Особенности измерения геометрической формы конуса летательного аппарата при прохождении через атмосферу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Постановка задачи

2. Литературно-патентный обзор

3. Выбор метода

Литература

Введение

При полёте в атмосфере в режиме непрерывного обтекания потоком воздуха, то есть когда воздух считается сплошной средой, перед телом возникает головная ударная волна, за которой резко повышается давление и температура. Само тело нагревается за счет конвективной теплопередачи, а так же за счет радиационного нагрева. Температура может достигать несколько десятков тысяч градусов, а давление до сотен атмосфер. При резком торможении появляются значительные перегрузки. Возникают деформации тел, оплавление и испарение их поверхностей, унос массы набегающим воздушным потоком (абляция). Для защиты аппаратуры от температуры и от абляции используют защитный конус, который изготавливается из УУКМ.

Вследствие этого возникают следующие проблемы:

1. Длина защитного конуса должна превышать толщину уносимого (абляционного) слоя.

2. Длина остаточной части конуса должна обеспечивать тепловую защиту аппаратуры.

3. Неравномерный унос материала конуса приводит к нарушению симметрии, что приводит к отклонению траектории движения от заданной траектории.

Все это приводит к необходимости, при разработке конструкции защитного конуса, проводить экспериментальные измерения геометрической формы конуса при прохождении через атмосферу. Для таких исследований изготавливают телеметрический экспериментальный блок (ТЭБ), в котором размещаются датчики и аппаратура для контроля поведения всех элементов головной части при прохождении атмосферы.

1. Постановка задачи

Постановка задачи сформулирована в техническом задании “Разработка системы активного контроля обгарной формы наконечника из УУКМ” ТЗ 001/024-955-2013.

Основание для выполнения работы

2.1.1. Основание - “Решение о разработке системы активного контроля обгарной формы наконечника при летных испытаний ” ОРШ 001/102-556-2012, п. 100 “Перечня технических заданий по теме “Сармат””.

2.1.2. Исполнитель - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Национальный исследовательский Томский политехнический университет”, Институт неразрушающего контроля (ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, ИНК).

2.1.3. Сроки выполнения работ-с 01.09.2013 года по 30.12.2016 года.

Цель и задачи выполняемой работы.

2.1.4. Целью выполнения опытно-конструкторской работы является разработка системы активного контроля обгарной формы наконечника телеметрического экспериментального блока (ТЭБ).

2.1.5. Задачами работы являются.

2.1.5.1. Исследование и разработка метода активного контроля обгарной формы наконечника из УУКМ в условиях ограниченного доступа.

2.1.5.2. Разработка конструкции первичного измерительного преобразования для измерения координат обгарной поверхности наконечника.

2.1.5.3. Разработка структурной схемы и принципиальных схем блока электронного с учетом сопряжения с телеметрической системой.

2.1.5.4. Разработка структурной схемы и принципиальных схем сопряжения телеметрической системы с программно-аппаратным комплексом.

2.1.5.5. Разработка структурной схемы, алгоритмов и программ обработки результатов контроля.

Тактико-техническое требование к системе.

2.1.6. Состав системы.

2.1.6.1. Летные узлы.

2.1.6.1.1. Первичный измерительный преобразователь (ПИП).

2.1.6.1.2. Блок электронный (БЭ).

2.1.7. Наземный программно-аппаратный комплекс (ПАК) для обработки телеметрической информации.

2.1.7.1. Блок сопряжения телеметрической системы с компьютером.

2.1.7.2. Компьютер.

2.1.7.3. Программное обеспечение.

2.1.8. Требования назначения.

Система активного контроля (САК) предназначена для измерения координат обгарной поверхности колпака наконечника из УУКМ на пассивном участке траектории полета при летно-конструкторских испытаниях.

Тип, материал, геометрия объекта измерения.

2.1.9. Тип объекта измерения - колпак 4КМСЛ.

2.1.10. Материал объекта измерения - углерод-углеродистый компазиционный материал (УУКМ).

2.1.11. Геометрия объекта измерения приведена на Рис.1 Приложение 1.

2.1.12. Длительность движения от момента входа в атмосферу (Н=100км) до момента достижения высоты Н=0 составляет 60сек.

2.1.13. Линейный унос УУКМ (изменение формы поверхности колпака наконечника) происходить в течении 40сек.

2.1.14. Максимальная скорость линейного уноса УУКМ составляет 7мм/сек.

Алгоритм работы системы.

2.1.15. ПИП облучает переднюю поверхность колпака наконечника зондирующим излучением.

2.1.16. Обратное зондирующее излучение преобразователя ПИП в электрические сигналы. Сигналы обрабатываются в БЭ.

2.1.17. БЭ выдает информацию в бортовую радиотелеметрическую систему в цифровом виде по последовательному интерфейсу RS-485 или STS-1.

2.1.18. Первичное электропитание системы должно осуществляться от химического источника тока бортового измерительного комплекса изделия. Напряжение В с пульсациями до 2 В на частотах от 0 до 100 кГц. Внутреннее сопротивление источника электропитания не более 1 Ом. Максимальная потребляемая мощность не более 30 Вт. Система должна иметь защиту от переполюсовки электропитания.

2.1.19. Расположение зон контроля точек М на обгарной поверхности колпака определяется в декартовой системе координатами М(x,y,z) Рис. 2.

2.1.20. Погрешность измерений координат точек обгарной поверхности колпака:

- сферическая поверхность -

- боковая поверхность -

2. Литературно-патентный обзор

Как указано в [1], унос массы с поверхности тела за счет аэродинамического нагрева за время движения порядка минуты с указанными скоростями входа становится сравнимым с начальной массой, а форма тела, особенно ее лобовая часть, существенно изменяет свой вид. Это обстоятельство влечет изменение закона движения по сравнению с движением твердого тела постоянной массы. Расчеты, проведенные в [1] показывают, что существенной особенностью абляции тел является разная скорость уноса в направлениях x, y, z, причем в поперечном направлении тела становятся менее асимметричными. Полученные результаты показывают, что вариантов при скоростях входа в атмосферу Земли нельзя рассчитывать траекторию движения тела заранее.

Для получения конкретных данных необходимы экспериментальные исследования.

В [2], показано, что при повышении температуры наблюдается унос массы как фенолформальдегидной смолы, так и углеродной ткани. Аналитические решения для величины массового уноса с поверхности материала в зависимости от скорости уноса за счет пиролиза углепластика приведены в [3].

В [4] описано устройство управления летательным аппаратом, которое может быть использовано в системе управления полетом гиперзвукового летательного аппарата при движении его в плотных слоях атмосферы. Устройство для управления полетом гиперзвукового летательного аппарата, содержащее теплозащитный корпус летательного аппарата, блок измерительных элементов инерционной системы стабилизации, блок задания траектории полета летательного аппарата, бортовой вычислительный комплекс с блоками ввода - вывода и m исполнительных элементов изменения аэродинамических свойств летательного аппарата, теплозащитный корпус летательного аппарата выполнен из абляционного материала, выходы блоков измерительных элементов инерционной системы стабилизации и задания траектории полета летательного аппарата соединены непосредственно с входами бортового вычислительного комплекса, выходы которого через блок ввода - вывода связаны с управляющими входами m исполнительных элементов изменения аэродинамических свойств летательного аппарата, отличающееся тем, что содержит n (nm) датчиков абляции материала, чувствительные элементы которых размещены внутри абляционного материала теплозащитного корпуса летательного аппарата, выходы датчиков абляции подключены к входам блока ввода бортового вычислительного комплекса, чувствительный элемент первого датчика абляции материала установлен в наконечнике теплозащитного корпуса летательного аппарата в точке полного торможения набегающего потока, чувствительные элементы второго и третьего датчиков абляции материала установлены симметрично относительно продольной оси корпуса летательного аппарата вдоль его огибающей в порядке удаления от первого датчика в точках наибольшего теплового потока _х2,3=0,7·R, где _х2,3 - координаты расположения чувствительных элементов второго и третьего датчиков; R - радиус сферического притупления наконечника корпуса летательного аппарата [4].

Рисунок 1.

Аналогичное устройство описано [5], способ управления полетом гиперзвукового летательного аппарата, основанный на измерении величины уноса абляционного теплозащитного материала гиперзвукового летательного аппарата, сравнении результатов измерений величины уноса абляционного теплозащитного материала с заданным значением, формировании управляющего разностного сигнала и отработке его исполнительными устройствами системы управления полетом гиперзвукового летательного аппарата, отличающийся тем, что измеряют температуру теплозащитного материала дифференцированно по его поверхности и глубине, начиная с момента начала его разогрева, и сравнивают результаты измерений с расчетными значениями менее напряженных тепловых участков траектории полета для последующей отработки разностного управляющего сигнала исполнительными устройствами системы управления полетом гиперзвукового летательного аппарата.

3. Выбор метода

В описанных устройствах датчики уноса абляционного материала размещены в самом абляционном материале. Однако литературно-патентный обзор не позволил выявить - что это за датчики, на основе каких физических принципов работают.

Из этого вытекает задача - в процессе спуска ТЭБ проводить измерение остаточной толщины защитного конуса в нескольких точках поверхности, то есть контролировать изменение его формы.

Конкретная цель нашей работы - исследовать возможные получения информации об остаточной толщине конуса в процессе его движения, то есть разработка метода и принципа работы измерения системы контроля формы обгарной поверхности конуса.

В предыдущих работах по этой теме был разработан эхо - метод ультразвуковой толщинометрии. Углеродные волокна, ориентированные вдоль оси конуса, хорошо проводят ультразвук. Были проведены измерения скорости ультразвука и его затухание. Было показано, что скорость распространения звука в углеродном стержне имеет порядок 12000 м/с. Такие большие значения связаны с высокими прочностными характеристиками углеродных волокон, из которых состоит стержень, и малой плотностью.

Однако исследованиями было также показано, что скорость в углеродных стержнях зависит от температуры. Даже при температуре она уменьшается по сравнению с комнатной температурой примерно на . Следовательно в диапазоне температур от изменения скорости внесут большую погрешность в измерение длины нитей. Конкретных данных о зависимости скорости звука в углеродных стержнях от температуры в таком диапазоне температур нет. Но однозначно, без специальных мер по коррекции зависимости скорости звука от частоты, погрешность измерения не может быть обеспечена.

Измерения затухания звука в углеродных стержнях показали, что с увеличением частоты затухание возрастает, как и в других композиционных материалах. летательный аппарат толщинометрия ультразвуковой

В связи с этим, в данной работе предложен пассивный метод контроля, основанный на анализе частотного спектра звуковых колебаний приходящих на первичный измерительный преобразователь (ПИП), расположенный на внутренней поверхности конуса Рисунок 2.

Рисунок 2.

В качестве источника звука предложено использовать шум, возникающий на внешней поверхности конуса при движении через атмосферу.

Характеристики такого шума известны. Его частный спектр представлен в таблице 1 и на рисунке 3.

Таблица 1.

Рисунок 3.

При использовании многоэлементного детектора (пьезодатчик) спектр сигнала в элементе m будет соответствовать шуму, пришедшему по стержню mM из точки на поверхности M. При прохождении через поглотитель более высокие частоты будут ослабляться сильнее и спектр шума в точке m будет иметь завал на высоких частотах. При уменьшении длины стержня mM общее затухание на высоких частотах будет уменьшатся то есть информацию о длине стержня mM будет давать форма спектра шума в элементе преобразователя m. Анализируя частотный спектр в каждом элементе ПИП и сравнивая его со спектром в начальной точке входа в атмосферу (спектры на первых секундах записываются в память), можно определить длину стержней в различных точках поверхности конуса.

В настоящее время мы исследуем зависимости коэффициента затухания звука, готовим аппаратуру для исследуемого затухания звука в углеродных стержнях в диапазоне частот .

Литература

1. Э. З. Апштейн, Н. Н. Пилюгин, Г. А. Тирсий “Унос массы и измерение формы трехмерного тела при движении по траектории в атмосфере Земли” [1].

2. В. В. Несмелов, В. Д. Гольдин, Г. Ф. Костин “Исследование и прогнозирование характеристик уноса массы теплозащитных материалов на основе угленаполненных композиций” [2].

3. В. И. Зинченко, Г. Ф. Костин, А. С. Якимов “Расчет характеристик тепло- и массообмена при разрушении теплозащитного материала” [3].

4. А. А. Коробков, Д. В. Смирнов, И. А. Мурашко патент RU 2 344 966 С2 “ Устройство для управления полетом гиперзвукового летательного аппарата” [4].

5. А. Н. Царьков, Д. В. Смирнов, А. И. Коростелев, А. А. Коробков патент RU 2 334 652 C2 “Способ управления полетом гиперзвукового летательного аппарата” [5].

Размещено на Allbest.ru