СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И ФОРМЫ КОНЦЕНТРАТОРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИИ РДТТ Российский патент 2000 года по МПК G01N25/72 

Изобретение относится к технике контроля и технической диагностики напряженно-деформированного состояния ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ).

Известен способ измерения механических напряжений в конструкции РДТТ в процессе его работы с помощью тензометрических датчиков, устанавливаемых на наружной поверхности корпуса двигателя и подключаемых посредством кабельных линий через тензостанцию к регистрирующему устройству [1]. Способ отличается трудоемкостью и сложностью в реализации, не позволяет установить форму и надежно определить местоположение концентраторов механических напряжений в конструкции РДТТ из-за ограниченного количества тензодатчиков, расстояния между которыми могут достигать нескольких десятков сантиметров.

Наиболее близким к заявляемому является тепловой метод контроля механических напряжений в изделиях (принят за прототип), основанный на термоупругом эффекте и заключающийся в создании при соблюдении адиабатических условий циклических механических напряжений в конструкционном материале изделия с одновременным сканированием и регистрацией потоков собственного теплового излучения элементов поверхности изделия, определении по термограмме изменения Δφ потока излучения любого элемента поверхности с последующим вычислением суммы механических напряжений Δσ для этого элемента по формуле

где B - постоянная Стефана-Больцмана ε - - коэффициент излучения поверхности, Т - среднее значение температуры интересующего элемента поверхности, К_m - термоупругая постоянная материала изделия. По термограмме может быть также определено для любого элемента у поверхности колеблющегося изделия изменение температуры ΔT, а по нему значение Δσ из формулы

Циклические механические напряжения в материале изделия создают с помощью вибраторов (пьезоэлектрических, электродинамических и др.). Для получения термограммы поверхности колеблющегося изделия используют быстродействующие тепловизионные сканирующие устройства [2].

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением, включают одновременное с созданием в конструкционном материале корпуса РДТТ механических напряжений сканирование и регистрацию потоков собственного теплового излучения элементов поверхности корпуса в адиабатических условиях.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в низкой информативности о напряженно-деформированном состоянии РДТТ, т.к. при больших габаритах и массивной конструкции РДТТ создаваемые с помощью вибратора механические воздействия оказываются неодинаковыми даже для симметрично расположенных относительно оси элементов конструкции корпуса, а возникающие в них механические напряжения составляют всего несколько процентов от расчетных рабочих. Вследствие низкой интенсивности потоков собственного теплового излучения на термограмме трудно выявить по неоднородности зарегистрированного термического (температурного) поля места расположения и форму концентраторов механических напряжений.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, решаемая изобретением, - повышение достоверности информации о напряженно-деформированном состоянии РДТТ за счет более точного определения местоположения и формы концентраторов механических напряжений в конструкции двигателя.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения местоположения и формы концентраторов механических напряжений в конструкции РДТТ путем сканирования и регистрации в адиабатических условиях потоков собственного теплового излучения элементов поверхности корпуса РДТТ, сканирование и регистрацию потоков осуществляют в момент срабатывания электровоспламенителя заряда твердого топлива и по неоднородности зарегистрированного термического поля поверхности корпуса РДТТ выявляют местоположение и форму концентраторов механических напряжений.

В момент срабатывания электровоспламенителя заряда твердого топлива создается кратковременный импульс давления с амплитудой, составляющей 80-100% от значения рабочего давления в камере сгорания двигателя, что приводит к скачкообразному увеличению механических напряжений в конструкционном материале корпуса РДТТ и, следовательно, к скачкообразному возрастанию интенсивности собственного теплового излучения поверхности корпуса. При этом возрастает яркость, а при наличии концентраторов и контрастность термограммы. Возросшая неоднородность термограммы облегчает выявление местоположения и формы концентраторов механических напряжений.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

В конструкции РДТТ за счет срабатывания электровоспламенителя заряда твердого топлива создавали кратковременный импульс давления с амплитудой, составляющей 80% от значения рабочего давления в камере сгорания двигателя.

Для анализа термического (температурного) поля конструкции РДТТ использовали быстродействующий тепловизор. Перед проведением испытаний приемная камера тепловизора визировалась на объект измерения. Входящий в комплект тепловизора компьютер (или магнитное записывающие устройство) по сигналу, синхронизированному с сигналом, подаваемым на электровоспламенитель с пульта управления, осуществлял запись видеосигнала в момент срабатывания электровоспламенителя.

В качестве быстродействующего тепловизора использовали тепловизор фирмы AGEMa "Thermovision". Он имеет температурное разрешение 0,07^oC частоту кадров 25 в секунду и может измерять с высокой точностью температуру в диапазоне от -20^oC до +1500^oC, обеспечивая получение термограмм высокого качества. При объединении тепловизора с компьютерной системой TIC, разработанной на основе ПК IBM PC, достигается возможность обработки тепловых изображений. Входящий в комплект тепловизора цветной компьютер позволяет записывать цветные изображения [3].

Возникший в конструкции РДТТ при срабатывании электровоспламенителя импульс механического напряжения малой длительности и большой амплитуды обеспечивает выполнение адиабатических условий и позволяет в несколько раз увеличить значения изменений механических напряжений и соответствующих им изменений температуры элементов поверхности корпуса РДТТ. Полученные при этом на экране тепловизора термограммы имеют участки повышенной и пониженной яркости по отношению к общему фону. Участки повышенной яркости соответствуют концентраторам механических напряжений сжатия, а участки пониженной яркости - концентраторам механических напряжений растяжения.

Температурное разрешение используемого тепловизора не позволяет выявить концентраторы механических напряжений при нагружении громоздких и массивных изделий с помощью вибраторов. Получаемые при этом механические напряжения в случае выполнения конструкции массивного изделия из, например, углеродистой стали составляют всего одну-две единицы кгс/мм², что вызывает соответствующее изменение температуры 0,01...0,02^oC, которое значительно меньше температурного разрешения 0,07^oC тепловизора "Thermovision 870". Даже если на каких-то участках изделия механические напряжения в два-три раза превысят указанные выше значения, то они также вызовут изменения температуры, меньшие температурного разрешения. Следовательно, в обоих случаях контраст термограммы будет одинаков и концентраторы механических напряжений не будут выявлены.

Источники информации:
1. В. А. Володин. Конструкция и проектирование ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1971
2. Бекешко Н.А., Ковалев А.В. Новые методы, средства и применения теплового неразрушающего контроля // Измерения, контроль, автоматизация: Науч.- техн.сб.обзоров./ЦНИИТЭИ приборостроения. -М., 1990, N 1.

3. Нисимура Масао, Икэдзава Митиси, Судзуки Ясухиро. Измерение распределения механических напряжений с использованием инфракрасного излучения. "Нихон кайдзи кекай кайси, Trans. Nippon.Kaiyi Kyokai", 1984, N 187, с. 134-146.

Изобретение относится к технике контроля и технической диагностики напряженно-деформированного состояния ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ). Способ заключается в сканировании и регистрации в адиабатических условиях потоков собственного теплового излучения элементов поверхности корпуса РДТТ. Сканирование и регистрацию осуществляют в момент срабатывания электровоспламенителя заряда твердого топлива и по неоднородности зарегистрированного термического поля поверхности корпуса РДТТ выявляют местоположение и форму концентраторов механических напряжений. Технический результат - повышение достоверности информации.

Способ определения местоположения и формы концентраторов механических напряжений в конструкции РДТТ путем сканирования и регистрации в адиабатических условиях потоков собственного теплового излучения элементов поверхности корпуса РДТТ, отличающийся тем, что сканирование и регистрацию потоков собственного излучения осуществляют в момент срабатывания электровоспламенителя заряда твердого топлива и по неоднородности зарегистрированного термического поля поверхности корпуса РДТТ выявляют местоположение и форму концентраторов механических напряжений.