Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы статических испытаний в процессе наземной отработки обтекателей из неметаллических материалов 6
1.1 Особенности эксплуатации и проектирования обтекателей 6
1.2 Испытания в процессе наземной отработки неметаллических обтекателей 12
1.3 Обзор существующих методов и средств статических испытаний 16
1.3.1 Стенды для воспроизведения тепловых режимов 17
1.3.2 Способы и средства воспроизведения силовой составляющей аэродинамического нагружения 24
1.3.3 Методы и средства исследования НДС конструкций 29
1.3.4 Анализ возможностей современных цифровых технологий в повышении качества процесса статических испытаний 34
1.4 Постановка задачи 40
Глава 2 Исследование методов статических испытаний 42
2.1 Исследование методов контроля конструкции керамических обтекателей.42
2.1.1 Метод контроля прочности по всей окружности изделия 42
2.1.2 Метод контроля сдвиговых свойств клеевого соединения 51
2.2 Методы повышения точности результатов статических испытаний обтекателей ракет 59
2.2.1 Анализ точности воспроизведения тепловых нагрузок 59
2.2.2 Повышение точности воспроизведения тепловых испытаний при управлении по параметрам системы управления и объекта испытаний 63
2.2.3 Адаптация системы к объекту испытаний 70
2.3 Выводы по второй главе 74
Глава 3 Разработка средств статических испытаний 77
3.1 Программное обеспечение автоматизированной системы измерения и управления параметрами испытаний 77
3.2 Электропневматическая следящая система управления силовым нагружением 83
3.3 Разработка средств исследования НДС керамических обтекателей 93
3.3.1 Тензометрические преобразователи перемещения в исследованиях конструкции обтекателей 93
3.3.2 Система контроля качества клеевого соединения 103
3.4 Выводы по третьей главе 109
Глава 4 Практическое применение результатов работы 111
4.1 Внедрение автоматизированного комплекса измерения и управления параметрами статических и повторно-статических испытаний 111
4.2 Применение электропневматической следящей системы при повторно-статических испытаниях 115
4.3 Исследование прочности по всей окружности обтекателя на установке ОТА-500 121
4.4 Управление тепловыми режимами в процессе испытаний 126
4.5 Выводы по четвертой главе 130
Основные результаты и выводы по работе 131
Список использованной литературы 133
- Испытания в процессе наземной отработки неметаллических обтекателей
- Методы повышения точности результатов статических испытаний обтекателей ракет
- Электропневматическая следящая система управления силовым нагружением
- Применение электропневматической следящей системы при повторно-статических испытаниях
Введение к работе
Одним из важнейших элементов конструкции высокоскоростных и высокоманевренных ракет, входящих в состав зенитных комплексов и комплексов авиационного вооружения, являются головные антенные обтекатели, которые в значительной степени определяют аэродинамические характеристики и точность наведения на цель любого летательного аппарата (ЛА). Головные обтекатели защищают антенны самонаведения от силовых и тепловых воздействий набегающего аэродинамического потока, а также от других воздействий характерных для эксплуатации ЛА. Наличие радиолакационных систем наведения в контуре управления ЛА диктует свои требования к обтекателю, который должен быть радиопрозрачным и обеспечивать минимальное искажение электромагнитного поля в заданном спектре рабочих частот. Требование радиопрозрачности определяет номенклатуру используемых в обтекателях материалов: стеклопластики, ситаллы и керамические материалы. Использование неметаллических материалов вносит свою специфику в процессы исследования, проектирования, производства и эксплуатации обтекателей.
Летательным аппаратам свойственно постоянное увеличение скоростей полета и маневренности, следствием чего является рост аэродинамических нагрузок на их агрегаты. Головной обтекатель является одним из самых высоконагруженных элементов ракеты и именно воздействие аэродинамического нагружения предъявляет наибольшие требования к его прочности. Опыт экспериментальных исследований показывает, что более 90 % отказов (разрушений) изделий при наземной отработке происходит в процессе статических испытаний, заключающихся в воспроизведении аэродинамических силовых и тепловых нагрузок на изделие. Качество проведения статических испытаний в значительной мере определяет сроки разработки новых изделий, а также качество производимых обтекателей. К процессу статических испытаний головных обтекателей из неметаллических материалов предъявляются высокие требования. Они характеризуются большими значениями воздействующих на изделие факторов: высокие скорости нагрева, большие значения тепловых потоков, высокие значения силовых нагрузок.
Совершенствование методов и средств статических испытаний в условиях постоянного роста требований к авиационной и ракетной технике, безусловно, является актуальной задачей.
Среди проблем статических испытаний обтекателей ракет можно выделить: повышение точности воспроизведения режимов испытаний, уменьшение погрешности измерения температуры изделия, внедрение новых методов контроля прочностных свойств конструкции обтекателя.
Анализ возможностей современных цифровых технологий показывает, что они не в полной мере используются для обеспечения повышения качества процесса статических испытаний. Существующее программно-аппаратное обеспечение позволяют не только увеличить точность результатов испытаний, но и разработать новые неразрушающие методы контроля конструкции обтекателя.
Результаты работы использованы при создании установки ОТА500 предназначенной для испытаний обтекателей ракет класса «воздух-воздух», а также для разработки программного обеспечения системы управления испытаний в автоматизированном испытательном комплексе статических испытаний обтекателей ракет всех типов.
Работа апробирована на международных и Всероссийских конференциях: Обнинск, 2004, 2007, АР Крым, 2006.
По результатам исследований получено 2 патента на изобретение, опубликовано 9 статей в журналах рекомендованных ВАК. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Испытания в процессе наземной отработки неметаллических обтекателей
Испытания занимают важнейшее место в системе обеспечения надежности изделий ракетной техники. В процессе экспериментальной отработки они носят функцию обратной связи. Достоверность получаемой с помощью испытаний информации исключает возможность ошибки при разработке изделий. Информативность испытаний, характеризуемая полнотой получаемой информации, обеспечивает уменьшение затрат на разработку новых изделий.
Экспериментальная отработка начинается с исследовательских испытаний, связанных с изучением отдельных свойств объекта. Затем проводятся доводочные испытания с целью сравнительного анализа работоспособности альтернативных вариантов конструкции, выбор наилучшего варианта, исследование его работоспособности во всем диапазоне внешних эксплуатационных и внутренних воздействий, проверка запасов работоспособности, проверка эффективности мероприятий, направленных на обеспечение надежности системы при ее отработке [2, 7, 50, 61, 98]. Получаемую при отработке информацию о состоянии объекта испытаний используют для оценки достигнутых технических характеристик, показателей надежности и принятия необходимых технических решений. Завершающие (натурные) испытания проводят на образцах, изготовленных по документации, передаваемой в серийное производство и эксплуатацию, в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации. Эти испытания дают наиболее полное представление о работоспособности и надежности элементов технической системы.
Как правило, уровень отработанности определяется путем сравнения фактически достигнутых в процессе отработки значений технических характеристик и показателей надежности с их базовыми значениями. В качестве базовых выбираются значения характеристик и показателей, записанные в технические задания на разработку изделия, технические условия и программы экспериментальной отработки.
Согласно [23, 24, 49, 83, 129] для обеспечения требуемого уровня надежности разрабатываемого изделия, определенный (расчетно или экспериментально) запас прочности должен удовлетворять неравенству: экспериментальной отработки оценка надежности осуществляется по результатам испытаний. При этом, для точного определения уровня надежности требуются статистические результаты испытаний. На основе этих результатов определяются параметры распределения случайной величины X, а величина 6т становится равным единице при большом количестве опытов. В этих условиях на точность определения надежности главным образом влияет погрешность определения запаса прочности.
Однако, в силу высокой стоимости ракетных конструкций их испытания редко могут иметь статистический характер. Гарантией надежности в этом случае является введение коэффициента безопасности на силовые нагрузки, вводимого для обеспечения определенного уровня безопасности конструкции от действия максимальных нагрузок с учетом разброса несущих свойств конструкции в связи с допустимыми отклонениями технологических процессов и механических характеристик материалов.
С точки зрения обеспечения надежности, основным показателем качества процесса испытаний следует считать достоверность (точность результатов испытаний), которая исключает ошибки при оценке уровня отработанности и стабильности процесса производства изделий. Точность результатов испытаний определяется: точностью воспроизведения эксплуатационных факторов; погрешностью измерения параметров воспроизводимых эксплуатационных факторов.
Информативность испытаний или полнота получаемой при испытании информации об изделии определяет вероятность обнаружения дефекта (причины отказа) в случае отказа (разрушения) изделия в процессе испытания. Информативность напрямую влияет на время разработки конструкции - большее количество полезной информации об изделии уменьшает время выхода характеристик изделия на заданный уровень. Часто специфика процесса испытаний не всегда позволяет получить достаточный объем информации об изделии. Решение в этом случае состоит в использовании дополнительных методов исследований, как например, методов исследования НДС изделия в процессе статических испытаний.
Информативность испытаний определяется: погрешностью измерения параметров изделия в процессе испытаний; количеством и номенклатурой измеряемых параметров изделия в процессе испытаний.
К числу основных показателей качества процесса испытаний также следует отнести гибкость и надежность. Гибкость характеризует приспосабливаемость к проведению испытаний новых разрабатываемых изделий. Высокая надежность испытаний уменьшает количество сбоев в процессе испытаний и тем самым уменьшает вероятность повреждения дорогостоящего опытного образца.
На рисунке 1.4 представлена общая схема проведения наземных испытаний обтекателей ракет, содержащая основные этапы испытаний.
Методы повышения точности результатов статических испытаний обтекателей ракет
Условием тождественности радиационного нагрева аэродинамическому следует считать равенство начальных и граничных условий [56]. На поверхности объекта испытаний могут быть заданы: 1) Распределение температуры как функции координат и времени — граничное условие первого рода: 2) Распределение плотности теплового потока через каждый элемент поверхности как функция координат и времени — граничное условие второго рода: где Tw\, TW2 - температура на наружной и внутренней поверхностях изделия; Tfi, Tfi - температура газа снаружи и внутри изделия; осуь СИд -коэффициенты теплоотдачи наружной и внутренней поверхности; qc - тепловой поток от пограничного слоя; GQ — постоянная Стефана-Больцмана; є -интегральная степень черноты; qr — плотность падающего теплового потока при радиационном нагреве; А — коэффициент поглощения поверхности; индексы с и г соответствуют аэродинамическому и радиационному способам нагрева. Метод задания граничных условий первого рода получил наибольшее распространение. Его основным достоинством по сравнению с граничным условием второго рода следует считать возможность использования простых и точных средств измерения температуры. К недостаткам граничного условия второго рода относят необходимость проведения предварительного расчета температуры конструкции, поскольку плотность теплового потока, поступающего в нее из пограничного слоя, зависит от температуры нагреваемой поверхности. Рассмотрим основные погрешности воспроизведения тепловых режимов в установках инфракрасного нагрева. Общую погрешность задания температурного поля при радиационном нагреве ДГ можно выразить через сумму составляющих: где A77/ - методическая погрешность измерения температуры; АҐ2 — погрешность от изменения оптических свойств поверхности испытуемой конструкции, инфракрасных нагревателей и передающего пространства между излучателями и испытуемой конструкцией; АТ3- погрешность автоматической системы управления тепловыми режимами; АТІ4 - погрешность, зависящая от запаса мощности исполнительных органов испытательной установки; АҐ5 — погрешность, зависящая от геометрических размеров инфракрасных нагревателей; AT1 в- погрешность от наличия конвективного теплообмена с окружающей средой за счет движения воздуха в пространстве между излучателями и нагреваемой поверхностью; АТ,п — погрешность математического моделирования. Эти погрешности можно разделить на три группы: 1) погрешность математического моделирования; 2) погрешность задания температуры в точке; 3) погрешность воспроизведения температурного поля на поверхности. Погрешность второй группы обусловлена погрешностью измерения температуры в точке и погрешностью регулирования.
Эта погрешность фактически является погрешностью системы управления испытанием. Погрешность третьей группы связанна с геометрическими размерами нагревателя, с погрешностью от конвекции, погрешностью от изменения оптических свойств и пр. Т.е. эта погрешность обусловлена характеристиками испытательного стенда и объекта испытаний. Большой вклад в разработку методов снижения погрешностей тепловых испытаний керамических обтекателей ракет внесли специалисты МГТУ им. Н.Э. Баумана и ОНПП «Технология». Особо можно выделить методы: - метод коррекции температурного поля в установках радиационного нагрева с помощью высокотемпературных покрытий, - метод оценки тождественности теплового нагружения на основе связи профиля температур и радиального перемещения стенки оболочки, - система управления тепловыми режимами с элементами самообучения, - метод воспроизведения силового воздействия между составными частями обтекателя за счет нагрева шпангоута. К сожалению, большое количество выработанных за последние 20 лет технических решений не нашли применения в широкой практике в силу своей сложности. Однако, существующий уровень средств вычислительной- техники дает возможности для широкого внедрения этих методов не только по отдельности, но и в комплексе. Прежде всего, использование компьютерных технологий позволяет снизить погрешность второй группы (погрешность задания температуры в точке). Существуют возможности для разработки системы .управления тепловыми режимами с возможностями самонастройки перед проведением испытаний, обучением и резервированием в процессе испытаний. і г Наибольший вклад в погрешность воспроизведения температурного поля вносит методическая погрешность измерения наружной поверхности [86]. Рассмотрим факторы, влияющие на показания термоприемников при внешнем радиационном нагреве. На рисунке 2.11 показан разрез места крепления термоприемника. Условием тождественности измерения температуры на поверхности керамической оболочки будет являться стабильность таких параметров, как: степень черноты покрытия над клеем Є; толщина клея над термопарой 8; термическое сопротивление между спаем и исследуемой поверхностью р; площадь контакта исследуемой поверхности со спаем S и пр. Кроме того, на показания термоприемника влияют процессы, происходящие в клее в процессе нагрева: фазовые превращения и испарения связанной воды. - испытуемое изделие, 2 - спай термопары, 3 - клей, 4 - покрытие для выравнивания степени черноты поверхности Наличие такого большого количества факторов практически исключает снижение методической погрешности измерения температуры поверхности.
При этом, альтернативы контактным методам измерения температуры практически нет (использование бесконтактных методов практически исключено вследствие наличия помех от инфракрасных излучателей). Отсутствие возможностей для снижения погрешности измерения температуры поверхности приводит, во-первых, к неоднозначности теплового нагружения, во-вторых, исключает возможности снижения погрешности задания температуры системой управления. В этой ситуации одним из решений повышения точности задания является управление по параметрам, косвенно определяющим тепловой режим [92]: - параметры системы управления, например, ток управления тиристорными регуляторами; - параметры объекта испытаний, например, радиальное расширение оболочки; - параметры испытательной установки, например, температура отражающего экрана. Непосредственное измерение тепловых потоков и температур в ограниченном пространстве неизбежно вносит возмущения в температурное поле, поэтому оправдан поиск методов косвенной оценки параметров теплообмена. Если рассмотреть испытательный комплекс как единое целое, включая в это целое и процесс теплообмена, то значениям параметров теплообмена (температуре и тепловому потоку) в каждый момент времени будет соответствовать определенная последовательность значений параметров системы управления и объекта испытаний. Это могут быть напряжения в силовых электрических цепях, ток управления, сигнал на выходе сравнивающего устройства, температура и тепловой поток в рефлекторе и пр. Практическое применение этого соответствия может упростить испытательное оборудование и расширит его возможности.
Электропневматическая следящая система управления силовым нагружением
Энергия сжатого воздуха часто используется для силового нагружения конструкций за счет создания на поверхности избыточного давления (системы распределенного нагружения). Основным преимуществом пневматических систем силового наружения является доступность питающей рабочей среды (заводская сеть воздуха высокого давления). Кроме этого, пневматические устройства обладают относительной простотой конструкции и эксплуатационного обслуживания, низкой стоимостью, надежностью работы в широком диапазоне температур, высокой влажности и запыленности окружающей среды [75].
Актуальной задачей является создание автоматических систем управления давлением воздуха. В настоящее время управление давлением воздуха вручную является основным способом при испытаниях конструкций. В ряде случаев это приемлемо, однако в условиях, когда предъявляются высокие требования к точности воспроизведения режимов испытания и когда присутствуют такие возмущающие факторы на величину давления, как постоянный отвод воздуха и изменение температуры во внутренней полости установки, требуется разработка системы автоматического регулирования.
Автоматические пневматические системы известны в практике. Однако они в основном направлены на специализированное применение в конкретных областях промышленности (химической, авиационной и пр.). Нас же интересует разработка универсальной системы, не предъявляющей высоких требований к питающему воздуху. Пневматические системы могут иметь широкое распространение при статических испытаниях. Примером может служить установка испытания тонкостенных стеклопластиковых обтекателей на устойчивость, показанная на рисунке 3.6.
Данная схема оригинальна тем, что через установку осуществляется постоянный продув воздуха. Это позволяет вести режим нагрева с наличием, как темпов роста, так и снижения температуры. А также удалять из внутренней полости продукты сгорания. Другим примером может являться схема, показанная на рисунке 3.7.
Силовое нагружение по этой схеме осуществляется созданием давления на поверхность обтекателя резиновыми мешками. Регулированием распределения давления по мешкам создается наиболее близкое к аэродинамическому силовое нагружение. В настоящее время для создания давления в мешках используется вода. Исполнительными органами являются водяные цилиндры с гидравлическим приводом. Однако, уже упомянутые преимущества пневматических систем делают использование сжатого воздуха более целесообразным.
Хорошим решением для реализации автоматической системы является использование в качестве регулирующего органа дискретного электромагнитного преобразователя (ЭПП). Очевидно, что простое внедрение подобного релейного элемента в прямую цепь системы управления приводит к неизбежным колебаниям выходного сигнала. Однако, снижение амплитуды колебаний до минимума можно достичь с помощью увеличения частоты работы и введения в прямую цепь системы управления инерционного элемента.
Увеличение частоты работы ЭПП реализуется использованием широтно-импульсной модуляции сигнала поступающего с регулятора. В результате этого преобразования на электрический вход ЭПП будут поступать импульсы заданной частоты, ширина которых пропорциональна выходному сигналу регулятора. Структурная схема системы управления представлена на рисунке 3.8. На рисунке 3.9 представлена схема для экспериментальной проверки работы дискретного ЭПП в режиме работы с ШИМ. В качестве объекта управления был выбран герметичный сосуд объемом около 10 л. Малая величина объема создает минимальную инерционность объекта и, таким образом, представляет наибольшие сложности для минимализации колебаний давления воздуха в сосуде. В качестве ЭПП был использован двухпозиционный пятилинейный пневмораспределитель, в качестве инерционного элемента -система из пневмодросселя и ресивера.
При отсутствии напряжения на пневмораспределителе магистраль заводского воздуха соединена с отверстием 4, а сосуд через отверстие 3-е атмосферой. При подаче напряжения отверстие 1 соединяется с отверстием 2 и воздух подается в объект управления. Таким образом, регулирование времени включения и выключения может обеспечить как рост, так и падение давления в сосуде. Установка дросселя на отвод воздуха из сосуда также обеспечивает увеличение инерционности в целях сглаживания импульсов воздуха. На рисунке 3.10 показана блок-схема широтно-импульсный модулятор. ШИМ обеспечивает линейное изменение выходного времени импульса от нуля до Т/2 (Т - период сигнала генератора) при изменении входного сигнала от минимального до максимального значения. На рисунке 3.11 показана временная диаграмма изменения выходного сигнала ШИМ при подаче на вход линейно увеличивающегося сигнала.
Приведенные временные зависимости даны для несущей частоты ШИМ 2 Гц. Работа системы оценивалась при подаче на вход ШИМ трапецеидального импульса большой длительности. Проведенный эксперимент показал: на уменьшение амплитуды колебаний воздуха в сосуде влияет: увеличение величины несущей частоты ШИМ, уменьшение расхода воздуха через дроссель, увеличение объема ресивера; уменьшение расхода воздуха через дроссель и увеличение объема ресивера снижает максимальный темп изменения давления;
Применение электропневматической следящей системы при повторно-статических испытаниях
На рисунке 4.7 показана схема установки для поперечного нагружения по всей окружности изделия. На рисунке 4.8 представлен вид внедренной установки повторно-статических испытаний ОТА500, реализующий способ двухкоординатного задания поперечной нагрузки. Установка ОТА500 обеспечивает работу системы по схеме на рисунке 2.3. На рисунке 4.9 показана временная диаграмма изменения величин проекций поперечной нагрузки при вращении общего вектора силовой нагрузки, полученная при работе системы по алгоритму рисунка 2.4. Процесс нагружения состоит из чередования двух этапов: этап выхода на заданную нагрузку; этап вращения нагрузки по окружности изделия.
На рисунке 4.10 представлены результаты эксперимента по исследованию НДС изделия при вращении поперечной силовой нагрузкой. В процессе эксперимента регистрировались перемещение носка изделия с помощью двухкоординатного датчика отклонения носка и механические напряжения с помощью пленочных тензорезисторов. Как видно из диаграммы, перемещение носка пропорционально максимальным напряжениям оболочки. Это подтверждает выводы раздела 2.1. Кроме этого, это показывает возможность автоматизации контроля конструктивной прочности обтекателя.
Разработка системы, позволяющей контролировать прочность по всей окружности изделия, создает предпосылки для контроля прочностных свойств конструкции всех выпускаемых изделий. Непременным условием для этого является неразрушающий способ контроля, что реализуется воздействием малых величин силовых нагрузок. Это предоставляет возможности для контроля всех производимых изделий. На рисунок 4.11 представлена экспериментально полученная диаграмма распределения деформаций клеевого соединения изделия при создании во внутренней полости избыточного давления. На этом же рисунке приведена диаграмма изменения отклонения носка от направления приложения силовой нагрузки. Проведенный эксперимент подтверждает наличие связи между деформацией клеевого соединения и перемещением носка.
Совместное использование двух методов (контроль прочности на воздействие поперечной нагрузки по всей окружности изделия и контроль сдвиговых свойств клеевого соединения) дает практически полную информацию о прочности конструкции обтекателя на воздействие силового нагружения.
Использование подсистемы адаптации, работающей по алгоритму рисунка 2.16, позволило значительно повысить точность проведения тепловых режимов.
На рисунке 4.12 показаны характеристики различных объектов управления - трех изделий, значительно отличающихся размерами. Эти характеристики были определены с помощью подсистемы адаптации при испытании на стенде ТСБ 127.00.000.
Для оценки эффекта от внедрения новой системы управления испытанием на рисунке 4.13 приведены диаграммы изменения температуры поверхности изделия при управлении от предыдущей аналоговой системы управления и внедренной цифровой.
