Способ тепловых испытаний керамических оболочек

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к воспроизведению тепловых режимов головной части (обтекатель) ракеты в наземных условиях.

Известно, что слабым местом керамического обтекателя является узел клеевого соединения металлического шпангоута с керамической оболочкой.

При тепловых испытаниях керамическая оболочка может разрушиться от силового взаимодействия с металлическим шпангоутом из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металла и керамики. Кроме того, обтекатель может разрушиться из-за дефектов, которые накапливаются в процессе механической обработки керамической оболочки или по другим причинам в зоне узла соединения оболочки со шпангоутом. Например, при полной механической обработке наружной поверхности керамической оболочки режущим инструментом (алмазными кругами) полученная продольная царапина стеклорезом снижает ее прочность почти в два раза. Это повышает требования на неразрушающий контроль керамических оболочек до сборки.

Известны способы тепловых испытаний керамических обтекателей ракет, которые дают возможность оценить прочность керамических оболочек только в составе обтекателя после сборки (патент РФ №2571442, МПК G01N 25/72, G01M 9/04, опубл. 20.12.2015, бюл. 35; патент РФ №2534362, МПК G01M 9/04, опубл. 27.11.2014, бюл. 33; патент РФ №2517790, МПК G01M 9/04, G01N 25/72, опубл. 27.05.2014, бюл. 15).

Недостатком способов является то, что разрушение керамической оболочки приводит к отбраковке всей конструкции или всей партии обтекателей, если это повторные испытания.

Наиболее близким по технической сущности является способ тепловых испытаний керамических обтекателей ракет по патенту РФ №2531052, МПК G01M 9/04, G01N 25/72, опубл. 20.10.2014, бюл. 29 (прототип).

Способ заключается в том, что нагреву подвергается металлический шпангоут обтекателя в зоне узла соединения оболочки со шпангоутом, причем нагрев осуществляется изнутри обтекателя с одновременным контролем температуры шпангоута, а заданный режим нагрева задается по формуле, связывающей текущую температуру оболочки, температуру металлического шпангоута для случая нагрева шпангоута со стороны керамической оболочки и тепломеханические свойства керамики и материала шпангоута. Техническое решение указанного способа позволяет расширить температурный диапазон исследования напряженно-деформированного состояния обтекателей и может быть положено в основу 100% контроля обтекателей при теплопрочностных испытаниях в процессе производства.

Прототип обладает тем же недостатком, что и аналог. Разрушение керамической оболочки, которое приводит к отбраковке всей конструкции или всей партии обтекателей, и ограниченное применение при воспроизведении полного аэродинамического воздействия (теплового и силового) на испытуемый обтекатель.

Техническим результатом заявляемого изобретения является минимизация риска допуска дефектной керамической оболочки до сборки со шпангоутом.

Указанный технический результат достигается тем, что способ тепловых испытаний керамических оболочек, включающий нагрев изнутри обтекателя с одновременным контролем температуры шпангоута в зоне узла соединения оболочки и шпангоута, отличающийся тем, что керамическая оболочка монтируется на контрольном шпангоуте, на котором нанесен слой герметика, воспроизводящий клеевой слой в узле соединения данного типа обтекателя, силовое нагружение создается за счет локального нагрева внутренней поверхности контрольного шпангоута по определенному закону, при этом синхронно измеряются перемещения наружной поверхности оболочки в одном поперечном сечении таким образом, чтобы датчики перемещений находились попарно, напротив друг друга, в одной продольной плоскости, проходящей через ось вращения оболочки, после окончания нагрева показания этих датчиков суммируются для того, чтобы выявить изменение диаметральных перемещений в данной продольной плоскости в процессе теплового нагружения.

Способ иллюстрирует схема, представленная на фигуре. Керамическая оболочка 1, насаженная на металлический шпангоут 3, на наружной поверхности которого нанесен слой герметика 2, монтируется в установке, состоящей из керамической цилиндрической основы 5, на которой монтируются датчики перемещений 4, причем датчики перемещений монтируются попарно в одной плоскости, таким образом, чтобы оси симметрии штоков противоположных датчиков находились на одной линии, а оси всех датчиков (всех направлений) находились в одном сечении. Для того чтобы керамическая основа 5 меньше нагревалась, на ее внутренней стороне наносится теплоизолированный слой 7 из материала с низкой теплопроводностью. Нагрев шпангоута 3 осуществляется нагревателем 6.

В основу предлагаемого способа положен дифференциальный принцип измерения изменения диаметра в данной плоскости при осесимметричном нагреве. Все датчики перемещений установлены в плоскости, перпендикулярной оси вращения объекта исследовании типа тела вращения попарно напротив друг друга. В такой схеме составляющие показаний датчиков перемещений, которые соответствуют изменению диаметра в процессе нагрева, суммируются, а составляющие, которые соответствуют перемещению исследуемого объекта, вычитаются. Таким образом, для определения изменения диаметра в i-ой плоскости (проходящей через ось вращения) расположения пары датчиков перемещении не предъявляются большие требования к центровке оболочки относительно датчиков перемещений, которые монтируются на керамической основе 5, относительно которой проводятся измерения.

Способ экспериментально отработан и применяется при определении напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций типа тел вращения.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2571442, МПК G01N 25/72, G01M 9/04, опубл. 20.12.2015, бюл. 35.

2. Патент Российской Федерации №2534362, МПК G01M 9/04, опубл. 27.11.2014, бюл. 33.

3. Патент Российской Федерации №2517790, МПК G01M 9/04, G01N 25/72, опубл. 27.05.2014, бюл. 15.

4. Патент Российской Федерации №2531052, МПК G01M 9/04, G01N 25/72, опубл. 20.10.2014, бюл. 29.

1. Способ тепловых испытаний керамических оболочек, включающий нагрев изнутри обтекателя с одновременным контролем температуры шпангоута в зоне узла соединения оболочки и шпангоута, отличающийся тем, что керамическая оболочка монтируется на контрольном шпангоуте, на котором нанесен слой герметика, воспроизводящий клеевой слой в узле соединения данного типа обтекателя, силовое нагружение создается за счет локального нагрева внутренней поверхности контрольного шпангоута по определенному закону, при этом синхронно измеряются перемещения наружной поверхности оболочки в одном поперечном сечении таким образом, чтобы датчики перемещений находились попарно, напротив друг друга, в одной продольной плоскости, проходящей через ось вращения оболочки, после окончания нагрева показания этих датчиков суммируются для того, чтобы выявить изменение диаметральных перемещений в данной продольной плоскости в процессе теплового нагружения.

2. Способ тепловых испытаний по п. 1, отличающийся тем, что нагрев шпангоута осуществляется инфракрасными нагревателями.

3. Способ тепловых испытаний по п. 1, отличающийся тем, что тепловой режим шпангоута задается индукционными нагревателями.