способ определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров

Формула изобретения

Способ определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров, заключающийся в высокотемпературном нагреве образца теплозащитной конструкции и нанесении на него контролируемых точек, отличающийся тем, что после остывания теплозащитной конструкции, подвергнутой высокотемпературному одностороннему нагреву, наносят контролируемые точки на интересующий участок внешней поверхности теплозащитной конструкции, вырезают на всю ее толщину осесимметричные образцы, продольные оси которых проходят через контролируемые точки и перпендикулярны поверхности теплозащитной конструкции, после чего наносят контролируемые точки на боковую поверхность каждого вырезанного образца на заданном расстоянии от внутренней поверхности теплозащитной конструкции, разрезают каждый образец на навески по плоскостям, перпендикулярным его продольной оси и проходящим через контролируемые точки, поочередно нагревают каждую навеску в среде инертного газа, регистрируя при этом изменение ее веса, фиксируют температуры начала уменьшения веса каждой навески, по которым судят о искомом пространственном распределении температур.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к области температурных измерений, в частности, к определению пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях, подвергнутых высокотемпературному одностороннему нагреву, и может быть использовано при отработке теплозащиты спускаемых космических аппаратов.

Композиционные материалы на основе термореактивных полимеров представляют собой текстолиты с многослойным наполнителем в виде, например, асбестовой ткани или стеклоткани различных типов плетения, пропитанных в качестве связующего смолой, например, эпоксидной, эпоксифенольной, фенольной, фенолформальдегидной, прошедшей полимеризацию при формовании. Эффективность работы теплозащитных конструкций из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров связана как с низкой теплопроводностью, так и с поглощением подводимого тепла за счет тепловых эффектов термодеструкции связующего. В связи с необратимостью процесса термодеструкции данная теплозащита является одноразовой и вторично не используется. При экспериментальной отработке одноразовых теплозащитных конструкций из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров стоит задача определения пространственного распределения температур после их высокотемпературного нагрева при натурных, например, при входе космических аппаратов в плотные слои атмосферы или стендовых испытаниях. Поставленная задача обычно решается путем установки термодатчиков, например, термопар между слоями стекло(асбо)ткани при формовании теплозащитной конструкции путем прессования. При этом координаты места установки термопар в отформованной теплозащитной конструкции известны с достаточно низкой точностью, а наличие термоэлектродов между слоями теплозащитной конструкции приводит к искажению поля температур. Влияние этих факторов увеличивает погрешность определения пространственного распределения температур в теплозащитной конструкции. Кроме того, внедрение термоэлектродной проволоки нарушает целостность и структуру теплозащитной конструкции, что может привести в эксплуатационных условиях к отслоению материала при нагреве и одновременном нагружении, а в случае мониторинга теплозащиты штатного изделия к необходимости дооснащения его каналами измерения и регистрации температуры.

В связи с вышеизложенным, определение пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях, подвергнутых одностороннему высокотемпературному нагреву без нарушения их целостности и структуры при изготовлении, является актуальным.

Известен способ измерения пространственного распределения температуры (патент РФ №2194956 МПК⁷: G 01 K 7/00, 2002 г.), заключающийся в нанесении на исследуемый нагреваемый объект контролируемых точек, помещении в них множества термочувствительных датчиков, по показанию которых судят о пространственном распределении температур в объекте.

Недостатком данного способа является невозможность определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров без нарушения их целостности и структуры при изготовлении.

Известен также способ определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров, принятый за прототип ("Термическое деформирование неметаллических деструктирующих материалов", Г.Н.Третьяченко, Л.И.Грачева, К, издательство "Наукова думка", 1983 г., стр.119-121), заключающийся в нанесении на образец теплозащитной конструкции контролируемых точек, высокотемпературном нагреве образца, в процессе которого измеряют температуру в контролируемых точках, размещенными в них термодатчиками, по показаниям которых судят о пространственном распределении температур в образце теплозащитной конструкции.

Недостатком данного способа является невозможность определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров без нарушения их целостности и структуры при изготовлении.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров без нарушения целостности и структуры при их изготовлении.

Технический результат достигается тем, что в способе определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров, заключающемся в высокотемпературном нагреве образца теплозащитной конструкции и нанесении на него контролируемых точек, после остывания теплозащитной конструкции, подвергнутой высокотемпературному одностороннему нагреву, наносят контролируемые точки на интересующий участок внешней поверхности теплозащитной конструкции, вырезают на всю ее толщину осесимметричные образцы, продольные оси которых проходят через контролируемые точки и перпендикулярны поверхности теплозащитной конструкции, после чего контролируемые точки наносят на боковую поверхность каждого вырезанного образца на заданном расстоянии от внутренней поверхности теплозащитной конструкции, разрезают каждый образец на навески по плоскостям, перпендикулярным его продольной оси и проходящим через контролируемые точки, поочередно нагревают каждую навеску в среде инертного газа, регистрируя при этом изменение ее веса, фиксируют температуры начала уменьшения веса каждой навески, по которым судят о искомом пространственном распределении температур.

Сущность способа поясняется представленными чертежами. На фиг.1 схематически представлено фронтальное сечение изделия с установленной на нем теплозащитной конструкцией и показано направление воздействующего на нее теплового потока q. На фиг.2 схематически представлен вид слева теплозащитной конструкции, подвергнутой высокотемпературному одностороннему нагреву. На фиг.3 представлен один из образцов, вырезанный на всю толщину теплозащитной конструкции. На фиг.4 представлены, для одного из образцов, зависимости от температуры относительного изменения веса навесок - G/G₀, где G - вес навески в процессе нагрева, G₀ - вес навески до нагрева. На фиг.5 представлено, для одного из образцов, распределение температур по его толщине (ось Z).

На изделие 1 установлена теплозащитная конструкция 2. На интересующий участок 3 поверхности теплозащитной конструкции 2 нанесены контролируемые точки 4. Осесимметричные образцы 5 вырезаны на всю толщину теплозащитной конструкции 2, на боковую поверхность каждого вырезанного образца нанесены контролируемые точки 6 на заданном расстоянии Z₁Z₂Z ₃...Z₈ от внутренней поверхности теплозащитной конструкции 7. Образец 5 разрезан по плоскостям 8, перпендикулярным его продольной оси Z и проходящим через контролируемые точки 6, на навески 9.

Сущность способа заключается в следующем. Известно, что композиционные материалы на основе термореактивных полимеров в области температур термодеструкции характеризуются наличием при каждом значении температуры равновесного (предельного) значения плотности (см. О.Ф.Шленский "Тепловые свойства стеклопластиков", Москва, издательство "Химия", 1973 г., стр.64-68). Термодеструкция термореактивных полимеров происходит в диапазоне температур 250-950°С, при этом плотность композиционного материала уменьшается за счет интенсивного выхода газообразных продуктов разложения и образования коксового остатка. Равновесное значение плотности при каждой температуре характеризуется количеством неразложившегося до коксового остатка материала и достигается при медленном нагреве до данной температуры или выдержке при этой температуре. Каждый слой теплозащитной конструкции, медленно остывающей после высокотемпературного нагрева в условиях натурных или стендовых испытаний, достигает равновесного значения плотности при соответствующей ему температуре. Если тонкий образец, подвергнутый предварительному равномерному по толщине нагреву до заданной температуры, охладить, а затем повторно нагревать, то при достижении этой температуры продолжится процесс термодеструкции и вес образца начнет уменьшаться. Таким образом, если образец, вырезанный на всю толщину теплозащитной конструкции, предварительно подвергнутой одностороннему высокотемпературному нагреву, разрезать на тонкие слои с известной координатой каждого слоя по толщине образца и провести их повторный нагрев с регистрацией температуры начала изменения веса каждого слоя, то можно восстановить распределение температур по толщине теплозащитной конструкции. Имея распределения температуры по толщине теплозащитной конструкции для ряда образцов с известными координатами их продольных осей по поверхности теплозащитной конструкции, можно восстановить для интересующего участка теплозащитной конструкции пространственное (по трем осям) распределение температуры.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

После остывания нанесенной на изделие 1 теплозащитной конструкции 2, подвергнутой высокотемпературному одностороннему нагреву, наносят на интересующий участок 3 внешней поверхности теплозащитной конструкции 2 контролируемые точки 4 с известными координатами. На всю толщину теплозащитной конструкции 2 вырезают осесимметричные, например, цилиндрические образцы 5, продольные оси которых проходят через контролируемые точки 4 и перпендикулярны поверхности теплозащитной конструкции 2. Образцы вырезают по возможности меньшим поперечным сечением (диаметром), чтобы при термовесовом анализе навесок уменьшить погрешность определения распределения температур по оси Z, связанную с наличием градиента температур по осям Х и Y в теплозащитной конструкции при натурном нагреве. Наносят контролируемые точки 6 на боковую поверхность каждого вырезанного образца 5 на заданном расстоянии от внутренней поверхности теплозащитной конструкции 7. Разрезают каждый образец 5 на навески 9 по плоскостям 8, перпендикулярным его продольной оси Z и проходящим через контролируемые точки 6. Поочередно нагревают каждую исследуемую навеску 9 в камере термовесов, заполненной инертным газом. При этом не обязательно нагревать всю навеску 9 целиком, достаточно отделить от нее часть по плоскости, параллельной продольной оси образца 5, чтобы исследуемый материал со всей толщины навески 9 участвовал в термовесовом анализе. Вес исследуемой части навески 8 выбирают исходя из чувствительности термовесов, на которых проводится термовесовой анализ, при этом скорость нагрева навески в камере термовесов выбирается из условия, что перепад температур по толщине навески не должен превышать 5°C. На практике скорость нагрева не должна превышать 1-2°C. Требование, чтобы нагрев навески осуществлялся в среде инертного газа, связано с тем, что в условиях натурного одностороннего нагрева внутренние слои теплозащитного материала находятся в среде выделяющихся газообразных продуктов термодеструкции и не контактируют с атмосферным кислородом. Термоокислительная деструкция в процессе высокотемпературного нагрева исследуемой навески приведет к искажению результатов термовесового анализа, что внесет существенную погрешность в определение температуры начала уменьшения веса навески и, соответственно, в определение пространственного распределения температур.

В процессе нагрева регистрируют изменение веса навески (части навески) и фиксируют температуры начала уменьшения ее веса по диаграмме регистрирующего прибора весоизмерительного устройства, например, в координатах G/G₀-Т (Фиг.4). Таким образом проводят термовесовой анализ каждой навески. Далее строят распределение температур по толщине каждого образца, представленное на Фиг.5. Так как для любой толщины навески в условиях одностороннего нагрева по оси Z существовал температурный градиент, то ее термодеструкция при нагреве в камере термовесов начнется с менее нагретого в натурных условиях основания навески со стороны внутренней поверхности теплозащитной конструкции. В связи с этим значения зафиксированной температуры начала термодеструкции для навески толщиной Z ₁ относят к координате Z=0, для навески толщиной Z ₂ к координате Z₁ и т.д.

Имея распределение температур по толщине образцов, вырезанных из интересующего участка 3 теплозащитной конструкции 2, продольные оси которых проходят через контролируемые точки 4 с известными координатами на поверхности теплозащитной конструкции, определяют искомое пространственное распределение температур.

Таким образом решается задача определения пространственного распределения температур в теплозащитных конструкциях из композиционных материалов на основе термореактивных полимеров без нарушения целостности и структуры при их изготовлении.