Горшенин П.А.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБОЛОЧЕК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА
П. А. Горшенин
В статье описана методология и приведены результанты исследования тепловых
радиационных характеристик материалов для оболочек летательных аппаратов легче
воздуха. Определены устойчивость материалов к воздействию ультрафиолетового
излучения, поглощательная способность солнечной радиации и полная нормальная
степень черноты материалов. Даны рекомендации по практическому применению
исследованных материалов.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в нашей стране и за рубежом все большее внимание
уделяются созданию летательных аппаратов легче воздуха (аэростаты,
дирижабли, термопланы). В конструкции таких аппаратов одним из
основных элементов является мягкая оболочка. В связи с тем, что объемы
таких летательных аппаратов достигают значительных величин (для
обеспечения заданий грузоподъемности), к материалам оболочек этих
аппаратов предъявляются весьма жесткие требования (высокая прочность,
малая удельная масса, непроницаемость к несущему газу, долговечность и
другие).
Одной из важных эксплуатационных характеристик является
устойчивость мягких эластокомпозиционных оболочек к воздействию
солнечного излучения.
Наибольшее воздействие на материал оболочки оказывает
ультрафиолетовое излучение с длиной волны  = 200-300 н.м., которое в
зависимости от высоты полета летательного аппарата, имеет поток от 1 до 10
вт / м2 и более. Однако не следует исключать из рассмотрения видимую и
инфракрасную области спектра солнечной радиации. Хотя энергия квантов в
этой области излучения не велика, есть основание полагать, что большой
поток излучения, величина которого в данном случае превышает 10 3 вт/м2,
действующий в течение длительного времени (t107с) может оказать
существенное влияние на деструкцию материала оболочки.
ИСПЫТАНИЕ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ
НА ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Испытания
образцов
пленочных
текстильных
материалов,
предназначенных для создания композиционной оболочки летательного
аппарата легче воздуха, проводились на вакуумной установке ВК 100 в
условиях вакуума, низких и высоких температур и солнечного излучения
(рисунок 1).
2
ВУКЛ
-600
КПЖ
-30
3
4
1
8
ВК-100
ОС-80
образцы
НОРД
-250
термопары
дистилированная
вода
5
6
7
Рисунок 1. Схема вакуумной установки
1 – имитатор солнца ОС-80; 2 - выпрямитель ВУКЛ-600; 3 – вакуумная камера
ВК-100; 4 – электрозарядный насос НОРД-250; 5, 6 – цеолитовые насосы
ЦВА-1-2; 7 – водоструйный насос ВВН-2; 8 – вакуумный затвор шиберный
КШЭ-100
Схема установки, показанная на рисунке 1,. имела следующие
технические данные: объем камеры – 120 л; облучаемая солнечным
излучением площадь - 120120 мм; удельная мощность солнечного
излучения – 0,4  4,0 кВт/м2; вакуум в камере – 5.10-5мм рт.ст.; быстрота
откачки – 250 л/с; температурный режим образцов от –1200 до +1300С;
потребляемая мощность - 7 кВт; расход охлаждающей воды – 500 л/час;
расход жидкого азота – 10 л/час; габаритные размеры – ширина – 2 м, длина
– 3 м, высота –2 м.
Экспериментальная установка состояла из: вакуумной камеры;
электроразрядного насоса НОРД–250; цеолитового насоса ЦВА–1-2;
вакууметра ВИТ–2; прибора жидкого кислорода КПЖ–30; блока питания
БП–150; имитатора солнечного излучения ОС–80; выпрямительного
устройства ВУКЛ–6000; системы измерения температур ЭПМ–09М.
Исследовали образцы композиционных материалов полученных на
основе лавсановой ткани при различном соотношении полимеров Ф-100, Ф2М и др.
Условия
проведения
испытаний
соответствовали
условиям
эксплуатации образцов на высоте 10-30 км от поверхности земли: вакуум 15.10-2 мм рт.ст.; циклические температуры: в тени - -500С /12 часов/, на
солнце - +130 0С /12 часов/; интенсивность солнечного излучения – 1400
Вт/м2; длительность выдержки образцов – 600 часов.
Методика проведения испытаний состоит в следующем:
1. Образцы закреплялись в вакуумной камере на специальном держателе
/по 4 образца/
2. Держатель образцов через тепловое сопротивление соединялся с
емкостью, в которую через трубопроводы и гермопроходники поступал
жидкий азот от прибора КПЖ–30.
3. Температура держателя образцов изменялась платиновым термометром
сопротивления ИС–545А и электронным мостом. ЭПМ–09М.
4. Величина теплового сопротивления подбиралась экспериментально,
таким образом, чтобы при температуре азотной емкости, близкой к
температуре жидкого азота, температура держателя образцов при
отключенном имитаторе солнца ОС-80 составляет – 500С.
5. Интенсивность излучения имитатора солнца измерялась эталонным
приемником ПП-1, аттестованным во ВНИИОФИ /ГОССТАНДАРТ/.
6. Режим испытаний: 12 часов – обучение, 12 часов – тень. Общая
длительность испытаний каждого образца – 600 часов.
7. До и после испытаний проводились измерения оптических
характеристик образцов.
Результаты испытаний устойчивости материалов к воздействию
ультрафиолетового излучения свидетельствуют, что наиболее устойчивыми
являются полимеры Ф-100, Ф-2М и ПЭТФ, в которых визуально не
обнаружено изменений. Анализ ИК-спектров этих образцов до и после
облучения, показал, что серьезных изменений в структуре макромолекул за
время стандартных испытаний не произошло.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РАДИАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ
Расчет температурного режима летательного аппарата сводится к
решению двух уравнений:
dТ
T  Tr

 Qвп  Qпот
d
R
dTr T  Tr
mCp

 As FS  As Fqоот  ЕП Fqпп  FEПТr 4
d
R
mCp
где
Tr – температура радиационной поверхности, 0К;
(1)
(2)
Т – средняя температура аппаратуры, обеспечивающая условия ее
работы, 0К;
R – общие тепловые сопротивления между аппаратом и радиационной
поверхностью летательного аппарата, м2град/Вт;
Qвн – мощность внутренних источников тепла, Вт;
Qпот – мощность тепловых потерь летательного аппарата, Вт;
 - время, с;
Ср – эффективная средняя теплоемкость, Дж/кг град;
m – масса, кг;
 - постоянная Стефена-Больцмана, Вт/м2град4;
F – площадь поверхности, м2;
S – удельный поток тепла от солнечного излучения, Вт/м2;
qотр и qпл – удельные потоки тепла от отраженния солнечного излучения
и собственного излучения, Вт/м2;
As – поглощательная способность солнечной радиации;
Eп – полная нормальная степень черноты материала.
Для решения уравнений (1) и (2), определяющих зависимость значений
температур Т и Тr от времени, необходимо знать величины As и Eп для
материалов оболочки летательного аппарата. Изменяя отношение As/Eп,
можно обеспечить широкий диапазон равновесной температуры поверхности
летательного аппарата.
Измерение тепловых радиационных характеристик материалов As и Eп
осуществлялось экспериментально согласно отраслевым стандартам.
Измерение As проводилось при помощи накладного фотометра ФМ-59
МНТМ-85, снабженными комплектами образцов - сравнения. Отражение от
измеряемой поверхности сравнивается с отражением от образца-сравнения.
На основании измерения отражательной способности солнечной радиации
(Rs) значения As вычисляется по формуле: As = IRs .
Фотометры ТМ-85 и ФМ-59 позволяют измерять интегральный
коэффициент отражения Rs в спектральном диапазоне 0,29-2,5 мкм, что
позволяет охватить  96 % энергии солнечной радиации вне пределов земной
атмосферы. При этих измерениях учитывается весь отраженный объектом
поток, независимо от его пространственного распределения.
Измерение Eп осуществлялось терморадиометрами ФМ-63, ФМ-58,
ТИС, ТРМ путем сравнения излучения непрозрачного в области спектра
чувствительности терморадиометра участка измеряемой поверхности с
излучением марки черноты, при одной и той же температуре. Спектральный
диапазон терморадиометра ТИС «И» равен 4-40 мкм. В качестве марки
черноты применялась поливинилхлоредная электроизоляционная лента ПВЗ
75 (ГОСТ 16214-70) или специальная краска, содержащая сажу, жидкое
стекло и спирт (ГОСТ 24104-80).
Величина As для исследуемых материалов изменялись от 0,14- до 0,23,
а Eп – в диапазоне 0,1-0,54.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные исследования тепловых радиационных характеристик
материалов установили, что наиболее устойчивыми к воздействию
ультрафиолетового излучения являются полимеры Ф-100, Ф-2М и ПЭТФ, в
которых визуально не обнаружено изменений. Анализ ИК-спектров этих
образцов до и после облучения показал, что серьезных изменений в
структуре макромолекул не произошло.
Полученные для этих материалов соотношения As/Eп позволяют
обеспечить минимальные колебания равновесной температуры оболочки при
изменении ее освещенности солнцем в зависимости от времени суток.
ЛИТЕРАТУРА:
1. 1.Кондратьев К.Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. М., Высшая
школа, 1987.
2. 2. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. М., Наука,
1984.