Испытания двигательных установок КА.

При проведении тепловакуумных, вакуумно-температурных, электрических испытаний в условиях имитации космических условий полета, а также термопрочностных испытаний внешние тепловые нагрузки часто воспроизводят с помощью упрощенных средств, представляющих собой совокупность условно линейчатых или точечных источников излучения, расположенных перед или вокруг испытуемого объекта. Излучатели выполняются в виде: токопроводящих и нагреваемых электрическим током лент, стеклографитовых, например; полых керамических стержней с вмонтированными в них электронагревателями; кварцевых галогенных ламп накаливания - одиночных, расположенных в линию, блоками в виде панелей; сетчатых панелей, изготовленных из нихромовой проволоки; тонкостенных труб с наружными проволочными электронагревателями, установленными путем намотки и т.д. То есть излучатели по принципу подвода энергии, геометрической форме, конструкции могут быть самыми различными. В конструкции излучателей могут присутствовать отражатели и теплоизоляция, применяемые для уменьшения тепловых потерь и, следовательно, для повышения коэффициента полезного использования подводимой к излучателям энергии. Кроме того, в ряде случаев отражатели позволяют, в принципе, снизить уровень спектральных погрешностей в эксперименте. Однако использование в конструкции излучающих модулей отражателей имеет и отрицательные последствия, которые заключаются в увеличении потоков фонового излучения в экспериментальной установке из-за переотражения в рабочую зону поверхностью отражателей падающей на них извне лучистой энергии.

Из отмеченных выше типов излучателей наибольшее распространение и за рубежом и в нашей стране получили кварцевые галогенные лампы накаливания. Они привлекательны своими благоприятными эксплуатационными параметрами, доступностью. Благодаря широкому применению в светотехнике, экспериментальной технике при проведении прочностных и тепловых испытаний теплонагруженных конструкций кварцевые галогенные лампы накаливания серийно выпускаются нашей промышленностью в относительно широком ассортименте. Однако следует заметить, что в силу особенности спектрального состава испускаемого этими лампами излучения, бесспорно их можно применять в том случае, когда наружная поверхность испытуемого объекта является серой, то есть когда спектральная поглощательная способность поверхности объекта не зависит от длины волны падающего излучения. Особенность спектрального состава исходящего от кварцевых галогенных ламп накаливания излучения обусловлена сложностью излучающей системы, включающей в себя вольфрамовую нить накала и кварцевую колбу, которая обладая селективной пропускательной способностью, сама нагревается и становится заметным источником излучения, особенно в вакууме, где нет возможности организовать ее интенсивное охлаждение. Относительная доля исходящей от колбы энергии может колебаться в широких пределах (ориентировочно от 1 до 0,1). Поэтому спектр излучения кварцевых галогенных ламп можно рассматривать как совокупность двух составных частей, смещенных друг относительно друга по длине волны. Относительная доля этих частей и степень смещения изменяется в зависимости от температуры вольфрамовой спирали и, следовательно, в зависимости от подводимой к лампе электрической мощности. В связи с этим, с точки зрения точности моделирования внешнего теплообмена, более предпочтительными являются излучатели, спектр которых был бы близок к спектру излучения черных тел, а температура была бы как можно ниже. Поэтому целесообразно излучение удобных в эксплуатации кварцевых галогенных ламп накаливания использовать как источник лучистой энергии, нагревающий какую-либо теплопроводную черную пластину, которая и станет для испытуемого объекта излучателем.

Однако какие бы источники лучистого теплового потока мы не применяли для воспроизведения внешних тепловых нагрузок, всегда возникает необходимость в определении таких пространственных законов распределения подводимой к излучателям энергии, при которых в экспериментах достигается максимальная точность воспроизведения расчетных внешних тепловых нагрузок.

В МАИ разработан и реализован в виде компьютерных программ для некоторых установок аэрокосмической отрасли следующий подход к решению задачи определения оптимального в отмеченном смысле энергетического режима работы имитатора. Режим работы в общем случае целесообразно характеризовать совокупностью значений интенсивности излучения его модулей в направлении своих нормалей - величин . Выбор в качестве оптимизируемых энергетических характеристик модулей обусловлен тем, что эти величины являются выходными функциями модулей и зависят не только от подводимой мощности и конструкции модулей, но и от радиационных характеристик их отражающих поверхностей, режима работы вакуумной и криогенной систем установки. Хотя контроль величин является непростой задачей, однако всегда можно для каждой конкретной радиационно-оптической схемы и конструкции модуля имитатора и заданной тепловакуумной камеры установить зависимость между и другими проще контролируемыми параметрами модулей, например, подводимой к модулю электрической мощности, температурой его излучающих поверхностей. Это можно сделать с помощью специально организованного эксперимента, предшествующего проведению одного из штатных испытаний.

Для реализации разработанного подхода к решению рассматриваемой задачи необходимо иметь геометрические модели испытываемого объекта и имитатора, а также информацию о спектральных и интегральных радиационных характеристиках элементов наружной поверхности объекта и излучателей имитатора. В случае, когда принимается во внимание не поглощаемый наружной поверхностью испытуемого объекта поток излучения, а падающий поток, информация о радиационных характеристиках не нужна.

Геометрическая модель объекта испытаний может быть представлена в виде данных о координатах достаточно большого числа точек его наружной поверхности. Такого числа, чтобы наружную поверхность можно было заменить поверхностью многогранника, каждая грань которого представляет собой треугольник с вершинами в заданных соседних точках. Центр каждой грани условно считается элементарной площадкой. Под центрами граней понимаются точка пересечения медиан треугольников, составляющих грани. Зная координаты и нумерацию вершин треугольника нетрудно выявить ориентацию и координаты введенных в рассмотрение элементарных площадок.

Геометрическая модель имитатора внешних тепловых нагрузок представляется в виде данных о координатах и ориентации его излучателей.

Каждому из тепловоспринимающих элементов испытуемого объекта присваивается, в зависимости от требуемой точности воспроизведения внешней тепловой нагрузки, определенный весовой коэффициент ( . В качестве критерия оптимальности режима работы имитатора выбирается минимум целевой функции , представляющей собой сумму квадратов “ взвешенных” погрешностей воспроизведения расчетных значений внешних тепловых потоков к выделенным тепловоспринимающим элементам. Величина равна разности между плотностью потока излучения, поглощаемого -ым элементом в условиях экспериментальной установки и заданным значением плотности теплового потока , подводимого по расчетам к выделенным элементам в штатных условиях эксплуатации. При этом , где - интегральная поглощательная способность - го элемента по отношению к излучению - го излучателя; - локальный угловой коэффициент - го элемента и - го излучателя; - индикатриса излучения; - единичный вектор, направленный от -го излучателя к -му элементу; - число излучателей.

Вид функции , являющейся функцией переменных определяется следующим выражением:

. (1)

Для определения оптимальных значений воспользуемся необходимым условием существования экстремума функции многих переменных ( , ) при наличии следующего ограничения на искомые величины, вытекающего из их физического смысла: . (2)

Получим так называемую нормальную систему линейных уравнений относительно неизвестных :

( ) (3),

где .

Если определитель системы (3) отличен от 0, то решение системы (3) определяет положение критической точки функции в неограниченной области значений . Поскольку производные линейно зависят от и возрастают с их увеличением ( ), то в критической точке, следовательно, имеет место минимум .

Принимая во внимание условие (2), ограничивающее область значений , для нахождения минимума функции можно воспользоваться известным методом спуска по координатам . При этом шаг по направлению выбирается исходя из следующего соотношения, полученного из уравнений (3):

.

Коэффициенты зависят от , которые в случае не серых тепловоспринимающих элементов сами являются функциями .Вот почему возникает необходимость в неоднократной минимизации функции . Сначала решается задача с целью грубого определения . Первое приближение можно получить, вводя предположение о независимости от . Первое приближение значений является основой для определения первого приближения . Потребное количество приближений зависит от степени нерегулярности спектральных радиационных характеристик излучателей и тепловоспринимающих элементов.

Входящие в выражения для коэффициентов величины и можно определить по методике, изложенной в работе [9].

Кратко охарактеризованный методический подход к выбору оптимального режима имитатора расчетных внешних тепловых нагрузок в 80 –е годы был реализован в МАИ в виде Фортран - программы, состоящей из головной программы ( ) и 11 подпрограмм типа .

В головной программе описываются массивы переменных и параметров, открывается файл для записи результатов, описываются в операторах FORMAT спецификации, в соответствии с которыми результаты решения задачи выводятся в открытый для их записи файл, вызываются подпрограммы и осуществляется вывод результатов.

Геометрическая модель имитатора и радиационные характеристики его модулей задаются в подпрограмме с именем IKI0.

Геометрическая модель испытуемого объекта и радиационные характеристики его поверхностей (интегральные или спектральные), внешние тепловые нагрузки вводятся в подпрограмме с именем OBEKT. Геометрическая модель вводится в виде координат точек поверхности в какой либо связанной с объектом системе координат.

Формирование треугольных граней на поверхности объекта, их нумерация, вычисление площадей граней, координат их центральных точек и направляющих косинусов нормалей каждой грани осуществляется в подпрограмме с именем GRANI.

В подпрограмме с именем STEND происходит перевод всей геометрической информации об испытуемом объекте из связанной с ним системы координат в стендовую систему координат, т.е. в систему координат имитатора.

Возможное затенение одних граней объекта другими от излучения, исходящего от модулей имитатора, выявляется в подпрограммах с именами UKFT00 и UKFT.

Угловые коэффициенты между тепловоспринимающими элементами испытуемого объекта и излучателями имитатора вычисляются в подпрограммах с именами BOK0 и TOREZ0. При этом в первой подпрограмме определяются угловые коэффициенты с излучателями, расположенными на условной цилиндрической части имитатора, а во второй - с излучателями торцевой поверхности имитатора.

Коэффициенты нормальной системы уравнений определяются в подпрограмме KFT.

Оптимальное распределение подводимой к модулям имитатора электрической мощности, а также значения радиационной температуры излучателей имитатора выявляются в подпрограмме с именем INT.

Погрешности воспроизведения заданных тепловых нагрузок определяются в подпрограмме DELTA. При этом вычисляются локальные погрешности, а также среднеинтегральная и среднеквадратичная погрешности.

Лекция N 14

Тема лекции: Экспериментальное исследование тепловой защиты КА.