WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |
..,..,..

- «» 2008 А.И. ФЕСЕНКО, И.Н. ИЩУК, В.В. ШТЕЙНБРЕХЕР МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ И РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Под общей редакцией доктора технических наук, профессора А.И. Фесенко Москва «Машиностроение» 2008 УДК 629.78 ББК Ж.с36 Ф44 Р е ц е н з е н т ы:

Доктор физико-математических наук, профессор Московского государственного университета приборостроения и информатики Ю.И. Сазонов Доктор технических наук, профессор Тамбовского государственного технического университета А.А. Чуриков Фесенко А.И., Ищук И.Н., Штейнбрехер В.В.

Ф44 Методы и приборы технического диагностирования тепловой защиты и радиопоглощающих покрытий авиационнокосмических аппаратов / Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф.

А.И. Фесенко. – М.: Машиностроение, 2008. – 200 с.

ISBN 978-5-94275-417-4 Рассмотрены методы и реализующие их устройства для определения тепловых свойств (ТС) теплозащитных материалов для повышения эффективности и надежности авиационно-космических аппаратов. Приведены различные специализированные частотноимпульсные устройства для определения текущих параметров теплового эксперимента, системы комплексного технического диагностирования ТС. Рассмотрена зависимость коэффициента поглощения электромагнитной волны от тепловых свойств диэлектриков.

Для аспирантов, адъюнктов и инженеров-исследователей, занимающихся вопросами технического диагностирования изделий тепловыми методами.

УДК 629.78 ББК Ж.с36 Издание осуществлено по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых по проекту МК-02.120.11.758.2007.10.

ISBN 978-5-94275-417-4 © Фесенко А.И., Ищук И.Н., Штейнбрехер В.В., © © © 2008 Научное издание Фесенко Александр Иванович, Ищук Игорь Николаевич, Штейнбрехер Валерий Васильевич МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ И РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Редактор Т.М. Глинкина Корректор О.М. Ярцева Инженер по компьютерному макетированию Т.А. Сынкова Сдано в набор 20.07.2008 г. Подписано в печать 5.09.2008 г.

Формат 60 84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 11,62. Уч.-изд. л. 12,0.

Тираж 400 экз. Заказ ООО «Издательство Машиностроение», 107076, Москва, Стромынский пер., Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к. По вопросам приобретения книги обращаться по телефону 8(4752)ПРЕДИСЛОВИЕ Развитие техники за последнее столетие привело к соизмеримости человеческих потерь от техногенных катастроф и аварий с потерями от природных катаклизмов, что предъявляет все более высокие требования к надежности эксплуатируемых систем, устройств и технологий. В этой связи создание эффективных средств диагностики и контроля окружающей среды является основным направлением повышения безопасности и надежности функционирования технических систем.

Такие отрасли, как ракетостроение, приборостроение, атомная промышленность, характеризуются эксплуатацией своих изделий в широком интервале температур, а также воздействием на изделия значительных тепловых и механических нагрузок. Анализ нестационарных температурных полей и их воздействия на изделия при подобной эксплуатации, например, в системах внутренней теплоизоляции и внешней теплозащиты космических аппаратов невозможен без знания тепловых свойств (ТС) применяемых материалов. Необходимо отметить, что трагический итог эксплуатации системы «Space Shuttle» показал, что из шести построенных космических аппаратов два потерпели техногенную катастрофу. В частности, одной из основных причин катастрофы космического аппарата «Колумбия» является нарушение теплоизоляционных характеристик наружной тепловой защиты при вхождении аппарата в атмосферу [1]. Вследствие этого задача измерения ТС материалов является актуальной, а ее решение имеет важное практическое значение.

Определение ТС на основе способов с длительным временем проведения тепловых испытаний, а также обработка полученных экспериментальных данных без применения численных методов приводят к значительной диспропорции между синтезируемыми и изучаемыми материалами и практически полностью исключают оперативный контроль ТС при лабораторных или производственных испытаниях материалов. Необходимо также отметить, что в силу субъективных психофизических особенностей оператором не может быть обеспечена высокая объективность измерений при точном и надежном задании тепловых режимов эксперимента и оперативной обработке поступающей из измерительного комплекса информации.

Особо актуальной задачей является разработка неразрушающих косвенных методов измерения ТС материалов с малым временем проведения теплофизического эксперимента, простотой задания краевых условий и небольшим количеством проводимых прямых измерений.

Первыми автоматическими устройствами для определения ТС материалов в процессе теплового эксперимента были устройства аналогового действия, совмещенные с электромеханическими преобразователями. В настоящее время разрабатываются специализированные импульсные автоматические устройства, преимуществом которых является более высокая точность измерения и преобразования исходных сигналов с последующей обработкой информации ЭВМ.

Стремление конструкторов совместить положительные качества аналоговых устройств (простоту выполнения, высокое быстродействие, оперативность процесса подготовки и выполнения операций и т.д.) с импульсными привело к созданию комбинированных вычислительных устройств (КВУ). Подклассом КВУ являются частотно-импульсные вычислительные устройства, в которых входные величины (температура, тепловой поток) представлены в виде частотно-импульсных последовательностей, временных интервалов, кодов и т.д. При этом становится возможным производить обработку входной информации в реальном масштабе времени.



Актуальность и перспективность применения в системах теплофизического контроля частотно-импульсных вычислительных и преобразующих устройств объясняется широким использованием сигналов, модулированных не по амплитуде, а по временным признакам – частоте и длительности.

Основными преимуществами частотных преобразователей и вообще использования частотно-импульсной модуляции являются:

1. Применение частотно-вычислительных устройств (ЧВУ) с высокими точностными показателями, метрологические характеристики которых в пределе определяются нестабильностью генераторов опорных частот. Известно, что девиация частоты у молекулярных и кварцевых генераторов составляет 10–9 и 10–12.

2. Разработка коммутаторов и каналов связи для амплитудных датчиков с малыми вносимыми погрешностями представляет сложную проблему. Для частотно-импульсных сигналов коммутаторы и каналы связи могут быть выполнены по простейшим схемам без внесения каких-либо погрешностей за счет помех в конечные результаты.

3. Частотно-импульсные вычислительные устройства оперируют с входной информацией не только в виде потока импульсов, но и с кодами, а в случае использования аналого-цифровых преобразователей – с сигналами в виде напряжения и тока. При этом обработка информации ведется в реальном масштабе времени.

4. Суммирующие счетчики импульсов являются идеальными интеграторами для частотно-импульсных сигналов. Время интегрирования не ограничивается.

5. Высокая помехозащищенность частотно-модулированных систем предопределяет разработку и перспективность применения частотных датчиков.

Необходимо отметить, что унифицированные функциональные блоки КВУ, состоящие из стандартных узлов с нормированными характеристиками, позволяют создавать автоматические устройства для определения ТС материалов различной сложности для любых задач и любого назначения. Подобные системы автоматизации тепловых измерений наилучшим образом устраняют противоречие между техническим прогрессом и стандартизацией, так как позволяют совершенствовать отдельные узлы и блоки системы в рамках стандартных данных. В настоящее время в информационно-измерительной технике получили широкое распространение элементарные преобразователи – двоичные умножители и двоичные делители. На базе таких преобразователей могут быть созданы модульные функциональные преобразователи для автоматизации теплофизических измерений, использующие частотные и временные виды модуляции и реализующие практически любые функциональные зависимости.

Следует также учитывать, что «одной из современных тенденций в использовании испытательной техники является стремление сочетать разрушающие и неразрушающие методы контроля» [2] ввиду возможности измерений в процессе разрушающих испытаний дополнительных характеристик, определяющих эксплуатационную надежность изделия.

Работа над монографией распределилась следующим образом: А.И. Фесенко, И.Н. Ищук и В.В. Штейнбрехер (гл. 1 совместно); А.И. Фесенко (гл. 2); А.И. Фесенко и И.Н. Ищук (гл. 3 совместно), А.И. Фесенко и В.В. Штейнбрехер (гл. 4 совместно); И.Н. Ищук (гл. 5, 6).

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ МГНОВЕННОГО И ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА Методы мгновенного и импульсного источников тепла характеризуются малым временем проведения теплофизического эксперимента, простотой задания краевых условий и по праву относятся к экспресс-методам. Определенными недостатками классических методов мгновенного и импульсного источников тепла являются необходимость определения момента времени, соответствующего экстремуму температурной кривой, а также локальные нарушения целостности испытуемых материалов с целью введения датчиков температуры в определенные заранее заданные точки образца. Отсюда вытекает необходимость в разработке новых модифицированных методов мгновенного и импульсного источников тепла, позволяющих исключить определение только момента времени, соответствующего экстремуму температурной кривой, и осуществлять определение ТС без нарушения целостности испытуемых материалов [3].

При проведении теплофизического эксперимента на датчики температуры часто действуют случайные электрические и магнитные поля. В результате этого на полезный выходной сигнал датчика, например ЭДС термопары, накладывается случайная помеха. Измерение абсолютных значений температуры в этом случае может сопровождаться значительными погрешностями.

Известно, что интегрирующие системы обладают сглаживающими свойствами и отличаются высокой помехозащищенностью. Поэтому представляется целесообразной в случае действия на первичный измерительный преобразователь случайных помех разработка способов неразрушающего определения ТС материалов, в которых осуществляется регистрация не абсолютных, а интегральных значений температуры.

1.1. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ В ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ ТЕЛАХ ПРИ ДЕЙСТВИИ ЛИНЕЙНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА Рассмотрим распространение тепла в полубесконечном образце, на поверхности которого расположен линейный нагреватель. Верхняя поверхность полуограниченного тела теплоизолирована. В начальный момент времени линейный источник тепла в течение времени * выделяет энергию Q.





Определим температурное поле в плоскости соприкосновения теплоизолятора и испытуемого образца.

Получим решение следующей аналогичной задачи:

T 2T 2T = a + + f (x, z, ) x2 z (- < x <, - < z <, 0 < < ) ;

2aQ f (x, z, ) = F()(x)(z);

* 1 [0,*];

F()= 0 > *;

T(x, z, 0) = 0.

При * Q x2 + z T(x, z, ) = exp -.

2 4a Отсюда температурное поле в плоскости контакта теплоизолятора и испытуемого тела (z = 0) [4] Q x T(x, ) = exp -. (1.1) 2 4a Для сравнительно больших значений * при > * температурное поле описывается выражением:

* Q d x T(x, ) = exp- 2 - 4a( - ) или в виде ряда K Q (-1)K 1 1 xln + T(x, ) = - = 2* - * KK! K ( - *)K 4a K = K K Q (-1) 1 x2 1 1 *. (1.2) = - 2* K! K! 4a K ( - *)K - * K = Рассмотрим вторую физическую модель. Имеются два материала с тепловыми свойствами: теплопроводности 1 и и температуропроводности, соответственно, a1, a2. Также имеются граничная плоскость: полупространство по одну сторону от нее занято первым материалом, а по другую – вторым и источник тепла в виде прямой линии, лежащей в граничной плоскости. В момент времени = 0 источник импульсно выделяет (равномерно по своей длине) количество тепла Q (в расчете на единицу длины). Требуется найти температурное поле в граничной плоскости во все последующие моменты времени.

Сформулируем двумерную краевую задачу, как T 2T 2T = a1 + x2 z (z < 0, - < x <, 0) ;

T 2T 2T a = a2 + + f (x, z, ) x2 z (z > 0, - < x <, 0);

T(x, + 0, ) = T(x, - 0, );

T(x, z, 0) = 0.

При > T T 1 z=-0 = 2 z=+0 ;

z z T 0 при z Q f (x, z, ) = (x)()(z[0, ]), где () – дельта-функция Дирака; (z,[0, ]) – характеристическая функция интервала [0, ], т.е.

1 при z [0,];

(z[0, ]) = 0 при z [0,].

В дальнейшем будет сделан переход к пределу при 0. Выражение для температурного поля в граничной плоскости имеет вид [3]:

Q x2 xT(x, ) = exp - - 2 exp- + 4a1 4a2(2 - 2 ) 1 x x x2 1 1 1 1 + exp - - - - - exp a1 D 4 d 2 4D a1 D x 1 1 1 1 - 2 - - - (1.3) exp a2 D 4 d, a2 D где 2 - 2 2 1 2 1 D = ;.

a1 a2 1 a1 a1 Если = = E, то температурное поле в граничной плоскости можно записать как a1 a QE 1 x2 x - a2 exp- T(x, ) = + a1 exp- 4a4a2(2 - 2 ) 1 x x x + erf 2 a1 - erf 2 a2.

Для случая D = 0 получим:

Q exp(- x2 / 4a2)- exp(- x2 / 4a1).

T(x, ) = 1/ a1 -1/ axПусть G(x, ) – решение краевой задачи для мгновенного импульса при Q =1 (функция Грина). В этом случае решение для импульса тепла длительностью * с энергией Q определяется соотношением > * :

* Q T(x, ) = G(x, - *)d*. (1.4) * Для конкретных вычислений можно использовать различные аппроксимации интеграла вероятностей erf(x).

1.2. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ В ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ ТЕЛАХ ПРИ ДЕЙСТВИИ ТОЧЕЧНОГО И КРИВОЛИНЕЙНОГО ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА Сформулируем трехмерную краевую задачу, в которой точечный источник тепла располагается в начале координат. Тогда температурное поле в рассматриваемой системе будет описываться следующими уравнениями [5, 6]:

T 2T 2T 2T = a1 + + x2 y2 z (z < 0, – < x < +, – < y < +, 0);

T 2T 2T 2T a = a2 + + + f (x, y, z, ) x2 y2 z (z > 0, – < x < +, – < y < +, 0);

Q f (x, y, z, ) = (x)(y)()(z[0, ]) ;

T (x, y, 0+, ) = T (x, y, 0-, ) ;

T (x, y, z, 0) = 0.

При > T T 1 z=-0 = 2 z=+0 ;

z z T 0 при z.

Решение данной задачи имеет вид:

1 RQ D D - aT(x, y, ) = exp- + 4( ) (2 - 2 ) a1 4a1 a1 8 D 1 1 1 1 1 y2 21 Rx exp a1 - D 4 + exp a1 - D 4 - a2 exp- 4a D D - a2 1 x2 1 1 y + exp a2 - D 4 + exp a2 - D 4 a2 8 D x 1 R2 1 1 1 - exp- - x - d + exp- a1 D 4D a1 D 8 D 0 y 1 1 1 + y - d - 2 - exp- a1 D 2 a2 D y x 1 1 1 1 x - d + y - d, exp- a2 D 2 exp- a2 D 4 0 (1.5) где R2 = x2 + y2.

На основании решения (1.5) можно получить выражение (1.3) путем интегрирования по координате y.

Если в выражении (1.5) перейти к пределу при a2 0 и 2 0, то получим решение аналогичной задачи для случая полупространства [4]:

Q R T(R, ) = exp-. (1.6) 4( ) 1 a1 4aНа основании принципа суперпозиции и с учетом равенства (1.6) запишем выражение для определения температуры в заданной точке поверхности полуограниченной среды после подачи n тепловых импульсов:

n 1 Qi RTn (R, ) = exp-, (1.7) 4 3 1 a1 i=1 ( - i )3 4a1( - i ) где i – время подачи i-го теплового импульса; Qi – энергия i-го теплового импульса (i = 1, 2,..., n); n – число поданных тепловых импульсов; – текущее время ( > n).

Если осуществляется подача тепловых импульсов с постоянным периодом 0, то на основании (1.7) получим:

n 1 Qi RT (R, n, 0) = exp-. (1.8) 4 (0 )3 1 a1 i=1 i3 4a1iЕсли подаваемые импульсы обладают равной энергией Q, то (1.8) примет вид:

n Q 1 R T = exp-. (1.9) 4 (0 )31 a1 i=1 i3 4a1iИспользуем в граничной плоскости тепловое условие [4]:

m T0 = T2 + (T1 - T2), (1.10) m +1 aгде m = – коэффициент тепловой активности первого полупространства по отношению ко второму; T1, T2 – извест2 aные решения задачи теплопроводности для полуограниченного тела с точечным источником тепла [7]:

Q1 R2 Q2 R T1 = exp-, T2 = exp- (1.11) 3 4( ) a11 4a1 4( ) a22 4am при Q1 = Q, Q2 = Q.

m +1 m +А xн xА xв x Рис. 1.1. Расчет избыточной температуры для криволинейного источника тепла На основании (1.10) и (1.11) расчетная формула для распределения температурного поля на границе раздела двух тел примет вид [8]:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.