VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Одной из важнейших проблем в области ракетной и космической техники является нагрев поверхности тела при движении в земной атмосфере. При высоких температурах, воздействующих на тело, оно начинает изменять свои размеры и форму.

Многочисленные результаты наземных и летных испытаний свидетельствуют о том, что в течение гиперзвукового полета в плотных слоях атмосферы происходит унос материала с поверхности летательного аппарата.

В настоящее время для снижения уноса материала при входе в атмосферу разработана комбинированная конструкция носовой части летательного аппарата, состоящая из наружного графитового покрытия и внутреннего слоя тугоплавких материалов. Также для уменьшения влияния абляции в нашем конкретном случае форма конуса имеет эллиптическую переднюю поверхность (см. рис. 1).

Рисунок 1 - Схема конусообразной головной части

Для тепловой зашиты гиперзвуковых летательных аппаратов использует углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ).

Рисунок 2 - Наконечник из углерод – углеродного материала

Наш конус движется в атмосфере, температура поверхности уноса до 4000˚С, температура внутри до 250˚С.

Для контроля внешней поверхности защитного конуса нами предлагается использовать ультразвуковой эхо-метод. В данном методе обработка отражённого от объекта сигнала производится в той же точке, что и излучение. В момент времени T_о (см. рис. 3) ультразвуковой передатчик излучает сигнал — пачку импульсов, продолжитель-ностью Δt, которая распространяется в окружающей среде со скоростью звука c. Когда сигнал достигает границы объекта, часть сигнала отражается и приходит в приёмник в момент времени T₁. Электронная схема устройства обработки сигнала определяет расстояние до объекта, измеряя время T₁ – T_о.

Рисунок 3 - Принцип ультразвукового эхо-метода

Благодаря тому, что пьезоэлектрический преобразователь может служить как излу-чателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта.

Для реализации УЗ эхо-метода пьезоэлектрический преобразователь может быть расположен на плоской внутренней поверхности конуса. При этом к УЗ системе должны быть предъявлены следующие требования:

1. Рабочая температура в зоне расположения пьезопреобразователя при прохождении через атмосферу (время движения примерно 1 мин.) будет изменяться от 20 до 250˚С.

2. Необходимо получить информацию о положении достаточно большого количества точек на внешней поверхности тела, для достаточно детального описания формы его поверхности.

3. Измерения во всём массиве точек должны проводится с частотой отсчётов порядка 1 секунды для получения оперативной информации.

4. Информация должна быть представлена в цифровом виде для обеспечения возможности её передачи из приборного отсека летящего объекта на землю по радиоканалу.

Перечень использованных источников:

1. Э.З. Апштейн, Н.Н. Пилюгин, Г.А. Тирский, Унос массы и измерение формы трехмерного тела при движении по траектории в атмосфере Земли // Космические исследования. – 1979 – Т.17, № 2. С. 246.

2. В.В. Клюев, Неразрушающий контроль и диагностика / Справочник , М., Машиностроение,2003.

3. С.П. Киселев, Физические основы аэродинамики ракет. М., Воениздат, 1976.