8.2. Экспериментальные высокотемпературные установки для отработки теплозащитных покрытий

Для экспериментального исследования разрушающихся теплозащитных материалов используют различные высокотемпературные установки, в их числе :

стендовые ракетные двигатели;

установки с электродуговым нагревом воздуха и других газов;

ударные трубы;

установки радиационного нагрева и др.

Рассмотрим основные требования, которые предъявляются к установкам для испытания разрущающихся теплозащитных материалов.

1. Температура набегающего газового потока должна быть выше температуры фазовых превращений материала.

2. Установка должна обеспечивать возможность нагрева различных газов и газовых смесей необходимого состава в определенном диапазоне температур, давлений и скоростей истечения.

3. Время стабильной работы установки должно изменяться от нескольких секунд до минут.

4. Набегающий на модель поток должен быть однородным по температуре, давлению и скорости.

В струях стендовых ракетных двигателей воспроизводятся величины энтальпий торможения до 6000 - 8000 и скорости потока порядка 3000 . В настоящее время эти установки являются по существу единственными, в которых при сравнительно высокой температуре можно в течении длительного времени получать турбулентный режим обтекания испытуемых моделей. Серьезным недостатком испытаний материалов в струях стендовых ракетных двигателей является то, что химический состав потока не соответствует, как правило, реальным условиям работы материалов. Это обстоятельство затрудняет изучает механизма разрушения материалов, для которых химические реакции при разрушении играют определяющую роль. Кроме того, при испытаниях в струях ракетных двигателей материалов с высокой температурой разрушения, порядка 3000 , вследствие малости перепадов энтальпий ( - ) поперек пограничного слоя неизбежно появляются большие погрешности в определении величины теплового потока к разрушающейся поверхности.

В настоящее время наилучшим средством получения высокотемпературных потоков в течение продолжительного времени является нагрев воздуха или других газов с помощью электрической дуги. Известные электродуговые подогреватели ( плазмотроны) можно разделить на несколько типов, схематично изображенных на представленных ниже рисунках, заимствованных из монографии [ 7 ].

Простейшее устройство для подогрева газа - это свободно горящая в воздухе электрическая дуга (рис. а ), на оси которой может достигаться температура до 7000 . Если через такую дугу вдоль ее оси принудительно продувать газ, то мы получим схему простейшего устройства для электродугового подогрева газа ( см . рис. б) . В разрядной камере происходит переход электрической энергии в тепловую энергию газа , и затем газ в виде струи вытекает через сопло с большой скоростью. Температура газа, нагретого в таком устройстве, намного превышает температуру фазовых превращений теплозащитных материалов ; химический состав газа практически может быть любым.

Тепло от дуги распространяется теплопроводностью, излучением и конвекцией. Излучение играет существенную роль только при высоком давлении. В балансе энергии в дуговом столбе важную роль играет диссоциация газа , а также диффузия ионов и молекул. Теплопроводность обуславливает теплообмен с холодными частями подогревателя . За счет конвекции осуществляется в основном передача тепла от дугового столба к обтекающему его газу.

На приведенных рисунках приняты следующие обозначения: 1- катод; 2- анод; 3- вход рабочего газа; 4- дуга; 5 –истекающая из плазматрона струя горячего газа; 6 - электрически нейтральная вставка; 7 – дополнительный подвод инертного газа; 8- межэлектродная вставка; 9 - магнитная катушка.

Из различных вариантов электродуговых подогревателей можно выделить плазмотроны, характерной особенностью которых является нахождение на одной оси дугового разряда и истекающей струи ( рис. ) . При такой схеме не происходит смешения подогретого газа в сопле и за счет этого достигается максимальная температура в струе. Максимальная температура газа, получаемая на таких электродуговых подогревателях , в зависимости от выбора схемы нагрева, вида рабочего газа и уровня подводимой мощности, составляет .

На рисунках и в качестве материала катода используется вольфрам или тарированный вольфрам. В большинстве установок электроды, сопла и другие элементы разрядной камеры выполняются из охлаждаемой водой меди.

На рис. изображен электродуговой подогреватель с межэлектродной вставкой. За счет этого при увеличении тока увеличивается также и его плотность, что связано с ограничением диаметра дуги внутренней поверхностью межэлектродной вставки. Это приводит к повышению температуры нагрева газа. Так, если максимальный уровень среднемассовой температуры газа в подогревателях типа, указанных на рисунках и , составляет 7000 , то в подогревателях с межэлектродной вставкой достигаются температуры 10000 и выше. Кроме того , вольт-амперные характеристики у них также различны. У подогревателей линейной схемы ( рис. и ) вольт-амперная характеристика носит падающий характер, а у подогревателя с межэлектродной вставкой - возрастающий.

Для уменьшения эрозии электродов в местах соприкосновения опорных пятен дуги с поверхностью электрода дуга быстро перемещается по его поверхности с помощью газодинамических сил ( рис. ) , внешнего магнитного поля ( рис. ) или их совместного воздействия ( рис. ). Вихревая и магнитная стабилизация дуги уменьшает диаметр разряда и позволяет повысить температуру в струе. Для того чтобы уменьшить вредное влияние закрутки потока, связанной с вихревой или магнитной стабилизацией дуги, выход газа устраивают сбоку или по касательной к линиям тока ( см. рис. ) . Эта же схема позволяет уменьшить долю примесей, попадающих в поток при разрушении электродов, путем отсоса газа из приэлектродных зон.

Для повышения мощности подогревателя предусматривают питание ресивера горячим газом от нескольких дуг. Обычно в одну дугу удается “ вложить” ограниченную полезную мощность , что связано с выделением тепла в катодном и анодном пятнах на электродах и трудностями охлаждения последних. Эффективным способом повышения температуры нагрева газов является стабилизация дуги сжиженными газами или водой ( сильное обжатие дуги).

Мощность известных электродуговых подогревателей составляет от 100 до 10 и даже более. Продолжительность стабильной непрерывной работы колеблется от 30 до нескольких десятков минут. Эти нагреватели обеспечивают при непрерывной работе получение газового потока с давлением от до при уровне энтальпии газового потока от 4000 до 200000 . При этом плотность теплового потока к моделям может достигать 1000 - 50000 и более.

Однако электродуговым нагревателям свойственны и следующие недостатки :

газовый поток загрязняется продуктами эрозии электродов ( концентрация загрязнения достигает нескольких десятых процента). Диаметр струй недостаточен , а их параметры неоднородны . В струе имеют место пульсации температуры, плотности, скорости и др. , распределение этих параметров по сечению недостаточно удовлетворительное. Но несмотря на это, газодинамические установки с электродуговым подогревом являются в настоящее время наиболее подходящими для экспериментального изучения процесса разрушения теплозащитных материалов.

Для испытаний материалов может также применяться ударная труба непрерывного действия. Установка представляет собой вращающееся устройство (ротор) с несколькими ударными трубами, из которых горячий сжатый газ поступает в коллектор (ресивер или камеру), а оттуда в сопло. При высоких давлениях в камере этой установки ( до ) воздух нагревается всего лишь до температуры порядка 3500 . Широкого распространения установки такого типа не получили.

Для изучения прогрева теплозащитных материалов используются установки с радиационным нагревом , где в качестве источника высокой температуры применяются угольные дуги, шаровые дуговые лампы с ксеноновым наполнением и даже энергия Солнца (гелиоустановки).

9. ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК КА.

Здесь речь будет идти только о ракетном двигателе. Испытание ракетного двигателя – проверка на стендах и летных испытаниях работоспособности и основных характеристик двигателя и его агрегатов. Испытания бывают холодные и огневые. При холодных испытаниях ракетного двигателя сгорание топлива (нагрев рабочего тела) не происходит. Обычно под холодными испытаниями понимают проливку жидкостных и продувку газовых полостей ЖРД соответственно компонентами топлива или модельными жидкостями ( например, водой, жидким азотом) и газами ( например, воздухом, хладоном). При этом отрабатывается взаимодействие элементов ЖРД, корректируется циклограмма работы, уточняются гидравлические характеристики отдельных элементов и узлов в целом, исследуются гидродинамические процессы, проверяется настройка ЖРД. При холодных испытаниях двигательной установки ( ДУ) отрабатываются дополнительно операции наддува баков, захолаживания и т.д.

Огневые испытания проводятся со сгоранием топлива ( нагревом рабочего тела ). Тяга, развиваемая ракетным двигателем, воспринимается конструкцией испытательного стенда. Огневые испытания являются важной частью программы разработки двигателя, предшествующей его летно-конструкторским испытаниям.

На начальном этапе огневых испытаний ставится лишь задача обеспечения надежного запуска ЖРД на установившийся режим работы ( который может быть ниже номинального). При этом продолжительность испытаний исчисляется немногими секундами. Постепенно программа огневых испытаний усложняется .

Проведение огневых испытаний ракетных двигательных установок имеет ряд характерных особенностей:

- Продолжительность работы двигателя за одно включение- от нескольких секунд до нескольких минут. В связи с этим необходима максимально возможная автоматизация процессоа управления и измерения.

- Применяемые в ЖРД высокоактивные топливные компоненты являются источником повышенной опасности испытаний . При высоких температурах в камерах сгорания двигателя во время испытаний могут проявиться всевозможные дефекты, которые могут привести к аварийному исходу испытаний - пожару, взрыву.

- Высокая стоимость испытаний, обусловленная большими расходами компонентов топлива и использованием уникального испытательного оборудования.

В связи с отмеченными обстоятельствами огневые испытания должны быть высокоинформативными. Число измеряемых параметров должно быть достаточно большим – исчисляться сотнями.

Огневые испытания ракетных двигателей осуществляются на специально оснащенных испытательных станциях ( испытательных комплексах). Испытательные станции состоят из стендов для установки двигателей; наблюдательных бункеров, из которых осуществляется управление процессом испытаний ; емкостей для хранения компонентов топлива; химических, измерительных, вычислительных и других лабораторий; производственных и приборных мастерских, монтажных помещений для проведения работ с двигателем до и после испытаний; различных энергетических систем для обеспечения стендов и производственных служб водой, паром, воздухом, инертными газами высокого давления; административных и бытовых помещений , а также вспомогательных служб ( ремонтных, транспортных и т.д.).

Испытательные стенды представляют собой сложные инженерные сооружения . Размещаются в корпусе из монолитного железобетона с мощным стальным каркасом и обычно располагаются на склоне оврагов. Ниже приведена ,заимствованная из [ 1 ] схема вертикального стенда для испытаний мощных ЖРД.

Все помещения стенда, за исключением бокса 4, - закрытого типа. Для выхода взрывной волны в конструкции стенда предусматриваются легкоразрушаемые элементы - большие окна, легкие крыши боксов и т. д.

Основным помещением стенда является бокс 4 ( огневой отсек), расположенный консольно по отношению к корпусу стенда. В огневом отсеке двигатель 5 монтируется к раме тягоизмерительного устройства 8 . Над огневым отсеком расположена система измерения и тарировки тяги двигателя. Усилие передается на рамы двигателя посредством вертикальных штанг, проходящих через окно в потолке огневого бокса. В верхней части стенда расположены отсеки горючего и окислителя, в которых размещаются топливные расходные баки 10 и 11 с системами термостатирования, системы питания двигателя топливом 6 , 12; рядом находятся баллоны со сжатым газом 7 для наддува топливных баков . Для обеспечения гидродинамического подобия в отсеке тягоизмерительного устройства расположены взаимоизолированные разделительные емкости 9.

Ниже нулевой отметки размещены дополнительные топливные баки 13, предназначенные для обеспечения возможности проведения опытных работ на новых, более перспективных компонентах. Наддув баков осуществляется из баллона 14.

Система отвода продуктов сгорания состоит из следующих элементов: газоотводной трубы 3 ; лотков 2 для отвода струи и ее охлаждения с целью предотвращения эрозии стенда; охлаждение струи и лотка производится с помощью специальной системы 16. Отработанная вода по каналу 1 попадает в нейтрализационную систему. В нижних помещениях размещаются системы отопления, вентиляции 15 , связи и оповещения, пожаротушения. На определенном удалении размещается топливохранилище 17. Пункт управления, как правило,бронируется и выносится более чем за 100 от стенда в зависимости от тяги испытуемого двигателя. Визуальное наблюдение осуществляется через бронестекла, перископические устройства или при помощи телевизионных устройств из пультовой 20. В бункере размещены и пульты управления испытаниями, регистрирующие приборы системы измерения 21. Команды из бункера на стенд и получение информации со стенда в измерительную передаются по кабельным каналам, расположенным в тоннеле 18.

Наряду со стендами, предназначенными для общей отработки и проверки ракетных двигателей, существуют стенды для специфических исследований , например , для исследования работы двигателя в высотных условиях. Это достигается за счет создания пониженного давления в районе реактивного сопла. В обычных стендах эти условия создаются при помощи сверхзвуковых диффузоров ( эжекторов). В том случае, когда их активной средой является реактивная струя ракетного двигателя , давление окружающей среды может быть снижено до значения, соответствующего высоте 20 -25 км.

10. ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ, МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ .