ВВЕДЕНИЕ

Предъявляемые к материалам требования по прочности, тепловой стойкости и надёжности эксплуатации существенно зависят от внешних условий обтекания, параметров внутреннего течения в камерах сгорания, времени пребывания в напряжённом состоянии, динамических нагрузок различной природы. В работе [1] содержится комплексный обзор видов конструкционных материалов (КМ), способных выдержать нагрузки, возникающие в процессе работы высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА). Обсуждаются основные критерии их выбора (легкий вес, высокая устойчивость к циклическим нагрузкам, возможность формирования сложных форм). Одной из основных характеристик является критическая температура, при которой КМ подвергаются сильному окислению и/или утрачивают прочностные свойства, (сплавы до 1600ºС, углеродные композиты до 2200ºС и керамические композиты до 2800ºС). Общим для искусственных КМ является то, что они представляют объёмное сочетание разнородных компонентов, один из которых пластичный (связующее), а другой обладает высокой прочностью и жёсткостью (наполнитель). Такие КМ обладают свойствами, которые не имеют их составляющие. Важную роль в композициях играют внутренние поверхности раздела, через которые передаются напряжения от матрицы к волокнам. Необходимость прочной связи между двумя различными материалами ограничивает число пар материалов, которые могут быть использованы для создания композиций [2]. Следовательно, предельная нагрузка и срок службы КМ определяются правильно подобранным составом. Разработка расчётно-теоретических методов прогнозирования поведения КМ чрезвычайно сложна из-за многообразия компонентов (отличающихся теплофизическими свойствами), входящих в состав материала, а также широкого диапазона условий применения. Поэтому для моделирования поведения новых КМ в составе ЛА необходимо экспериментальное тестирование в условиях, максимально приближенных к натурным. Получаемые в опытах данные являются базовыми для обоснования применения КМ в реальных конструкциях ЛА. Следует отметить, что оптические методы диагностики течений, включая обтекание тел, широко распространены и повсеместно применяются [3], т.к. являются бесконтактными и не создают возмущений потока. На современном уровне развития технологий оптических наблюдений можно получать как качественную, так и количественную информацию [4], что ведет к постоянному расширению области их применения. Как правило, при исследовании свойств КМ основное внимание уделяют структуре материала до и после испытания, предельным температуре и нагрузке. Оптические методы относятся к неразрушаемому контролю (НК) состояния материалов [5,6]. Обычно наличие дефектов и степень разрушения КМ определяется до и после проведения испытаний. Наблюдение за поведением КМ с применением НК в ходе испытаний может дать информацию, требующуюся для оценки теплостойкости КМ, и позволит определить важные характеристики изделий из КМ (динамика нагрева, скорость деформации поверхности).

В работе представлены данные о динамике температуры поверхности и изменение геометрии образца, связанного с уносом массы, полученные оптическими методами при НК в ходе испытаний КМ. Определено влияние условий на скорость уменьшения продольных линейных размеров образцов из различных КМ.

Cхема эксперимента и методы диагностики

Опыты проводились на стенде «Сверхзвукового горения» ИТПМ СО РАН. Стенд является установкой периодического действия, предназначенной для создания высокотемпературного сверхзвукового потока. Его основная особенность – это осуществление подогрева воздуха электродуговым подогревателем (ЭДП), что позволяет создавать сверхзвуковой высокотемпературный поток с параметрами, превышающими возможности многих установок с огневым подогревом воздуха. Стенд обеспечивает создание воздушного потока с температурой торможения T₀ от 1200 до 3000 К, давлением торможения P₀ до 1,0 МПа, расходом воздуха G до 2 кг/с и временем непрерывной работы до 110 с.

Испытывались образцы двух пространственных конфигураций: плоская пластина с размерами 100х25х10 мм и сфера-цилиндр диаметром 30 мм, размещенная на охлаждаемой державке (см. рис.1). Температура на поверхности измерялась с помощью сертифицированного инфракрасного пирометра марки IS300 MB18, фирмы “IMPAC Infrared GmbH” с диапазоном температуры 650-1800⁰С, временем отклика 10мс и размером области измерения 3,7 мм. Термограммы с поверхности образца регистрировались тепловизионной камерой BALTECH TR 01800.

Форма образца регистрировалась с частотой 25 кадр/с фотоаппаратом Nicon D5100 c объективом Юпитер 37А, установленном на расстоянии 1,8 м до модели. Для уменьшения яркости применялись сдвоенные поляризационные фильтры ПФ-1. Момент выключения ЭДП являлся реперной временной точкой на снимках. Из последовательного ряда фотографий извлекались нескольких кадров, при этом последний кадр всегда совпадал с отключением ЭДП. В графическом редакторе изображения совмещались, и определялся контур образца в различные моменты времени (± 0,04 с).

 

а

б

Рис. 1. Размещение образца: а – пластина; б – полусфера-цилиндр.

 

Измерение линейного размера образца проводилось по оси потока (образец полусфера-цилиндр выставлялся соосно с потоком).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Испытывались различные типы КМ. Образцы обдувались сверхзвуковым высокотемпературным потоком с числом Маха М=2,2, давлением торможения Р₀=0,5-0,7 МПа и температурой торможения Т₀=1650-2700°К.

По показаниям пирометра определялась скорость прогрева образца и время выхода на стационарный режим по теплообмену с потоком (рис.2). Плоские модели, имея толщину в два раза меньше диаметра полусферы-цилиндра, прогревались примерно в 3 раза быстрее.

 

а

б

в

Рис. 2. Давление и температура в форкамере, температура поверхности (а – пластина; б и в – полусфера-цилиндр)

 

Также из показаний пирометра следует, что в зависимости от типа КМ возможны два варианта температурной динамики: разогрев выше температуры потока на ΔТ ~ 300° (рис.2 а и б), связанный с протеканием химических реакций внутри образца, либо прогрев до температуры, немного ниже температуры потока (рис.2 в).

Несколько отличается и динамика изменения формы образцов во времени, так у сферы-цилиндра уменьшение продольного размера по оси потока от времени можно аппроксимировать линейной функцией (рис.3 а), для пластины та же зависимость носит явно нелинейный характер (рис.3 б). С ростом температуры потока интенсивность уноса массы из образца возрастает, а скорость изменения линейных размеров увеличивается.

 

а

б

Рис.3 Изменение профиля образца от времени

 

Полученная в опытах информация о распределении температуры по поверхности (термограммы) носила качественный характер, т.к. вход тепловизионной камерой BALTECH TR 01800 был диафрагмирован (во избежание засветки). Как видно из рис.4 а и б, в течение прогрева и после установления стационарного температурного режима кромка пластины является наиболее горячим местом. Для образцов в форме сферы-цилиндра наблюдается аналогичная картина (рис.4 в и г), максимальный разогрев происходит на поверхности полусферы за отошедшей ударной волной.

Ниже на рисунках с 5 по 8 приведены примеры регистрации состояния образцов до, после и в течение испытаний. Красная точка на рис.5 и 7 соответствует области измерения температуры поверхности пирометром.

 

а

б

в

г

Рис.4. Термограмма и температурный профиль (а и в – прогрев, б и г – стационарное состояние).

 

а             б

Рис. 5. Пластина до (а) и после испытаний (б).

 

а б

 

в г

 

д е

Рис. 6. Пластина в различные моменты испытания: включения ЭДП (а –  t=0), б – t=10, в – t=15, г – t=20, д – t=25 и е – t=30 c.

 

а         б

Рис. 7. Сфера-цилиндр до (а) и после испытаний (б).

 

а б

в г

д

Рис. 8. Сфера-цилиндр в различные моменты испытания: включения ЭДП (а –  t=0), б – t=10, в – t=20, г – t=30, и д – t=40 c.

 

При проведении ресурсных (циклических) испытаний образцы каждый раз позиционировались, и производился очередной цикл при тех же параметрах потока. Пример изменения формы пластины при циклических нагрузках представлен на рис. 9. Ресурсные испытания проведены на двух образцах. Показано, что с увеличением времени пребывания в потоке унос возрастает нелинейно, а при достаточно высоких температурах (Т₀>2500К) возможно практически полное разрушение образца за 2-3 цикла.

 

а     б     в

Рис. 9. Образец до (а), после первого (б) и после второго испытаний (в).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для изучения динамики изменения температуры поверхности и геометрии образца, связанной с уносом массы, применялись пирометрия и видео-тепловизионная съёмка. Скорость прогрева образца зависит от размеров и типа КМ. Для различных КМ возможны два варианта температурной динамики: разогрев до температур выше температуры потока, либо прогрев до температуры немного ниже температуры потока. Видео-регистрация показала, что у образцов формой сфера-цилиндр уменьшение продольного размера по оси потока от времени можно аппроксимировать линейной функцией, для пластины та же зависимость носит явно нелинейный характер. Из анализа ресурсных испытаний следует, что с увеличением времени пребывания образца в высокотемпературном потоке унос массы возрастает нелинейно, а при достаточно высоких температурах (Т₀>2500К) возможно практически полное разрушение образца за 2-3 цикла.

Результаты исследования КМ на термостойкость были получены только благодаря применению комплекса оптических методов (пирометрия, видео-тепловизионная съёмка). Наблюдение за поведением КМ с применением оптических НК в ходе испытаний позволяет правильно определить важные характеристики изделий из КМ (динамику нагрева, скорость деформации поверхности).

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЭДП – электродуговой подогреватель

ЛА – летательный аппарат;

КМ – конструкционный материал;

М – число Маха;

T – температура, К;

Р – давление, МПа;

Δl – изменение линейного размера, мм;

Индексы:

0 – параметры торможения;

пир – по показаниям пирометра.

Список литературы

1.      Dinescu I., Oprescu, M. Technologies for future precision strike missile system // The Annals of "Dunarea de Jos" University of Galati. Fascicle IX Metallurgy and Materials Science. 2003. p 24 27

2.      Новые композиционные материалы: учебное пособие / Л.Н.  Тялина,  А.М.  Минаев,  В.А.  Пручкин. Тамбов: Издательство ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. 80 с.

3.      Знаменская И.А., Гвоздева Л.Г., Знаменский Н.В. Методы визуализации в механики газового потока. / Учебное пособие, МАИ, 2001 г., 57 с.

4.      Тарасенко О.С., Бодрышев В.В., Абашев В.М. Метод цифровой обработки теневых снимков сверхзвукового обтекания элементов конструкций летательных аппаратов // Электронный журнал Труды МАИ, 2015.,  Вып. № 83, с. 1-16

5.      Белов А.А., Иванов Ю.Д., Шестаков А.А., Царева С.Г., Черницов Н.С. Современные методы диагностики объектов из композиционных материалов // Журнал Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук, 2015 г., № 1

6.      Kim-Niklas Antin, Harhanen, Sven Bossuyt Damage detection in CFRP components using DIC // Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics, Vol. 3 pp 57-62

---

Application of optical methods for studying of heat resistance of composition materials

Authors: V.L. Kraynev^1,A, A.A. Tikhonov^2,B, P.K. Tretyakov^3,A, A.V. Tupikin^4,A, A.V. Chaplygin^5,B

^A Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS, Russia

^B Joint Stock Company Corporation Moscow Institute for Heat Technology, Russia

¹ ORCID: 0000-0002-9279-4017

² ORCID: 0000-0003-3662-802x, a04.tikhonov@yandex.ru

³ ORCID: 0000-0002-0850-6992

⁴ ORCID: 0000-0001-7109-3345, tupikin@itam.nsc.ru

⁵ ORCID: 0000-0001-9606-6095

 

Abstract

Composition materials are widely used in the aerospace equipment. Requirements to heat resistance are caused by the aerodynamic heating of surface growing up with increase in flight velocity of aircrafts. Optical methods can be applied to studying of some characteristics of materials when modeling full-scale parameters in ground units.
This work is devoted to studying the dynamics of changes of surface temperature and geometry of sample associated with ablation. Pyrometry and thermal imaging video recording were used for registration of the process. Information on influence of temperature and flow strength, testing time, and also recurrence of impact on change of surface deformation rate, ablation and possible destruction of the samples differing in structure material is obtained. The heating-up rate of the sample depends on the size and composition of the composite material. For various composite materials, two kinds of temperature change dynamics were observed – with heating up to temperatures above the flow temperature, or heating to a temperature slightly below the flow temperature. For a cylinder-sphere, a decrease in the longitudinal dimension on the flow axis versus time can be approximated by a linear function, for a plate the dependence is clearly nonlinear. Analysis of endurance tests showed that with increase in time the amount of ablation increases nonlinearly.

 

Keywords: supersonic high-temperature flow, composition materials, pyrometry and thermal imaging video recording, heat resistance.

References

               

1.      Dinescu I., Oprescu, M. Technologies for future precision strike missile system // The Annals of "Dunarea de Jos" University of Galati. Fascicle IX Metallurgy and Materials Science. 2003. p 24 27

2.      New composition materials: tutorial / L.N. Tyalina, A.M. Minaev, V.A. Pruchkin. Tambov: Tambov State Technical University, 2011. 80 p.

3.      Znamenskaya I. A., Gvozdeva L. G., Znamenskiy N. V. Visualization methods in the mechanics of gas flow. / Textbook, MAI, 2001 г., 57 p. (in Russian)

4.      Tarasenko, O. S., Bobryshev V. V., Abashev V. M. Method of digital processing of shadow images of a supersonic flow around elements of aircraft structures // Electronic journal of the proceedings of MAI, № 83, p.1-16 (in Russian)

5.      Belov A. A., Ivanov Yu. D., Shestakov A. A., Tsareva S. G., Chernitsov N. S. Modern methods of diagnostics of objects made of composite materials // Journal Actual problems of Humanities and natural Sciences, 2015, № 1 (in Russian)

6.      Kim-Niklas Antin, Harhanen, Sven Bossuyt Damage detection in CFRP components using DIC // Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics, Vol. 3 pp 57-62