Разработка методик тепловых испытаний элементов композитных стержневых космических конструкций

• Автор: Денисов, Олег Валерьевич
• Шифр специальности: 05.07.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СТЕРЖНЕВЫХ
КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
1.1. Типовые и перспективные стержневые космические конструкции и особенности их тепловых режимов
1.2. Материалы стержневых космических конструкций
1.3. Методы математического моделирования температурного состояния стержневых космических конструкций
1.4. Экспериментальные средства воспроизведения условий работы стержневых космических конструкций
1.5. Современные подходы к идентификации параметров ,
теплопереноса в космических конструкциях
1.6. Формулировка цели и задач диссертационной работы
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ ТЕПЛОВЫХ
ИСПЫТАНИЙ СТЕРЖНЕВЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
2.1. Принципы построения системы расчетных схем теплообмена стержневых космических конструкций
2.2. Модели одиночного полого стержня
2.3. Модель системы стержней
2.4. Теоретические исследования теплообмена одиночных стержней
2.5. Теоретические исследования теплообмена ферменных
конструкций
Выводы ко второй главе
ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ
НАТУРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Замысел проведения экспериментов с элементами натурных стержневых космических конструкций
3.2. Постановка и результаты экспериментов на установке контактного нагрева
3.3. Постановка и результаты экспериментов на гелиоустановке «ИГУС» и в вакуумной камере «СШВ»
3.4. Оценка погрешностей эксперимента на установке с контактным электрическим нагревателем
3.5. Экспериментальное определение оптических свойств поверхности элементов композитных стержневых космических
конструкций
Выводы к третьей главе
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность проблемы. При создании перспективных стержневых космических конструкций (КК) из композиционных материалов (КМ) трудно переоценить роль тепловых испытаний. Они служат для проверки результатов теоретических расчетов и способности конструкции выполнять свое назначение. Однако, нередко результаты теории и эксперимента не совпадают. Одно из слабых мест теоретических расчетов - неопределенность данных по теплофизическим свойствам (ТФС) КМ. Восполнять недостатки расчетов с помощью увеличения объемов испытаний нецелесообразно. Причин несколько: высокая сложность и низкая производительность испытаний крупногабаритных натурных конструкций, невозможность испытания масштабно уменьшенных моделей, теряющих представительные качества КМ. Компенсировать недостатки теории и эксперимента за счет увеличения запасов прочности и жесткости затруднительно в силу известных весовых ограничений.
В стержневых композитных КК для обеспечения стабильности формы и размеров в течение эксплуатации должны быть ограничены уровни и перепады температуры, влияющие на температурные деформации. При заданных тепловых нагрузках и размерах КК ее температурное состояние зависит от сочетания ТФС и оптических свойств (ОС) КМ.
Ввиду большого разнообразия и уникальности каждой партии стержней ■ из КМ (различные типы наполнителя и связующего, количество слоев и углы укладки волокон, режимы термообработки) почерпнуть из справочной литературы данные по их ТФС практически невозможно. В традиционных методиках определения ТФС материалов используются образцы в форме круглой или прямоугольной пластин. Приготовление таких образцов из натурной стержневой консгрукции затруднительно и может привести к нарушению структуры материала. Продолжительность экспериментов лежит в интервале от нескольких часов до нескольких десятков часов, а результаты испытаний могут иметь существенную погрешность. Очевидно, что назрела потребность

раллельна солнечным лучам. Так как плоскость земного экватора наклонена к плоскости эклиптики под углом 23°27', то плотность потока, падающего на боковую поверхность стержня, определялась по формуле [53] q„ к~ qw,n.oCOS ф cos 23°27' cos со т, где со = 7,27-10'5 с'1 - угловая скорость движения аппарата вокруг Земли, т -текущее время.
Моделирование проведено для стержней диаметром 0,06 м и толщиной 1 мм из неориентированного углепластика и сплава АМг-6 [74]. Данные по ТФС и ОС материалов заимствованы из [17, 39] и представлены в таблице 8.
Для стержня из углепластика перепад температуры в окружном направлении может достигать 100 К, а из алюминиевого сплава - не превышает 3 К. Немонотонный характер изменения температуры объясняется уменьшением угла между направлениями потока солнечного излучения и продольной осью стержня. Примечательно, что максимальные значения температуры стержней, вычисленные для типичного сочетания ОС поверхностей, ниже допустимых, составляющих 425 К для углепластиков и 450 К - для алюминиевомагниевых сплавов.
Таблица 8.
Модельные свойства материалов стержня
Вариант исполнения Р. кг/м3 Аф, Вт/(м-К) ср, Дж/(кг-К) А/se A/s,
100 К 400 К 100 К 400 К
Алюминиевый сплав 2670 108 125 770 940 0,4/0,5 0,5/0,5
Углепластик 1500 3,0 11,5 450 1650 0,8/0,92 0,92 /0,92