Пребывание в космосе 4 страница

На образование акустического поля затрачивается до 1 % кинетической энергии струи. Частотный спектр шума работающего двигателя, как правило, широкополосный и гладкий (так называемый белый шум). Однако при некоторых компоновках многосопловых двигательных установок или при взаимодействии реактивных струй с элементами пускового устройства в гладком спектре шума появляются дискретные составляющие – выбросы на отдельных частотах, интенсивности которых иногда в 100 раз и более превосходят уровень интенсивности сплошного спектра. Для объекта наибольшую опасность представляют дискретные составляющие, которые могут приводить к его раскачке и даже разрушению, особенно при совпадении частоты составляющей с собственной частотой конструкции. Наиболее чувствительны к акустическим нагрузкам аппаратура и некоторые элементы системы управления.

При работе двигательной установки шум возникает не только от реактивных струй, но и от вибраций, например, от вибраций сопла и трубопроводов, вызванных воздействием на них колебаний давления в пограничном слое, непосредственных вибраций двигателей из-за несбалансированности вращающихся элементов, работы арматуры и т. д. Однако эти источники вибрации невелики по амплитуде и имеют высокую частоту. Основные, т.е. наиболее опасные, вибрации возникают в результате акустического воздействия на летательный аппарат, поэтому исследованию акустического поля двигательной установки уделяется большое внимание. Теоретические методы исследования акустического нагружения аппарата не вполне надежны. Отметим не претендующий на полноту комплекс явлений, расчет которых в настоящее время весьма затруднен и требует проведения экспериментальных исследований: 1) увеличение нагрузок на элементы аппарата из-за “динамической добавки”, вызванной случайным (шумовым) акустическим нагружением; 2) появление нежелательных механических резонансов в электронной аппаратуре, элементах автоматики и приборах, вызванных акустической проницаемостью оболочки аппарата и вибрацией; 3) влияние акустики на процессы теплообмена; 4) влияние акустической прозрачности баков на процессы перемешивания холодных (нижних) и горячих (верхних) слоев жидкости, особенно криогенных; 5) акустический нагрев криогенных жидкостей в баках вследствие явлений поглощения звука этими жидкостями; 6) акустическая кавитация жидкостей на входе в насосы двигателей.

Виды акустических испытаний и их краткая характеристика [1]

Для изучения акустического воздействия на изделие проводят следующие испытания:

- наземные натурные непосредственно на изделии;

- на открытом стенде с работающим двигателем;

- в закрытых боксах с различными источниками шума;

- в акустических камерах.

Наземные натурные испытания позволяют наиболее полно приблизиться к эксплуатационным условиям, и следовательно, обеспечить полную проверку прочности конструкции и функционирования бортового оборудования. Такие испытания являются заключительными в общей программе отработка КА на акустические воздействия. Недостатком таких испытаний является их высокая стоимость, так как в течении всех испытаний двигатели, генерирующие акустическое поле, должны работать на максимальной мощности. Полетные условия акустического нагружения в наземных условиях практически не воспроизводятся.

Испытания на открытом стенде с работающим двигателем более экономичны. На таких стендах можно испытывать крупные изделия. Ускорение испытаний и соблюдение требуемых уровней нагрузки в данном случае достигается выбором положения испытуемых объектов относительно источника шума. Режимы испытаний устанавливают на основе натурных измерений звуковых нагрузок и деформаций в контрольных точках поверхности изделия.

Испытания в закрытых боксах позволяют получить более высокие уровни акустических нагрузок, чем на открытом стенде, в результате чего сокращается продолжительность испытаний. Недостатком этих испытаний является некоторое искажение звукового поля по сравнению с натурными условиями.

Испытания в специальных акустических камерах, где создаются условия, близкие к натурным, позволяют получить наиболее достоверную информацию о работоспособности испытуемого объекта. Однако ограниченный объем этих камер не позволяет проводить испытания крупногабаритных объектов.

Ниже приведен заимствованный из [1] рисунок 1, где изображена принципиальная схема открытого бокса для проведения акустических испытаний.

Рис.1

Испытуемые изделия 4 располагают на монтажной раме 5 вокруг струи 3, истекающей из сопла реактивного двигателя 1. Для сброса газов за рабочим участком расположен диффузор 2. Параметры звукового поля и реакции испытуемых объектов контролируют при помощи микрофонов и тензорезисторных датчиков. Источником шума является выхлопная струя реактивного двигателя. Вблизи среза выхлопного сопла уровни шума составляют приблизительно 160 - 175 . Такое интенсивное акустическое излучение реактивных струй связано с неоднородностью структуры турбулентного потока и может рассматриваться как результат взаимодействия нестационарных турбулентных вихрей. Следует отметить, что акустическую мощность турбулентной струи определяют по формуле , где ; - плотность среды в струе; - скорость истечения газа из сопла двигателя; - диаметр среза сопла; и - соответственно плотность окружающей среды и скорость распространения звука в окружающей среде.

Схема закрытого бокса, входящего в состав так называемой реверберационной камеры, изображена на рисунке 2.

Рис.2

На этом рисунке позиция 1 – испытательный бокс, 2 – корпус камеры, 3 - ворота, 4 – рупоры сирен, 6 - газоструйные сирены, 7 - бокс генераторов звука, 8 – выхлопная труба.

Газоструйные сирены создают уровни звукового давления до 180 и выше при широком диапазоне частот. Сирены подразделяются на динамические и статические Принцип работы статических сирен основан на эффекте, заключающемся в том, что при продувании через коническое сопло потока воздуха со сверхзвуковой скоростью в воздушном потоке перед соплом создается периодическое распределение давления с участками нестабильности. Помещая резонатор в эти участки, получают излучение звуковых волн в окружающее резонатор пространство. Динамические сирены могут воспроизводить дискретный спектр частот и широкополосный спектр частот. Принцип работы такой сирены заключается в следующем. В струе воздуха, истекающего из сопел специальной камеры (форкамеры), устанавливается вращающийся диск с отверстиями. Число сопел и шаг распределения их по окружности форкамеры равны числу и шагу распределения отверстий в диске. Попеременное открывание и закрывание отверстий приводит к резкому изменению газодинамических параметров струи и, следовательно, к возникновению пульсаций давления в горле рупора сирены, которые создают звуковые колебания воздушной среды. Частота звуковых колебаний зависит от частоты вращения диска с отверстиями.

В реверберационных камерах происходит отражение звука от стенок и звуковое поле вокруг испытуемого объекта представляет собой интерфенционную картину звуковых волн, т.е. возникает эффект усиления колебаний среды.

Толщина стен бокса реверберационной камеры может достигать до 80 при уровне шума 170 . С внутренней стороны поверхность стен имеет покрытие, обладающее высокой отражательной способностью по отношению к звуковым волнам. Это достигается за счет оштукатуривания стен с последующим их железнением. Иногда стены покрываются облицовочной плиткой. Такие стены почти полностью (99 %) отражают звуковые волны. В результате этого в камере создается диффузное звуковое поле, т. е. поле в котором уровни звукового давления одинаковы в любой точке камеры. Размеры камеры выбирают в соответствии с размерами объекта испытаний. В среднем объем реверберационной камеры должен превышать объем испытуемого объекта не менее чем в 8 раз. Для того чтобы акустическое поле было более равномерным, камеры относительно небольших объемов (менее 1000 ) строят с непараллельными стенками, что способствует улучшению условий реверберации звука. Камеры большого объема обычно делают прямоугольной формы. Для повышения диффузности звукового поля в таких камерах иногда применяют рассеиватели – жесткие клинья, устанавливаемые на внутренних поверхностях камер. Приближенно объем реверберационной камеры можно определить из условия обеспечения нижнего частотного диапазона измерений по формуле , где - объем камеры, - нижняя граничная частота.

В реверберационных камерах, как правило, испытывают полноразмерные конструкции летательного аппарата. Генераторы звукового давления устанавливаются в разных местах внутри камеры или могут быть установлены вне камеры. Уровень шума, достигаемый в таких камерах, составляет 177 . Управляемый спектр шума - от 40 до 10000 . Такие камеры позволяют намного снизить потребную акустическую мощность, а также практически избежать воздействие сильного шума на обслуживающий персонал. Уровень шума около камеры не превышает 50 .

Лекция N 8

Тема лекции: Общая характеристика тепловой отработки КА. Проблемы тепловакуумных испытаний КА.