RU2773024C1 - Method for reproducing aerodynamic heating of aircraft elements - Google Patents

Method for reproducing aerodynamic heating of aircraft elements Download PDF

Info

Publication number
RU2773024C1
RU2773024C1 RU2021124496A RU2021124496A RU2773024C1 RU 2773024 C1 RU2773024 C1 RU 2773024C1 RU 2021124496 A RU2021124496 A RU 2021124496A RU 2021124496 A RU2021124496 A RU 2021124496A RU 2773024 C1 RU2773024 C1 RU 2773024C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
temperature
heating
flight
cycle
Prior art date
Application number
RU2021124496A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Георгиевич Головнев
Кирилл Васильевич Лапшин
Олег Владимирович Соколов
Владимир Васильевич Рябцев
Original Assignee
Федеральное автономное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем", (ФАУ "ГосНИИАС")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное автономное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем", (ФАУ "ГосНИИАС") filed Critical Федеральное автономное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем", (ФАУ "ГосНИИАС")
Application granted granted Critical
Publication of RU2773024C1 publication Critical patent/RU2773024C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: aircraft engineering.
SUBSTANCE: invention relates to ground tests of elements of aircraft, namely to methods for reproducing aerodynamic thermal effects on the surface of aircraft elements, for example, fairings of homing heads of aircraft missiles, antenna fairings, compartments with a rocket, in ground conditions. The proposed method for reproducing aerodynamic heating of aircraft elements by conducting a thermal experiment on a stand using a hot casing includes several cycles of heating aircraft elements with a heated air flow and radiant heat flow from the hot casing. Before conducting a thermal experiment, the air flow recovery temperature in flight and the heat transfer coefficient on the stand and in flight are calculated, provided that the heat transfer coefficient on the stand is less than the heat transfer coefficient in flight, then the first heating cycle of the aircraft elements is carried out with the stand heat transfer coefficient and the recovery temperature of the heated air flow equal to the recovery temperature in flight. The peculiarity of the proposed method is that the first heating cycle is carried out under the additional condition of a thermal experiment, according to which the temperature of the hot casing is equal to the temperature of the environment receiving thermal radiation from the aircraft elements in flight. Moreover, during the first heating cycle of the aircraft element, the surface temperature of the aircraft element is measured. Then, the second and subsequent heating cycles are carried out with a heated airflow and radiant heat flow from the hot casing at a constant stand heat transfer coefficient and recovery temperature equal to the recovery temperature in flight while maintaining the surface temperature of the hot casing, which is calculated before each current heating cycle of the aircraft element. Moreover, the thermal experiment is completed when the measured temperature of the aircraft element at the current heating cycle will differ from the measured temperature of the aircraft element at the previous heating cycle by no more than the value of the permissible measurement error or the temperatures are equal to each other.
EFFECT: increase in the accuracy and reliability of reproducing the thermal effect on the surface of the aircraft elements during aerodynamic heating while reducing the complexity of the experiment.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к наземным испытаниям элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на поверхности элементов ЛА, например обтекатели головок самонаведения, авиационных ракет, антенные обтекатели, отсеки с ракетой, в наземных условиях. The invention relates to ground testing of elements of aircraft (LA), and in particular to methods for reproducing aerodynamic thermal effects on the surface of aircraft elements, for example fairings for homing heads, aircraft missiles, antenna fairings, compartments with a rocket, in ground conditions.

Для проведения тепловых испытаний элементов ЛА в наземных условиях применяются различные установки: стенды радиационного нагрева, аэродинамические трубы, стенды тепловых испытаний на основе сжигания топлива в потоке воздуха [Полежаев Ю.В. и др. Материалы и покрытия в экстремальных условиях. В 3 т. Т. 3. Экспериментальные исследования. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002].To conduct thermal tests of aircraft elements on the ground, various installations are used: radiation heating stands, wind tunnels, thermal test stands based on fuel combustion in an air stream [Polezhaev Yu.V. etc. Materials and coatings in extreme conditions. In 3 vols. T. 3. Experimental studies. MSTU im. N.E. Bauman, 2002].

В практике наземных испытаний широко применяются стенды радиационного нагрева и/или нагрева ленточными нагревателями, особенно для случая тепловых испытаний при заданном температурном поле испытываемого объекта или при заданной величине теплового потока, поступающего на элементы ЛА в полете [патент RU 2571442 «Способ тепловых испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов», патент RU 2676385 «Способ управления нагревом при тепловых испытаниях антенных обтекателей ракет»].In the practice of ground tests, stands for radiation heating and / or heating with tape heaters are widely used, especially for the case of thermal tests at a given temperature field of the object being tested or at a given value of the heat flux entering the aircraft elements in flight [patent RU 2571442 "Method of thermal testing of rocket fairings from non-metallic materials”, patent RU 2676385 “Method of controlling heating during thermal testing of antenna radomes of missiles”].

Известен способ тепловых испытаний приборного отсека летательного аппарата [RU 2526406 «Способ тепловых испытаний приборного отсека летательного аппарата»], при котором тепловой эксперимент проводится в два этапа. На первом этапе проводят тепловое испытание фрагмента натурного теплоизоляционного пакета приборного отсека в термокамере с тепловым нагружением, соответствующим полетному, поддерживая на внешней поверхности теплоизоляции расчетные значения температуры, с одновременным созданием на внутренней поверхности теплоизоляционного пакета граничных условий теплообмена, имитирующих условия теплоотвода от оболочки корпуса внутрь приборного отсека. Затем по измеренным значениям температур внутренней поверхности теплоизоляционного пакета получают график зависимости температур корпуса приборного отсека от времени. На втором этапе корпус приборного отсека нагревают без теплоизоляции в соответствии с ранее полученным графиком изменения температур и одновременным замером температур газовой среды и аппаратуры приборного отсека, производящей тепловыделение в соответствии с полетной циклограммой.A known method of thermal testing of the instrument compartment of the aircraft [RU 2526406 "Method of thermal testing of the instrument compartment of the aircraft"], in which the thermal experiment is carried out in two stages. At the first stage, a thermal test of a fragment of the full-scale heat-insulating package of the instrument compartment is carried out in a thermal chamber with a thermal load corresponding to the flight one, maintaining the calculated temperature values on the outer surface of the heat-insulation package, while creating boundary conditions for heat transfer on the inner surface of the heat-insulating package, simulating the conditions of heat removal from the housing shell into the instrument compartment. compartment. Then, according to the measured values of the temperatures of the inner surface of the heat-insulating package, a graph of the temperature dependence of the body of the instrument compartment is obtained from time to time. At the second stage, the body of the instrument compartment is heated without thermal insulation in accordance with the previously obtained temperature change schedule and at the same time measuring the temperatures of the gaseous medium and the instrument compartment equipment that produces heat in accordance with the flight sequence diagram.

Общим недостатком данных способов является необходимость заранее рассчитывать температуру элементов ЛА в исследуемых точках перед проведением теплового эксперимента, что в случае отсутствия сведений о теплофизических характеристиках материала осуществить с необходимой точностью невозможно.A common disadvantage of these methods is the need to pre-calculate the temperature of the aircraft elements at the points under study before conducting a thermal experiment, which, in the absence of information about the thermophysical characteristics of the material, cannot be carried out with the required accuracy.

Также для определения действительного температурного поля элементов ЛА испытания осуществляются в сверхзвуковых аэродинамических трубах с обеспечением режимов максимально приближенных к полетным [Баранов А.Н. и др. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. - М. Машиностроение, 1974.]. Этот вид воспроизведения полетных тепловых режимов трудоемкий, требует больших трудозатрат, финансовых затрат и времени получения результатов.Also, to determine the actual temperature field of the aircraft elements, tests are carried out in supersonic wind tunnels with the provision of modes as close as possible to flight ones [Baranov A.N. et al. Static tests for the strength of supersonic aircraft. - M. Engineering, 1974.]. This type of reproduction of flight thermal conditions is laborious, requires large labor costs, financial costs and time to obtain results.

Известен способ моделирования параметров среды при аэродинамическом нагреве элементов летательного аппарата (ЛА), в том числе теплозащитных материалов, в наземных условиях при обеспечении условий проведения теплового эксперимента аналогичных полетным. [CN 109029907 «Метод параметрического подобия для условий эксперимента по моделированию аэродинамической тепловой среды»]. A known method of modeling the parameters of the environment during aerodynamic heating of the elements of an aircraft (LA), including heat-shielding materials, in ground conditions, while providing conditions for conducting a thermal experiment similar to those in flight. [CN 109029907 "Parametric similarity method for the conditions of an experiment on modeling an aerodynamic thermal environment"].

Способ включает в себя расчет температуры восстановления воздушного потока в полете и коэффициента теплоотдачи в полете по известным формулам. Затем определяется плотность теплового потока на основе рассчитанного коэффициента теплоотдачи в полете. Температура поверхности элемента ЛА в полете определяется по законам теплопередачи, затем в процессе итерационного процесса за счет переменного коэффициента теплоотдачи на стенде, рассчитываемого до начала эксперимента на основе метода вычислительной гидродинамики, регулируется температура восстановления потока на стенде, по которой определяется плотность теплового потока на стенде.The method includes calculating the in-flight airflow recovery temperature and the in-flight heat transfer coefficient using known formulas. The heat flux density is then determined based on the calculated in-flight heat transfer coefficient. The surface temperature of an aircraft element in flight is determined according to the laws of heat transfer, then, in the process of an iterative process, due to the variable heat transfer coefficient on the bench, calculated before the start of the experiment based on the method of computational fluid dynamics, the flow recovery temperature on the bench is controlled, by which the heat flux density on the bench is determined.

Недостатком данного способа является то, что для расчета температуры поверхности элемента ЛА необходимо иметь информацию о теплофизических характеристиках материала элемента ЛА. А также из-за того, что температура восстановления воздушного потока на стенде меньше температуры восстановления воздушного потока в полете, поэтому невозможно обеспечить моделирование реальных условий полета, в связи с чем температурное поле элемента ЛА будет недостоверным.The disadvantage of this method is that in order to calculate the surface temperature of the aircraft element, it is necessary to have information about the thermophysical characteristics of the material of the aircraft element. And also due to the fact that the airflow recovery temperature on the stand is lower than the airflow recovery temperature in flight, so it is impossible to simulate real flight conditions, and therefore the temperature field of the aircraft element will be unreliable.

Известен способ воспроизведения тепловых режимов летательного объекта при сверхзвуковых скоростях полета дозвуковым потоком подогретого воздуха с размещением исследуемого объекта в специально спрофилированный канал (кожух), при котором обеспечивается поступление в ракету теплового потока

Figure 00000001
, равного полетному
Figure 00000002
[Афанасьев В.А. Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов М., МАИ, 1994].There is a known method of reproducing the thermal conditions of an aircraft at supersonic flight speeds with a subsonic flow of heated air with the placement of the object under study in a specially profiled channel (casing), which ensures that the heat flow enters the rocket
Figure 00000001
equal to the flight
Figure 00000002
[Afanasiev V.A. Experimental development of spacecraft M., MAI, 1994].

Figure 00000003
; (1)
Figure 00000003
; (one)

Figure 00000004
(2)
Figure 00000004
(2)

гдеwhere

Figure 00000005
– коэффициент теплоотдачи на стенде и в полете;
Figure 00000005
is the heat transfer coefficient on the stand and in flight;

Figure 00000006
– температура восстановления потока на стенде и в полете;
Figure 00000006
is the flow recovery temperature on the stand and in flight;

Figure 00000007
– температура поверхности ракеты на стенде и в полете;
Figure 00000007
– temperature of the rocket surface on the stand and in flight;

Figure 00000008
– приведенная степень черноты поверхности ракеты на стенде и в полете;
Figure 00000008
- the reduced emissivity of the rocket surface on the stand and in flight;

σ - постоянная Стефана-Больцмана.σ is the Stefan-Boltzmann constant.

Равенство температур в сходственных точках ЛА на стенде и в полете достигается при испытаниях по данному способу при

Figure 00000009
,
Figure 00000010
,
Figure 00000011
.The equality of temperatures at similar points of the aircraft on the stand and in flight is achieved during tests by this method at
Figure 00000009
,
Figure 00000010
,
Figure 00000011
.

Недостатком данного известного способа тепловых испытаний является необходимость обеспечения равенства коэффициентов теплоотдачи и температур восстановления при

Figure 00000012
,
Figure 00000010
, что фактически требует создания аэродинамической трубы, обеспечивающей достижение чисел Рейнольдса и Маха, равных полетным, что является чрезвычайно сложной технической задачей при высокой стоимости.The disadvantage of this known method of thermal testing is the need to ensure equality of heat transfer coefficients and recovery temperatures at
Figure 00000012
,
Figure 00000010
, which actually requires the creation of a wind tunnel that ensures the achievement of Reynolds and Mach numbers equal to the flight ones, which is an extremely complex technical task at a high cost.

Известен способ определения температурного поля элементов ЛА при аэродинамическом нагреве по патенту RU 2739524, включающий в себя несколько циклов нагревания элементов ЛА подогретым воздушным потоком. Перед проведением теплового эксперимента рассчитывают температуру восстановления воздушного потока в полете и коэффициенты теплоотдачи на стенде и в полете так, что коэффициент теплоотдачи на стенде меньше коэффициента теплоотдачи в полете. Первый цикл нагревания осуществляется при коэффициенте теплоотдачи, равном коэффициенту теплоотдачи на стенде, и температуре восстановления подогретого воздушного потока, равной температуре восстановления воздушного потока в полете, а последующие циклы нагревания проводятся при неизменном коэффициенте теплоотдачи и рассчитанной температуре восстановления подогретого воздушного потока. Причем время проведения каждого цикла нагревания элемента ЛА равно заданному времени полета, при этом тепловой эксперимент завершается, когда измеренная температура поверхности элемента ЛА на текущем цикле нагревания элемента ЛА будет отличаться от измеренной температуры поверхности элемента ЛА на предыдущем цикле нагревания элемента ЛА не более чем на величину допустимой погрешности системы измерения или температуры будут равны друг другу. A known method for determining the temperature field of aircraft elements during aerodynamic heating according to patent RU 2739524, which includes several cycles of heating aircraft elements with a heated air stream. Before conducting a thermal experiment, the airflow recovery temperature in flight and the heat transfer coefficients on the stand and in flight are calculated so that the heat transfer coefficient on the stand is less than the heat transfer coefficient in flight. The first heating cycle is carried out at a heat transfer coefficient equal to the heat transfer coefficient on the stand, and the temperature of the recovery of the heated air flow, equal to the temperature of the recovery of the air flow in flight, and subsequent heating cycles are carried out at a constant heat transfer coefficient and the calculated temperature of the recovery of the heated air flow. Moreover, the time of each cycle of heating the aircraft element is equal to the specified flight time, while the thermal experiment ends when the measured temperature of the surface of the aircraft element on the current cycle of heating the aircraft element will differ from the measured temperature of the surface of the aircraft element on the previous cycle of heating the aircraft element by no more than allowable error of the measurement system or temperature will be equal to each other.

Реализация данного способа характеризуется тем, что на испытательный образец воздействуют тепловым потоком

Figure 00000001
без учета влияния на температурное поле теплового излучения от окружающей среды с температурой
Figure 00000013
, что приводит к погрешности в найденных температурах объекта испытаний. Недостатком данного способа моделирования аэродинамического нагрева является также необходимость создания потока с температурой
Figure 00000014
, превышающей
Figure 00000015
, что недопустимо при ограничениях воздействующих температур.The implementation of this method is characterized by the fact that the test sample is affected by a heat flux
Figure 00000001
without taking into account the influence on the temperature field of thermal radiation from the environment with temperature
Figure 00000013
, which leads to errors in the found temperatures of the test object. The disadvantage of this method of modeling aerodynamic heating is also the need to create a flow with a temperature
Figure 00000014
exceeding
Figure 00000015
, which is unacceptable when the operating temperatures are limited.

Представленный способ по технической сущности является наиболее близким к заявляемому изобретению и может выступать в качестве прототипа.The presented method in technical essence is the closest to the claimed invention and can act as a prototype.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание способа воспроизведения аэродинамического нагрева элементов ЛА при полетах на сверхзвуковых скоростях, обеспечивающего определение в стендовых условиях с высокой точностью температурного поля элементов ЛА, например, обтекателей ракет, при заранее неизвестных теплофизических характеристиках материала (теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность).The technical problem to be solved by this invention is the creation of a method for reproducing the aerodynamic heating of aircraft elements during flights at supersonic speeds, which ensures the determination in bench conditions with high accuracy of the temperature field of aircraft elements, for example, rocket fairings, with previously unknown thermophysical characteristics of the material (thermal conductivity , specific heat capacity, thermal diffusivity).

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и достоверности воспроизведения теплового воздействия на поверхность элементов ЛА при аэродинамическом нагреве при снижении трудоемкости проведения эксперимента.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase the accuracy and reliability of the reproduction of the thermal effect on the surface of the aircraft elements during aerodynamic heating while reducing the complexity of the experiment.

Заявленный технический результат достигается за счет реализации способа воспроизведения аэродинамического нагрева элементов ЛА путем проведения теплового эксперимента на стенде с применением горячего кожуха, в который помещают элемент ЛА, включающего в себя несколько циклов нагревания элементов ЛА воздушным потоком и лучистым тепловым потоком от горячего кожуха, при котором перед проведением теплового эксперимента рассчитывают температуру восстановления воздушного потока в полете и коэффициент теплоотдачи на стенде и в полете при условии, что коэффициент теплоотдачи на стенде меньше коэффициента теплоотдачи в полете, затем проводят первый цикл нагревания элементов ЛА при стендовом коэффициенте теплоотдачи и температуре восстановления подогретого воздушного потока равной температуре восстановления воздушного потока в полете.The claimed technical result is achieved by implementing a method for reproducing the aerodynamic heating of aircraft elements by conducting a thermal experiment on a stand using a hot casing in which an aircraft element is placed, which includes several cycles of heating aircraft elements with an air flow and radiant heat flow from a hot casing, in which before conducting a thermal experiment, the air flow recovery temperature in flight and the heat transfer coefficient on the stand and in flight are calculated, provided that the heat transfer coefficient on the stand is less than the heat transfer coefficient in flight, then the first heating cycle of the aircraft elements is carried out at the stand heat transfer coefficient and the temperature of recovery of the heated air flow equal to the airflow recovery temperature in flight.

Особенностью предлагаемого способа является то, что первый цикл нагревания проводят при дополнительном условии проведения теплового эксперимента, согласно которому температура горячего кожуха

Figure 00000016
равна температуре окружающей среды, воспринимающей тепловое излучение от элементов ЛА в полете, причем в процессе первого цикла нагревания элемента ЛА измеряют температуру поверхности элемента ЛА, затем проводят второй и последующие циклы нагревания подогретым воздушным потоком и лучистым тепловым потоком от горячего кожуха при неизменном стендовом коэффициенте теплоотдачи и температуре восстановления, равной температуре восстановления в полете с поддержанием температуры поверхности горячего кожуха, которую рассчитывают перед каждым текущим циклом нагревания элемента ЛА по формуле: A feature of the proposed method is that the first heating cycle is carried out under the additional condition of conducting a thermal experiment, according to which the temperature of the hot casing
Figure 00000016
equal to the temperature of the environment that perceives thermal radiation from aircraft elements in flight, and during the first cycle of heating the aircraft element, the surface temperature of the aircraft element is measured, then the second and subsequent heating cycles are carried out with heated air flow and radiant heat flow from the hot casing at a constant bench heat transfer coefficient and a recovery temperature equal to the recovery temperature in flight while maintaining the surface temperature of the hot casing, which is calculated before each current cycle of heating the aircraft element according to the formula:

Figure 00000017
(3)
Figure 00000017
(3)

на основе температуры поверхности элемента ЛА, которую измеряют на предыдущем цикле нагревания элемента ЛА с учетом температуры горячего кожуха, полученной на предыдущем цикле нагревания, based on the surface temperature of the aircraft element, which is measured in the previous cycle of heating the aircraft element, taking into account the temperature of the hot casing obtained in the previous heating cycle,

гдеwhere

n – цикл нагревания элемента ЛА воздушным потоком и лучистым тепловым потоком от горячего кожуха, n=1…N;n – aircraft element heating cycle by air flow and radiant heat flow from the hot casing, n=1…N;

Figure 00000018
– температура горячего кожуха на n-м цикле нагревания элемента ЛА;
Figure 00000018
is the temperature of the hot casing on the nth cycle of heating the aircraft element;

Figure 00000019
– температура горячего кожуха на (n-1) цикле нагревания элемента ЛА;
Figure 00000019
- temperature of the hot casing on (n-1) cycle of heating the aircraft element;

Figure 00000020
– температура восстановления в полете;
Figure 00000020
– in-flight recovery temperature;

Figure 00000021
– разница между коэффициентами теплоотдачи в полете и на стенде;
Figure 00000021
is the difference between the heat transfer coefficients in flight and on the stand;

Figure 00000022
– температура наружной поверхности элемента ЛА, измеренная на (n-1) цикле нагревания элемента ЛА;
Figure 00000022
- temperature of the outer surface of the aircraft element, measured on (n-1) cycle of heating the aircraft element;

σ – постоянная Стефана-Больцмана (5,67*10-8 Вт/(м24);σ - Stefan-Boltzmann constant (5.67 * 10 -8 W / (m 2 * K 4 );

Figure 00000023
– приведенная степень черноты,
Figure 00000023
- reduced degree of emissivity,

причем тепловой эксперимент завершают, когда измеренная температура элемента ЛА на текущем цикле нагревания будет отличаться от измеренной температуры элемента ЛА на предыдущем цикле нагревания не более чем на величину допускаемой погрешности измерения или температуры равны друг другу.moreover, the thermal experiment is completed when the measured temperature of the aircraft element in the current heating cycle differs from the measured temperature of the aircraft element in the previous heating cycle by no more than the allowable measurement error or the temperatures are equal to each other.

Таким образом, при испытаниях по предлагаемому способу достигается равенство температур на стенде и полете методом последовательных приближений за счет компенсации уменьшенной интенсивности конвективного теплового потока (коэффициент теплоотдачи на стенде меньше полетного) увеличением лучистого теплового потока от нагретого кожуха, при этом выполняется равенство теплового потока, поступающего на элемент ЛА, например, обтекатель ракеты на стенде и в полете. Расчет требуемой температуры кожуха осуществляется на основе измеренной температуры поверхности обтекателя ракеты на предыдущем цикле нагревания при известной температуре восстановления, полетном и стендовом коэффициенте теплоотдачи, приведенной степени черноты поверхности элемента ЛА.Thus, when testing according to the proposed method, the equality of temperatures on the bench and in flight is achieved by the method of successive approximations by compensating for the reduced intensity of the convective heat flux (the heat transfer coefficient on the bench is less than the flight one) by increasing the radiant heat flux from the heated casing, while the equality of the heat flux entering on an aircraft element, for example, a rocket fairing on the stand and in flight. The calculation of the required jacket temperature is based on the measured surface temperature of the rocket fairing in the previous heating cycle at a known recovery temperature, flight and bench heat transfer coefficients, and the reduced emissivity of the surface of the aircraft element.

На фиг.1 представлена схема установки для воспроизведения аэродинамического нагрева испытываемого образца ЛА, в качестве которого представлен обтекатель ракеты, где 1 – горячий кожух; 2 – обтекатель ракеты; 3 – нагнетатель воздуха с подогревателем; 4 – датчики температуры (термопреобразователи сопротивления, термопары); 5 – система регистрации параметров; 6 – инфракрасные лампы; 7 – система охлаждения; 8 – система управления нагревом; 9 – основание; 10 – силовой пол.Figure 1 shows a diagram of the installation for reproducing the aerodynamic heating of the tested aircraft sample, which is represented by a rocket fairing, where 1 is a hot casing; 2 – rocket fairing; 3 - air blower with heater; 4 – temperature sensors (resistance thermocouples, thermocouples); 5 – system of registration of parameters; 6 - infrared lamps; 7 - cooling system; 8 – heating control system; 9 - base; 10 - power floor.

Воспроизведение аэродинамического нагрева элементов ЛА по данному изобретению производится следующим образом (фиг. 1).The reproduction of the aerodynamic heating of the aircraft elements according to this invention is carried out as follows (Fig. 1).

Тепловой эксперимент проводится на тепловом стенде, так что в горячий кожух (1) помещают испытательный образец, в качестве которого может выступать обтекатель ракеты (2), который подвергают нескольким циклам нагревания конвекцией от воздуха при помощи нагнетателя воздуха с подогревателем (3) и лучистым тепловым потоком от горячего кожуха (1), температура которого изменяется за счет инфракрасных ламп (6) с системой охлаждения (7). На основе данных, снимаемых с датчиков температуры (4) в контрольных точках, система регистрации параметров (5) подает управляющее воздействие на систему управления нагревом (8).The thermal experiment is carried out on a thermal bench, so that a test sample is placed in the hot casing (1), which can be a rocket fairing (2), which is subjected to several cycles of heating by convection from air using an air blower with a heater (3) and radiant heat flow from a hot casing (1), the temperature of which is changed by infrared lamps (6) with a cooling system (7). Based on the data taken from the temperature sensors (4) at the control points, the parameter recording system (5) sends a control action to the heating control system (8).

В качестве нагнетатель воздуха (3) могут выступать турбореактивные двигатели, газоплазменные нагреватели, жидкостные реактивные двигатели, электродуговые нагреватели, прямоточные реактивные двигатели и др.The air blower (3) can be turbojet engines, gas-plasma heaters, liquid jet engines, electric arc heaters, ramjet engines, etc.

Обоснование предлагаемого способа тепловых испытаний основано на следующем. The rationale for the proposed method of thermal testing is based on the following.

Следует отметить, что в качестве испытательного образца рассматривается обтекатель ракеты.It should be noted that the rocket fairing is considered as a test sample.

Полетное (искомое) значение температуры обтекателя ракеты

Figure 00000024
и стендовое (экспериментальное)
Figure 00000025
свяжем с помощью ряда Тейлора:Flight (desired) temperature value of the rocket fairing
Figure 00000024
and bench (experimental)
Figure 00000025
connect using the Taylor series:

Figure 00000026
(4)
Figure 00000026
(four)

гдеwhere

Figure 00000027
- температура обтекателя ракеты при нагреве его потоком с стендовым коэффициентом теплообмена
Figure 00000028
, при
Figure 00000029
,
Figure 00000030
, первое приближение к
Figure 00000024
(первый цикл нагревания),
Figure 00000013
- температура окружающей среды;
Figure 00000027
is the temperature of the rocket fairing when it is heated by a flow with a bench heat transfer coefficient
Figure 00000028
, at
Figure 00000029
,
Figure 00000030
, the first approximation to
Figure 00000024
(first heating cycle),
Figure 00000013
- ambient temperature;

Figure 00000031
;
Figure 00000031
;

Температурное поле обтекателя ракеты на стенде при его нагреве воздушным потоком с

Figure 00000028
и
Figure 00000032
и лучистым тепловым потоком с
Figure 00000033
и
Figure 00000034
- первое приближение к
Figure 00000024
, описывается системой уравнений:The temperature field of the rocket fairing on the stand when it is heated by an air flow with
Figure 00000028
and
Figure 00000032
and radiant heat flux with
Figure 00000033
and
Figure 00000034
- first approach
Figure 00000024
, is described by the system of equations:

Figure 00000035
; (5)
Figure 00000035
; (5)

Figure 00000036
; (6)
Figure 00000036
; (6)

Figure 00000037
; (7)
Figure 00000037
; (7)

Figure 00000038
; (8)
Figure 00000038
; (eight)

где where

с, ρ(r) – теплоемкость и коэффициент теплопроводности материала обтекателя ракеты;c, ρ(r) are the heat capacity and thermal conductivity of the rocket fairing material;

R – внешний радиус элемента ракеты (обтекатель ракеты);R is the outer radius of the rocket element (rocket fairing);

r – поперечная координата;r is the transverse coordinate;

Figure 00000039
- температура поверхности обтекателя ракеты.
Figure 00000039
- surface temperature of the rocket fairing.

Продифференцировав систему (4-7) по

Figure 00000040
и выполнив ряд преобразований с учетом, что вторым приближением
Figure 00000025
к
Figure 00000024
будет:Differentiating the system (4-7) with respect to
Figure 00000040
and performing a number of transformations, taking into account that the second approximation
Figure 00000025
to
Figure 00000024
will be:

Figure 00000041
(9)
Figure 00000041
(9)

получим систему уравнений в виде:we obtain a system of equations in the form:

Figure 00000042
(10)
Figure 00000042
(ten)

Figure 00000043
(11)
Figure 00000043
(eleven)

Figure 00000044
; (12)
Figure 00000044
; (12)

Figure 00000045
; (13)
Figure 00000045
; (13)

гдеwhere

Figure 00000046
(14)
Figure 00000046
(fourteen)

Из равенства (9) и системы (10-14) следует, что эта система описывает температурное поле обтекателя ракеты во втором приближении (второй цикл нагревания).It follows from equality (9) and system (10-14) that this system describes the temperature field of the rocket fairing in the second approximation (the second heating cycle).

Следовательно, нагревая объект испытаний потоком с

Figure 00000040
и температурой
Figure 00000032
, температурой кожуха
Figure 00000047
(14), получим температурное поле
Figure 00000048
(в том числе и
Figure 00000049
) во втором приближении.Therefore, heating the test object with a flow with
Figure 00000040
and temperature
Figure 00000032
, casing temperature
Figure 00000047
(14), we obtain the temperature field
Figure 00000048
(including
Figure 00000049
) in the second approximation.

В общем случае, повторив вышеизложенную методологию n раз, придем к системе уравнений:In the general case, repeating the above methodology n times, we arrive at a system of equations:

Figure 00000050
(15)
Figure 00000050
(fifteen)

Figure 00000051
(16)
Figure 00000051
(16)

Figure 00000052
; (17)
Figure 00000052
; (17)

Figure 00000053
; (18)
Figure 00000053
; (eighteen)

гдеwhere

Figure 00000054
(19)
Figure 00000054
(19)

Система уравнений (15-19) определяет натурное температурное поле обтекателя ракеты в (n-1) –м приближении.The system of equations (15-19) determines the natural temperature field of the rocket fairing in the (n-1)-th approximation.

Таким образом, натурное температурное поле обтекателя ракеты при испытаниях определяется следующим образом:Thus, the natural temperature field of the rocket fairing during testing is determined as follows:

- первый цикл нагревания (из n циклов, n=1…N) с

Figure 00000040
,
Figure 00000010
,
Figure 00000055
, в результате эксперимента определяется температура обтекателя ракеты в первом приближении
Figure 00000027
; - the first heating cycle (out of n cycles, n=1…N) with
Figure 00000040
,
Figure 00000010
,
Figure 00000055
, as a result of the experiment, the temperature of the rocket fairing is determined in the first approximation
Figure 00000027
;

- второй цикл нагревания с

Figure 00000040
,
Figure 00000010
и
Figure 00000056
, в результате эксперимента определяется температура обтекателя ракеты во втором приближении
Figure 00000048
;- second heating cycle with
Figure 00000040
,
Figure 00000010
and
Figure 00000056
, as a result of the experiment, the temperature of the rocket fairing is determined in the second approximation
Figure 00000048
;

- n-ый цикл нагревания с

Figure 00000040
,
Figure 00000010
и
Figure 00000057
, в результате эксперимента находится температура обтекателя ракеты в n-ом приближении к
Figure 00000024
.- nth heating cycle with
Figure 00000040
,
Figure 00000010
and
Figure 00000057
, as a result of the experiment, the temperature of the rocket fairing is found in the nth approximation to
Figure 00000024
.

Количество циклов нагреваний обтекателя ракеты определяется из условия, что измеренная температура поверхности обтекателя ракеты на текущем цикле нагревания обтекателя ракеты будет отличаться от измеренной температуры поверхности обтекателя ракеты на предыдущем цикле нагревания не более чем на величину допустимой погрешности системы измерения или температуры будут равны друг другу.The number of rocket fairing heating cycles is determined from the condition that the measured temperature of the rocket fairing surface in the current rocket fairing heating cycle will differ from the measured rocket fairing surface temperature in the previous heating cycle by no more than the allowable error of the measurement system or the temperatures will be equal to each other.

Claims (12)

Способ воспроизведения аэродинамического нагрева элементов летательных аппаратов (ЛА) путем проведения теплового эксперимента на стенде, включающий в себя несколько циклов нагревания элементов ЛА подогретым воздушным потоком, при котором перед проведением теплового эксперимента рассчитывают температуру восстановления воздушного потока в полете и коэффициент теплоотдачи на стенде и в полете при условии, что коэффициент теплоотдачи на стенде меньше коэффициента теплоотдачи в полете, затем проводят первый цикл нагревания элементов ЛА при стендовом коэффициенте теплоотдачи и температуре восстановления подогретого воздушного потока, равной температуре восстановления воздушного потока в полете, отличающийся тем, что тепловой эксперимент проводят с применением горячего кожуха, в который помещают элемент ЛА, для дополнительного нагревания элементов ЛА лучистым тепловым потоком при условии, что первый цикл нагревания проводят при температуре горячего кожуха, равной температуре окружающей среды, воспринимающей тепловое излучение от элементов ЛА в полете, причем в процессе первого цикла нагревания элемента ЛА измеряют температуру поверхности элемента ЛА, затем проводят второй и последующие циклы нагревания подогретым воздушным потоком и лучистым тепловым потоком от горячего кожуха при неизменном стендовом коэффициенте теплоотдачи и температуре восстановления, равной температуре восстановления в полете с поддержанием температуры поверхности горячего кожуха, которую рассчитывают перед каждым текущим циклом нагревания элемента ЛА по формуле: A method for reproducing aerodynamic heating of aircraft (AC) elements by conducting a thermal experiment on a test bench, which includes several cycles of heating the aircraft elements with a heated air flow, in which, before conducting a thermal experiment, the air flow recovery temperature in flight and the heat transfer coefficient on the test bench and in flight are calculated provided that the heat transfer coefficient on the bench is less than the heat transfer coefficient in flight, then the first cycle of heating the aircraft elements is carried out at the bench heat transfer coefficient and the recovery temperature of the heated air flow equal to the air flow recovery temperature in flight, characterized in that the thermal experiment is carried out using a hot casing, in which the aircraft element is placed, for additional heating of the aircraft elements by radiant heat flux, provided that the first heating cycle is carried out at a temperature of the hot casing equal to the ambient temperature, receiving thermal radiation from aircraft elements in flight, and during the first cycle of heating the aircraft element, the surface temperature of the aircraft element is measured, then the second and subsequent heating cycles are carried out with heated air flow and radiant heat flow from the hot casing at a constant bench heat transfer coefficient and a recovery temperature equal to in-flight recovery temperature while maintaining the temperature of the hot casing surface, which is calculated before each current cycle of heating the aircraft element according to the formula:
Figure 00000058
Figure 00000058
на основе температуры поверхности элемента ЛА, которую измеряют на предыдущем цикле нагревания элемента ЛА с учетом температуры горячего кожуха, полученной на предыдущем цикле нагревания, based on the surface temperature of the aircraft element, which is measured in the previous cycle of heating the aircraft element, taking into account the temperature of the hot casing obtained in the previous heating cycle, где n - цикл нагревания элемента ЛА воздушным потоком и лучистым тепловым потоком от горячего кожуха, n=1…N;where n is the cycle of heating the aircraft element with air flow and radiant heat flow from the hot casing, n=1…N;
Figure 00000059
- температура горячего кожуха на n-м цикле нагревания элемента ЛА;
Figure 00000059
- temperature of the hot casing on the n-th cycle of heating the aircraft element;
Figure 00000060
- температура горячего кожуха на (n-1) цикле нагревания элемента ЛА;
Figure 00000060
- temperature of the hot casing on (n-1) cycle of heating the aircraft element;
Figure 00000061
- температура восстановления в полете;
Figure 00000061
- in-flight recovery temperature;
Figure 00000062
- разница между коэффициентами теплоотдачи в полете и на стенде;
Figure 00000062
- the difference between the heat transfer coefficients in flight and on the stand;
Figure 00000063
- температура наружной поверхности элемента ЛА, измеренная на (n-1) цикле нагревания элемента ЛА;
Figure 00000063
- temperature of the outer surface of the aircraft element, measured on (n-1) cycle of heating the aircraft element;
σ - постоянная Стефана-Больцмана (5,67*10-8 Вт/(м24);σ - Stefan-Boltzmann constant (5.67 * 10 -8 W / (m 2 * K 4 );
Figure 00000064
- приведенная степень черноты,
Figure 00000064
- reduced degree of emissivity,
причем тепловой эксперимент завершают, когда измеренная температура элемента ЛА на текущем цикле нагревания будет отличаться от измеренной температуры элемента ЛА на предыдущем цикле нагревания не более чем на величину допускаемой погрешности измерения или температуры равны друг другу.moreover, the thermal experiment is completed when the measured temperature of the aircraft element in the current heating cycle differs from the measured temperature of the aircraft element in the previous heating cycle by no more than the allowable measurement error or the temperatures are equal to each other.
RU2021124496A 2021-08-18 Method for reproducing aerodynamic heating of aircraft elements RU2773024C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2773024C1 true RU2773024C1 (en) 2022-05-30

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2526406C1 (en) * 2013-02-26 2014-08-20 Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" Method of heat tests of instrument compartment of aircraft
CN104820748A (en) * 2015-05-07 2015-08-05 北京宇航系统工程研究所 Method for determining temperature field distribution of cabin of carrier rocket in flight phase in atmospheric layer
RU2571442C1 (en) * 2015-01-12 2015-12-20 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Tests with application of heat stress to rocket cowls of nonmetals
RU2616108C1 (en) * 2015-12-15 2017-04-12 Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method for determining aerodynamic heating of high-speed aircraft during advance flight trials on lagre-scale models
RU2625637C1 (en) * 2016-06-06 2017-07-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Method of heat resistance tests of hypersonic aircrafts cowlings and installation for its realisation
CN109029907A (en) * 2018-07-18 2018-12-18 大连理工大学 A kind of parameter similar method of pneumatic thermal environmental test simulated conditions
RU2739524C1 (en) * 2020-07-07 2020-12-25 Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем» (ФГУП «ГосНИИАС») Method for determining temperature field of aircraft elements during aerodynamic heating

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2526406C1 (en) * 2013-02-26 2014-08-20 Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" Method of heat tests of instrument compartment of aircraft
RU2571442C1 (en) * 2015-01-12 2015-12-20 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Tests with application of heat stress to rocket cowls of nonmetals
CN104820748A (en) * 2015-05-07 2015-08-05 北京宇航系统工程研究所 Method for determining temperature field distribution of cabin of carrier rocket in flight phase in atmospheric layer
RU2616108C1 (en) * 2015-12-15 2017-04-12 Акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method for determining aerodynamic heating of high-speed aircraft during advance flight trials on lagre-scale models
RU2625637C1 (en) * 2016-06-06 2017-07-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Method of heat resistance tests of hypersonic aircrafts cowlings and installation for its realisation
CN109029907A (en) * 2018-07-18 2018-12-18 大连理工大学 A kind of parameter similar method of pneumatic thermal environmental test simulated conditions
RU2739524C1 (en) * 2020-07-07 2020-12-25 Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем» (ФГУП «ГосНИИАС») Method for determining temperature field of aircraft elements during aerodynamic heating

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Corrsin Further experiments on the flow and heat transfer in a heated turbulent air jet
CN109883660B (en) Thermal simulation test control method
Villafañe et al. Aero-thermal analysis of shielded fine wire thermocouple probes
RU2739524C1 (en) Method for determining temperature field of aircraft elements during aerodynamic heating
Massa et al. Hypersonic heat flux reconstruction with distributed temperature sensors
CN114355779B (en) Global sliding mode control method for structural thermal test nonlinear extended state observer
RU2676385C1 (en) Method for thermal control during heat tests of antenna domes of missiles
RU2773024C1 (en) Method for reproducing aerodynamic heating of aircraft elements
Mehta et al. Numerical base heating sensitivity study for a four-rocket engine core configuration
Wheaton et al. Hypersonic boundary-layer instabilities due to near-critical roughness
Şakraker et al. Hypersonic aerothermochemistry duplication in ground plasma facilities: A flight-to-ground approach
Vuillamy et al. European investigation of clustered plug nozzles
Warren Design of thermocouple probes for measurement of rocket exhaust plume temperatures
RU2676397C1 (en) Method for heat loading of rocket fairings made of nonmetals
Zinchenko et al. Conjugate problem on nonstationary heat exchange in supersonic flow over a blunt-nosed cone
Dufrene et al. Space Launch System Base Heating Test: Experimental Operations and Results
Hermann et al. Performance of transpiration cooled heat shields for hypersonic vehicles
Vannoy et al. Development and Validation of an NPSS Model of a Small Turbojet Engine
Forsyth et al. Experimental Assessment of Hypersonic Convective Heat Transfer Augmentation due to Surface Roughness
Holden et al. Studies of laminar, transitional, and turbulent hypersonic flows over curved compression surfaces
Cendro et al. Simulation and Experimental Validation of an Inductively Heated Solid-Core Nuclear Thermal Rocket Model
Skibina et al. Research of the gas flow in a channel with sudden expansion under conditions of supersonic flow around axisymmetric model
Nares Alcala et al. Development of a Conduction-Free Total Temperature Probe Based on the Two-Wire Thermocouple Concept
Milos et al. Small motor measurement method for determining burning rate of solid rocket propellants
Murakami et al. CFD Analysis of Aerodynamic Heating for HYFLEX High Enthalpy Flow Tests and Flight Conditions