отчет по нирсу весенний семестр

Содержание

Введение

Постановка задачи

Литературно-патентный обзор

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:

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

Длина остаточной части конуса должна обеспечивать тепловую защиту аппаратуры.

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.

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.

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””.

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

Сроки выполнения работ-с 01.09.2013 года по 30.12.2016 года.

Цель и задачи выполняемой работы.

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

Задачами работы являются.

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

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

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

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

Разработка структурной схемы, алгоритмов и программ обработки результатов контроля.

Тактико-техническое требование к системе.

Состав системы.

Летные узлы.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП).

Блок электронный (БЭ).

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

Блок сопряжения телеметрической системы с компьютером.

Компьютер.

Программное обеспечение.

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.

Тип объекта измерения – колпак 4КМСЛ.

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

Геометрия объекта измерения приведена на Рис.1 Приложение 1.

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

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

Максимальная скорость линейного уноса УУКМ составляет 7мм/сек.

Алгоритм работы системы.

ПИП облучает переднюю поверхность колпака наконечника зондирующим излучением.

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

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

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.

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

Погрешность измерений координат точек обгарной поверхности колпака:

- сферическая поверхность —

- боковая поверхность —

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 (nПостановка задач на отчет по нирсm) 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].

Нирс отчет по обзору литературы

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.

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.



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.

Постановка задач на отчет по нирс

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.

F, Гц

40

50

63

80

100

125

160

200

250

315

P, дБ

118

122

126

130

133

136

139

142

146

149

400

500

630

800

1000

1250

1600

2000

2500

3150

4000

153

156

158



160

162

164

166

167

169

171

172

Нирс отчет по обзору литературы

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

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

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

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

А. А. Коробков, Д. В. Смирнов, И. А. Мурашко патент RU 2 344 966 С2Устройство для управления полетом гиперзвукового летательного аппарата” [4].

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].