. Подстрочный индекс 
относится к параметрам невозмущенного потока газа. Первый безразмерный комплекс называют в газовой динамике числом Струхаля (Sh), второй - числом Фруда (Fr), третье – числом Эйлера (Eu), четвертое – числом Рейнольдса (Re).
Очевидно, что для геометрически и кинематически подобных течений безразмерные уравнения движения будут одинаковыми в том случае, если каждый из этих комплексов имеет одно и то же значение для натурного объекта и модели и если в сходственных точках этих потоков относительные значения плотности и вязкости одинаковы ( 
). Отмеченные безразмерные комплексы являются, таким образом, критериями динамического подобия для геометрически и кинематически подобных систем.
В сжимаемой среде критерий Эйлера (Eu) можно представить с помощью известного выражения для скорости звука 
в виде Eu= 
; это значит, что в случае газовых течений появляются два дополнительных критерия подобия:
Число Пуассона 
и число Маха 
, значения которых при подобии течений около модели и натуры должны быть одинаковыми 
, 
.
Средства экспериментального моделирования газодинамических процессов
Аэродинамические трубы
В зависимости от скорости газового потока в рабочей части аэродинамические трубы делятся на следующие виды []:
1) дозвуковые ( 
);
2) околозвуковые и трансзвуковые ( 
);
3) сверхзвуковые ( 
);
4) гиперзвуковые ( 
).
По конструктивным признакам аэродинамические трубы можно разделить на два класса: трубы незамкнутого типа; трубы замкнутого типа.
При испытаниях КА или его отдельных фрагментов в аэродинамических трубах могут решаться следующие задачи:
- Исследование влияния формы обтекаемого потоком газа поверхности объекта на аэродинамические характеристики этого объекта в зависимости от скорости набегающего потока и в зависимости от ориентации объекта относительно вектора скорости газа.
- Исследование динамики полета КА.
- Исследование влияния аэродинамических сил на упругие характеристики оболочки конструкции КА.
- Физические исследования, связанные с течением воздуха в различных условиях (исследование газодинамической картины обтекания объекта сверхзвуковым потоком, исследование характеристик пограничного слоя и т.д.
В дозвуковых трубах (см. рис. 1) воздух засасывается в трубу вентилятором 7, приводимым во вращение электродвигателем 8. Засасываемый в трубу воздух проходит сначала через спрямляющую решетку 1 и детурбулирующую сетку 2, становится плоскопараллельным, затем, пройдя через форкамеру 3, поступает в сужающееся сопло 4, разгоняется и попадает в рабочую часть 5 трубы, где установлена испытуемая модель. Из рабочей части поток попадает в диффузор 6 и затем выбрасывается в окружающее пространство. В замкнутых аэродинамических трубах поток, пройдя рабочую часть и диффузор, направляется в обратный канал и через сопло вновь возвращается в рабочую часть. Кратко отметим назначение упомянутых частей аэродинамической трубы. Спрямляющая решетка, набранная из тонких металлических пластин служит для формирования параллельного потока и разрушения крупных вихрей. Детурбулизирующие сетки способствуют выравниванию скоростей по сечению потока и уменьшению начальной турбулентности потока в рабочей части трубы. Форкамера служит для выравнивания и успокоения потока. Сопло служит для разгона потока воздуха от минимальной на входе до расчетной на выходе в рабочую часть. Дозвуковые сопла имеют вид сужающихся каналов. Рабочая часть - это пространство между соплом и диффузором. Здесь устанавливается модель для испытания и располагаются аэродинамические весы. Газовый поток в рабочей части трубы должен иметь равномерное поле скоростей и давлений.
Рис. 1
Околозвуковые трубы в основном являются мощными дозвуковыми трубами замкнутого типа и постоянного действия. Основное отличие околозвуковых труб от трансзвуковых состоит в конструкции стенок рабочей части: околозвуковые трубы имеют сплошные стенки, которые препятствуют расхождению линий тока около модели, поэтому поле течения искажается. У трансзвуковых труб стенки рабочей части не сплошные, а имеют щели и перфорации, которые ослабляют влияние стенок на форму линий тока вблизи модели, благодаря этому в трансзвуковых трубах можно получать режимы обтекания с 
с дозвуковым соплом.
Сверхзвуковые трубы работают в диапазоне чисел Маха . Высокие скорости газового потока обеспечиваются сверхзвуковыми соплами, которые имеют дозвуковой и сверхзвуковой участки. На дозвуковом участке воздух, поступающий из форкамеры, разгоняется до звуковой скорости. На сверхзвуковом участке происходит дальнейшее увеличение скорости и окончательное формирование равномерного по сечению сверхзвукового потока. Каждое сверхзвуковое сопло рассчитано на получение определенного значения числа Маха на выходе. Это значение зависит от отношения площадей выходного сечения сопла и критического сечения. Для получения в трубе нескольких значений числа Маха применяют сменные или регулируемые сопла. Диффузор в сверхзвуковой трубе состоит из двух частей: начального сужающегося канала и следующего за ним расширяющегося участка трубы. В сужающейся части диффузора сверхзвуковая скорость газа постепенно снижается до звуковой за счет образования скачков уплотнения, затем дозвуковой поток попадает в расширяющуюся часть диффузора, где происходит дальнейшее торможение потока.
В гиперзвуковых трубах для получения потока с числом в форкамере необходимо создать давление, превышающее давление в рабочей части трубы в десятки тысяч раз, что обуславливает большие абсолютные значения давления в форкамере. Получение необходимого перепада давлений можно обеспечить за счет разряжения в рабочей части трубы, которое может быть достигнуто при помощи вакуум - камеры или применения многоступенчатого эжектора.
Гиперзвуковые трубы бывают непрерывного и периодического действия. По принципу работы трубы периодического действия бывают: атмосферно - вакуумные, эжекторные, баллонные, баллонно-вакуумные и баллонно-эжекторные.
На приведенных ниже рисунках 2 и 3, заимствованных из [], изображены схемы атмосферно - вакуумной и эжекторной труб.
Рис. 2
В атмосферно - вакуумной трубе в резервуаре 9 создается необходимое для работы трубы разряжение. После открытия быстродействующей задвижки 8 атмосферный воздух устремляется в трубу через форкамеру 1, в которой установлены сетки и решетки 2, спрямляющие поток. В сопле 3 воздух, достигнув сверхзвуковой скорости с заданным числом Маха, поступает в рабочую часть 4, где установлен испытуемый объект 5, а затем через диффузор 6 и 7 попадает в вакуумный резервуар 9. При этом в течение короткого времени в рабочей части создается сверхзвуковой поток. Если скорость потока в рабочей части трубы выше 4 
, то выходящий из сопла воздух, расширяясь, настолько снижает свою температуру, что начинается конденсация паров воды. Это явление можно устранить, установив, например, перед форкамерой газовый или электрический подогреватель. Вместо этого можно атмосферный воздух перед подачей в форкамеру пропускать через осушитель.
Рис. 3
В эжекторной трубе поток воздуха создается от эжектора (струйного насоса) 5, установленного за рабочей частью 3, к которому подается воздух повышенного давления. В ресивере 8 эжектора 5 создается повышенное давление. После открытия крана 7 воздух из ресивера поступает в эжектор 5. Эжектируемый воздух поступает в трубу из атмосферы, проходя через осушитель 1, сопло Лаваля 2 и рабочую часть 3, где установлен испытуемый объект 4, после чего, смешиваясь с эжектирующим воздухом, уходит через диффузор 6 в атмосферу.
Рассмотренные трубы периодического действия позволяют получать потоки с большим числом Маха при сравнительно небольших энергетических затратах, однако действие таких труб настолько кратковременно, что получение количественных характеристик становится затруднительным.
Трубы непрерывного действия точнее воспроизводят заданные параметры потока. Рабочие условия в них могут поддерживаться неизменными в течение длительного времени. Ниже приводится схема сверхзвуковой трубы непрерывного действия. Схема, как и две предыдущие, заимствована из []. Труба приводится в действие электродвигателем 8, на валу которого находится многоступенчатый компрессор 6, обеспечивающий высокий перепад давлений для работы трубы на сверхзвуковых скоростях. Воздух, пройдя компрессор, сильно нагревается, поэтому в конструкции трубы предусмотрен охладитель 5, в который и направляется воздух. Охлажденный воздух, пройдя сопло Лаваля 4, приобретает сверхзвуковую скорость и поступает в рабочую часть 3, где установлен испытуемый объект 2, а затем через диффузор 1 и колено обратного канала 9 с поворотными лопатками 7 возвращается в компрессор.
Рис. 4
Ударные трубы
Представляют собой экспериментальные установки для исследования газодинамики и физико-химических процессов в газовых потоках с высокой температурой. Схематическое изображение одного из вариантов ударной трубы представлено на рис. 5.
Рис. 5
На этом рисунке 1 - отсек высокого давления; 2 – диафрагма; 3 - отсек низкого давления; 4 - диафрагма; 5 - сопло; 6 - испытуемый объект (модель); 7 - окно; 8 - вакуумная камера; 9 - вакуумные насосы.
Принцип работы трубы заключается в следующем: по достижении расчетного давления в отсеке 1 разрывается диафрагма 2 и газ устремляется в отсек 3. Образовавшаяся ударная волна распространяется по рабочему газу, нагревая и сжимая его. Когда волна достигнет конца отсека низкого давления, диафрагма 4 на входе в сопло разрушится и произойдет отражение ударной волны, а сжатый и разогретый газ за отраженной ударной волной истечет через сопло 5 в вакуумную камеру 8. После встречи отраженной ударной волны с контактной поверхностью произойдет ее преломление и отражение, и эта волна возвратится к соплу. Начиная с этого момента, установившееся движение газа в сопле прекращается. Течение становится нестационарным и работа трубы заканчивается.
В ударных аэродинамических трубах достигается давление торможения до 
и температура торможения до 
. Время работы около 6 
.
Баллистические установки [1].
Если в аэродинамических установках изучается взаимодействие газового потока c неподвижной или совершающей ограниченное движения моделью изделия, то в баллистических установках имеется возможность исследовать взаимодействие газового потока с моделью в условиях свободного полета.
Баллистические установки состоят из метательного устройства, сообщающего моделям необходимую начальную скорость, и измерительного участка, на котором производится регистрация кинематических характеристик полета модели. На выходе измерительного участка баллистической установки помещают системы торможения и улавливания моделей. По принципу разгона модели метательные устройства, применяемые при высокоскоростном метании, могут быть разделены на два класса: газодинамические, в которых модель разгоняется газом; электродинамические, в которых модель разгоняется под действием электромагнитных сил.
В газодинамических метательных устройствах чаще всего используют либо пороховые пушки, либо легкогазовые пушки, в которых для разгона модели применяют легкие газы (водород и гелий), скорость звука в которых значительно больше, чем в пороховых газах. Если предельная скорость метания в пороховых пушках не превышает 
, то легкогазовые пушки могут сообщить моделям скорости, превышающие 10 - 12 
. Однако следует заметить, что высокие значения скорости метания модели в легкогазовых пушках достигаются при реализации многоступенчатого принципа разгона модели, который заключается в следующем: Cначала срабатывает пороховая пушка, разгоняющая до сверхзвуковых скоростей поршень, который движется в камере, заполненной легким (рабочим) газом. Ударная волна, возникающая перед поршнем, нагревает и сжимает рабочий газ. Когда температура и давление в камере с рабочим газом достигнет расчетной величины, разрывается диафрагма, отделяющая камеру от ствола пушки. Сжатый и разогретый газ устремляется в ствол пушки и разгоняет испытуемую модель до высокой скорости.
Баллистические установки имеют ряд преимуществ перед аэродинамическими трубами. Эти преимущества состоят в следующем: 1) возможность изменения в широком диапазоне чисел и 
; 2) возможность моделирования реальных температур торможения; 3) набегающий на модель газовый поток является невозмущенным; 4) отсутствуют державки и элементы крепления модели, которые искажали бы газодинамическую картину обтекания модели; 5) возможность достаточно точного и надежного контроля параметров набегающего потока; 6) возможность исследования нестационарных явлений.
К недостаткам баллистических стендов необходимо отнести следующее:
- после каждого выстрела модель разрушается;
- из-за малых размеров модели затруднено размещение внутри нее измерительных приборов;
- желаемое положение модели в потоке задается более сложным способом, чем в аэродинамической трубе.
Лекция N 7
Тема лекции: Испытания на воздействие акустических нагрузок.
Источники акустических нагрузок
В натурных условиях элементы конструкции КА подвергаются интенсивному акустическому нагружению. Акустическая нагрузка - это воздействие возникающего при работе ракетных двигателей звукового (акустического) поля на ракету - носитель, КА, сооружения и агрегаты стартового комплекса, обслуживающий персонал. Акустическая энергия, генерируемая реактивной струей ракетного двигателя, характеризуется частотным спектром, силой звука, уровнем звукового давления, продолжительностью воздействия и некоторыми другими параметрами.
Сила звука, или интенсивность акустического излучения, определяется количеством энергии, переносимой через единицу площади, перпендикулярной к направлению его распространения, в единицу времени. Для синусоидальной плоской волны сила звука 
, где 
- амплитуда переменного звукового давления, 
- средняя плотность среды, 
- скорость звука в данной среде. Для технических целей оказалось очень удобно использовать закон Вебера-Фехнера, утверждающий, что прирост силы ощущения звука человеческим ухом пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражителей. Уровень звукового давления 
выражают в децибелах и относят к пределу слышимости: 
.
Дата добавления: 2015-12-22; просмотров: 1219;