10.1. Способы нагрева конструкций

Испытания КА при динамических температурных потоках относятся к сложным процессам. На конструкции КА действуют прямые и отраженные от Земли тепловые потоки Солнца, тепловые потоки планеты, аэродинамические потоки, потоки переизлучения, тепловые потоки от жидкостных ракетных двигателей, других агрегатов и пр. Проверку влияния столь многообразных тепловых потоков проводят на различных стендах со следующими способами нагрева:

1. конвективным

2. радиационным

3. индукционным

4. теплопроводностью

5. электронным

6. пропусканием тока и др.

10.2. Конвективный способ

Стенд, изображенный на рис. 10.1, создает вынужденный конвективный теплообмен между газовой средой и поверхностью ОИ. Стенд состоит из кожуха ‑ 2, в котором размещается ОИ ‑ 4 и камеры нагрева ‑ 5 с форсунками – 6. В направлении стрелки – 1 подается от компрессора воздух, который нагревается в камере нагрева. Отбойная стенка ‑ служит для отвода газа.

Количество теплоты, передаваемое от газового потока к поверхности ОИ конвективным теплообменом производится по формуле Ньютона-Рихмана

, (10.1)

где ‑ коэффициент теплообмена, Вт/(м² ·К); F – площадь поверхности теплообмена, м² ·; ‑ среднее значение температуры газа, К; ‑ среднее значение температуры омываемой газом стенки ОИ, К. Количество теплоты измеряется в Дж.

Коэффициент теплообмена зависит от физических свойств теплоносителя, числа Рейнольтса, формы сечения ОИ и других факторов. Сложность моделирования заключается в создании теплового воздействия на ОИ эквивалентного аэродинамическому нагреву с конвективным подводом и лучистым отводом теплоты близким к реальным условиям.

Для получения газовых потоков большой мощности используют турбореактивные двигатели и электродуговые нагреватели.

10.2. Радиационный способ

При радиационном способе нагрева конструкция нагревается излучением электромагнитных колебаний нагревателя. При этом окружающая среда нагревается до невысоких, пренебрежимо малых температур. Простота установок радиационного нагрева способствовала широкому их использованию в теплостатических и тепловакуумных испытаниях.

Теплообмен излучением электромагнитных колебаний рассчитывается по закону Стефана-Больцмана и Ламберта. Плотность теплового потока, излучаемого телом, согласно закону Стефана-Больцмана

, (10.2)

где ‑ степень черноты; = 5,7·10^-8 Вт/(м² ·К⁴ ) ‑ постоянная Стефана-Больцмана; ‑ температура излучаемой стенки, К.

Тепловой поток излучения в определенном направлении определяют по закону Ламберта.

В диапазоне температур 1000…3500 К энергия излучения переносится, в основном, электромагнитными колебаниями с длинной волны > 0,76 мкм, что соответствует инфракрасной области спектра. Инфракрасные нагреватели имеют ряд положительных характеристик, что позволяет широко использовать их при тепловых испытаниях. К достоинствам инфракрасных нагревателей относят:

1. Возможность создавать лучистые потоки с большой поверхностной плотностью;

2. Управление тепловыми потоками по сложной программе;

3. Нагрев поверхностей различной формы;

4. Непосредственное измерение тепловой энергии;

5. Удобное наблюдение за нагреваемой конструкцией и др.