ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H05B3/00 

Известен высокотемпературный нагреватель [Баранов А.Н. Теплопрочностные испытания летательных аппаратов // Труды ЦАГИ, 1999, вып.2638, с.93-96] для испытаний ЛА с графитовым тепловыделяющим пластинчатым токопроводником "П"-образной формы, экраном из волокнистой теплоизоляции и токоподводами. "П" -образный токопроводник - составной. Тонкие графитовые пластины стыкуются по длине массивными графитовыми стыковочными элементами и массивной графитовой перемычкой. В результате в местах стыков образуются температурные неравномерности и температурные напряжения. Наличие большого количества стыков уменьшает надежность нагревателя. Максимальная температура такого нагревателя (2000÷2200)К, максимальный удельный тепловой поток ~400 кВт/м². Нагреватель применялся для теплопрочностных испытаний ЛА «Бор». Для обеспечения нагрева кромок крыла до 1900К его возможностей уже недостаточно.

Известен высокотемпературный нагреватель [Beesly W. - Space Shuttle entry thermal testing techniques - AIAA/IES/ASTM 10^th Space Simulation Conference, Bethesda, Md/Oct. 16-18, 1978 // Обзор ОНТИ ЦАГИ, 1982, №611, с.97-99] для испытаний ЛА с графитовым тепловыделяющим пластинчатым токопроводником в виде меандра (змейки), образованного тупиковыми прорезями со скругленными углами, экраном из волокнистой теплоизоляции и неподвижными токоподводами. Нагреватель применялся для теплопрочностных испытаний теплозащиты носового обтекателя ЛА «Спэйс Шаттл». Максимальная температура нагревателя и темп его нагрева ограничены плотностями тока, который можно пропустить через него, из-за температурных неравномерностей на участках наибольшей кривизны меандра (углах тупиковых прорезей), вызывающих опасные температурные напряжения. Скругление углов уменьшает эти неравномерности, но лишь частично. Увеличивает эти напряжения и отсутствие компенсации тепловых расширений тепловыделяющего токопроводника в направлении, соединяющем токоподводы, из-за их неподвижности. Ограничивает максимальную температуру нагревателя, которая не превышает 2200 К, и экран из волокнистой теплоизоляции. Из-за инерционности нагревателя его разогревают заранее до 811 К, а уже потом подводят к нему объект испытаний.

Целью изобретения является максимальное приближение условий испытаний ЛА к натурным посредством увеличения температурного диапазона и уменьшения инерционности нагревателей, а также повышения надежности нагревателей. Для графитовых нагревателей это в первую очередь определяется возможностью увеличения плотности тока через участки наибольшей кривизны тепловыделяющего токопроводника.

Это достигается тем, что тепловыделяющий токопроводник имеет дополнительные продольные прорези, образующие несколько параллельных токопроводников. Продольные прорези располагаются на участках наибольшей кривизны меандра. Количество, длины и площади поперечных сечений параллельных токопроводников определяются экспериментально. Один из токоподводов, к которым подсоединяются концы тепловыделяющего токопроводника, выполнен подвижным, а экран из волокнистой теплоизоляции имеет на поверхности дополнительный тонкий термостойкий переизлучающий экран, например, из графитовой фольги.

На чертеже представлена схема нагревателя. Нагреватель содержит пластинчатый тепловыделяющий токопроводник 1, подсоединенный концами к токоподводам 2 и 3, и экран из волокнистой теплоизоляции 4. Тепловыделяющий токопроводник имеет форму меандра (змейки), образованного тупиковыми прорезями 5 со скругленными углами 6. Токопроводник имеет дополнительные продольные прорези 7, образующие несколько параллельных токопроводников 8. Продольные прорези располагаются на участках 9 наибольшей кривизны меандра. На приведенном на чертеже нагревателе на каждом участке кривизны меандра выполнены по две прорези. Один из токоподводов 2 выполнен подвижным. Он может перемещаться в направлении линии, соединяющей токоподводы, и вращаться вдоль своей оси. На поверхности экрана из волокнистой теплоизоляции 4 лежит тонкий дополнительный экран 10 из тугоплавкого материала, например из графитовой фольги.

Нагреватель работает следующим образом.

При пропускании электрического тока через нагреватель происходит резистивный разогрев его тепловыделяющего токопроводника. На участках наибольшей кривизны, где обычно ток идет по наикратчайшему пути по наименьшему радиусу, приводя к местному перегреву и появлению больших температурных напряжений по сечению, теперь ток перераспределяется по нескольким токопроводникам, образованным дополнительными продольными прорезями. Путем эмпирического подбора количества дополнительных прорезей, т.е. количества параллельных токопроводников, их длины L и площадей поперечного сечения 11 обеспечивается более равномерное температурное поле и уменьшение напряжений. А именно, уменьшаются сжимающие напряжения на внутреннем радиусе кривизны меандра и растягивающие на внешнем. Для графита особенно опасны растягивающие напряжения, т.к. его прочность на растяжение в 3 раза меньше прочности на сжатие. Этому же способствует возможность перемещения конца тепловыделяющего токопроводника, соединенного с подвижным токоподводом 2, что предотвращает изгибающие нагрузки, вызванные расширением тепловыделяющего токопроводника вдоль линии, соединяющей токоподводы. Изгибающие нагрузки увеличивали бы вышеуказанные напряжения сжатия и расширения в местах наибольшей кривизны. Для приведенного на чертеже нагревателя опытным путем были подобраны по две дополнительные прорези на каждом участке кривизны тепловыделяющего токопроводника, длина и площади сечений образованных прорезями параллельных токопроводников. Это позволило сократить неравномерность температуры по сечению с 300 градусов до 100 градусов и довести плотность тока до 1000 А/см² (максимальная плотность тока, рекомендуемая для графита 100÷120 А/см². Электротермическое оборудование: Справочник / Под ред. А.П.Альтгаузена. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. с.157). Установка дополнительного тонкого термостойкого переизлучающего экрана позволяет довести его температуру почти до температуры нагревателя, увеличить его теплоотдачу и равномерность нагрева испытуемой конструкции. Максимальная температура самого тепловыделяющего токопроводника достигает 3000 К.

В результате нагреватель позволяет нагревать испытуемую конструкцию ЛА до 2500 К с темпом до 100 К/сек и приблизить условия испытаний к натурным.

Изобретение относится к области использования радиационного нагрева конструкций летательных аппаратов (ЛА) при стендовых испытаниях на прочность. Высокотемпературный нагреватель содержит пластинчатый тепловыделяющий токопроводник в форме меандра, образованного тупиковыми прорезями со скругленными углами, токоподводы и экран. Токопроводник имеет дополнительные продольные прорези, образующие несколько параллельных токопроводников. Продольные прорези располагаются на участках наибольшей кривизны меандра. Количество, длины и площади поперечных сечений параллельных токопроводников определяются эмпирически. Один из токоподводов выполнен подвижным, а на теплоизолирующий экран установлен дополнительный термостойкий экран. Таким образом, увеличивается температурный диапазон и уменьшается инерционность нагревателя и достигается большее приближение условий испытаний ЛА к натурным. 1 ил.

Высокотемпературный нагреватель, содержащий пластинчатый тепловыделяющий токопроводник в форме меандра, образованного тупиковыми прорезями со скругленными углами, токоподводы и теплоизолирующий экран, отличающийся тем, что тепловыделяющий токопроводник на участках наибольшей кривизны меандра имеет дополнительные продольные прорези, образующие несколько параллельных токопроводников, количество, длины и площади поперечных сечений которых определены эмпирически, один из токоподводов выполнен подвижным, а на теплоизолирующий экран установлен дополнительный термостойкий экран.