Инженерный журнал: наука и инновацииЭЛЕКТРОННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-53688 от 17 апреля 2013 г. ISSN 2308-6033. DOI 10.18698/2308-6033
  • Русский
  • Английский
Статья

Моделирование интенсивного теплосилового воздействия газовой среды для испытаний образцов в широком диапазоне параметров

Опубликовано: 04.12.2020

Авторы: Мосолов С.В., Партола И.С., Кудинов А.С., Юрченко И.И., Клименко А.Г., Федоров С.А.

Опубликовано в выпуске: #12(108)/2020

DOI: 10.18698/2308-6033-2020-12-2038

Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов

Результаты работы расширяют доступный диапазон параметров воздействующей газовой среды при испытаниях образцов материалов и покрытий в условиях интенсивных теплосиловых нагрузок для исследования свойств и ресурсных характеристик этих объектов при стационарном и импульсном воздействии. В отличие от большинства распространенных методов особенности предлагаемых в работе условий для испытаний образцов заключаются в одновременном воспроизведении высокого теплового потока и давления высоконапорного потока на поверхности образца, в возможности получения окислительной или восстановительной среды с различным химическим составом, а также в импульсном циклическом воздействии на образец материала. Высокая производительность экспериментальной установки позволяет проводить до 10 испытаний в день. Для проведения исследований образцов моделируется сверхзвуковая газовая струя со степенью нерасчетности, близкой к единице. Газовая струя создается газодинамической установкой при реакции углеводородного горючего и кислорода в камере с последующим ускорением в сопле Лаваля. Образец материала крепится на координатном устройстве, позволяющем устанавливать его в требуемом положении относительно оси струи. При необходимости образец может быть оснащен средствами измерения температуры, теплового потока и давления. В целях обеспечения тарированного воздействия на образцы были исследованы поля параметров струи с помощью тарировочных пластин, оснащенных датчиками давления на поверхности и термопарами для определения тепловых потоков. В результате получены поля параметров давлений, тепловых потоков, градиентов давления и напряжений трения на поверхности образцов в зависимости от их ориентации и термодинамических свойств газовой струи, в соответствии с которыми могут проводиться испытания при исследовании свойств материалов. Объектами испытаний могут быть образцы из металлов и композитных материалов, образцы для испытания стойкости покрытий, многослойные конструкции и защитные тканевые материалы.


Литература
[1] Горский В.В., Оленичева А.А., Риш В.Г. Определение физических свойств углеродных материалов по результатам абляционных экспериментов, проведенных в струях газодинамических установок. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн., 2015, № 10, с. 126–140. DOI: 10.7463/1015.0814845
[2] Горский В.В., Ковальский М.Г., Риш В.Г. Определение абляционных свойств УУКМ на базе анализа результатов эксперимента в струе продуктов сгорания. Научные материалы Международной молодежной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», посвященной 105-летию со дня рождения академика В.Н. Челомея. Реутов, 28.05.2019, с. 45–46.
[3] Gorskii V.V., Zolotarev S.L., Olenicheva A.A. Computational and experimental investigations into the mass loss of a carbon material in the sublimation regime of its thermochemical destruction. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2015, vol. 88, no. 1, p. 163–167. DOI: 10.1007/s10891-015-1178-6
[4] Lundell J.H., Dickey R.R. Graphite ablation at high temperatures. AIAA Paper, 1971, no. 71-418.
[5] Ершова Т.В., Косарев В.Ф., Михатулин Д.С. Влияние температуры сверхзвукового гетерогенного потока на переход эрозия–напыление. Теплофизика и аэромеханика, 2006, т. 13, № 4, с. 583–594.
[6] Горский В.В., Гордеев А.Н., Дмитриева А.А., Ковальский М.Г. Методика решения обратных задач математической физики по определению эффективных физических свойств углеродных материалов абляционной тепловой защиты. Инженерный журнал: наука и инновации, 2018, вып. 8. DOI: 10.18698/2308-6033-2018-8-1789
[7] Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Mikhailovskii K.V. Development of Elements of Reusable Heat Shields from a Carbon–Ceramic Composite Material 1. Theoretical Forecast. J. Eng. Phys. Thermophy, 2019, vol. 92, no. 1, pp. 89–94. DOI: 10.1007/s10891-019-01910-0
[8] Caughman J.B.O., Goulding R.H., Biewer T.M., et al. Plasma source development for fusion-relevant material testing. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2017, vol. 35, art. 03E114. DOI: 10.1116/1.4982664
[9] Cheng X., Qu Z., He R., Ai S., Zhang R., Pei Y., Fang D. An ultra-high temperature testing instrument under oxidation environment up to 1800 °C. Review of Scientific Instruments, 2016, no. 87, art. 045108. DOI: 10.1063/1.4944484
[10] Thirugnanasambantham K.G., Natarajan S. Degradation through erosion: Mechanics studies on IN-718 superalloy under hot air jet conditions. Journal of Materials Engineering and Performance, 2015, vol. 24, iss. 5, pp. 2605–2613. DOI: 10.1007/s11665-015-1538-6
[11] Tabacoff W. Erosion resistance of superalloys and different coatings exposed to particle flows at high temperature. Surf. Coat. Technol., 1999, vol. 120-121, pp. 542–547.
[12] Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Новые режимы течения и теплообмена плазмы в высокочастотном плазмотроне ВГУ-4. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2008, т. 7. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2008-7/articles/453/ (дата обращения 08.12.2020).
[13] Горский В.В., Гордеев А.Н., Дмитриева А.А., Колесников А.Ф. ВЧ-плазмотрон ВГУ-4 ИПМех РАН как инструмент для исследований кинетики гетерогенных химических реакций, протекающих на поверхности углеродного материала. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2017, т. 18 (2). URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2017-18-2/articles/736/ (дата обращения 08.12.2020).
[14] Егоров И.В., Жестков Б.Е., Шведченко В.В. Определение каталитической активности материалов при высоких температурах в гиперзвуковой трубе ВАТ-104. Ученые записки ЦАГИ, 2014, т. XLV, № 1, с. 3–13.
[15] Василевский Э.Б., Жестков Б.Е., Сахаров В.И. Численное моделирование и эксперимент на индукционном плазмотроне АДТ ВАТ-104. Ученые записки ЦАГИ, 2016, т. XLVII, № 5, с. 3–13.
[16] Красильников А.В., Залогин Г.Н., Рудин Н.Ф., Губанов А.Е. Измерения тепловых потоков на покрытиях различного состава в дозвуковом потоке ВЧ-плазмотрона. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2016, т. 17 (2). URL: http://chemphys.edu.ru/issues/20016-17-2/articles/658/ (дата обращения 02.12.2020).
[17] Ваганов А.В., Скуратов А.С., Штапов В.В., Ходжаев Ю.Д., Юдин В.М. Исследование термостойкости передних кромок конструкции ГЛА в высокотемпературном газовом потоке. Прочность конструкций летательных аппаратов. Тезисы докладов научно-технической конференции. 2013, с. 35–37.