Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов - Афанасьев В.А.
ISBN 5-7035-0318-3
Скачать (прямая ссылка):
Процесс теплопередачи при соприкосновении двух тел, поверх-ности которых имеют реальную шероховатость, носит совершенно другой характер. Контакт в этом случае является неполным, и в зоне контакта возникает определенный температурный скачок Лґк.
Температурный скачок указывает на определенное термическое сопротивление в зоне контакта, которое может быть выражено формулой
На рис 2.93,а и б приведены примеры двух возможных случаев распределения температур с учетом контактных сопротивлений, всегда создающих температурный скачок.
Зона контакта имеет сравнительно небольшую толщину, и ее теп-лофизические свойства отличаются от свойств материалов контактирующих тел. Поэтому зону контакта можно условно представить в виде дополнительной стенки с особыми свойствами, по толщине которой происходит температурный перепад, равный температурному скачку (рис 2.94).
Если принять, что дополнительная стенка (зона контакта) в случае одноименной контактной пары должна иметь ту же теплопроводность, что и соприкасающиеся тела, то ее толщину можно определить из следующего соотношения:
г
Рис 2.92. Контактирование двух твердых поверхностей: 1 - номинальная площадь; 2 - контурная площадь; 3 - фактическая площадь контакта
бі 62 63
откуда
204
Так как через зону контакта в единицу времени проходит такое же количество теплоты, как и через соприкасающиеся тела, то, задавшись определенной толщиной дополнительной стенки, можно определить ее теплопроводность:
Ч'-Н" Д*к , ъ'-'з"
3
откуда
или
Л . Ч' - Ч" Ь2«_*3~*?_
*2
*2 = Я
Многочисленные исследования контактного теплообмена показали, что на теплопроводные свойства зоны контакта оказывают влияние два компонента: твердая часть контактирующих тел и газообразная
205
среда, заполняющая промежутки между неровностями поверхностей. Поэтому в действительности процесс распространения теплоты осуществляется за счет теплопроводности по контактирующим поверхностям, конвекции и теплового излучения. Такой сложный теплообмен через зону контакта обусловливает значительное сопротивление.
Электронный нагрев основан на принципе преобразования в теплоту энергии пучка ускоренных в электрическом поле электронов при встрече пучка с поверхностью исследуемого образца. Этот метод нагрева позволяет достаточно хорошо моделировать взаимодействие материала гиперзвуковых и воздушно-космических ЛА с частицами при входе в плотные слои атмосферы. Плотность тепловых потоков при этом методе нагрева достигает значений ц - 105 кВт/м2. Электронный нагрев позволяет контролировать тепловыделение в образце по значению электронного тока, что особенно важно при исследованиях теплофизических и термопрочностных характеристик материала.
Электронный нагрев осуществляется либо посредством создания термоэлектронного тока между нагретым катодом и образцом-анодом (метод электронной бомбардировки), либо посылкой на образец пучка электронов, сформированного вне зоны нагрева (электронно-лучевой нагрев).
Первый метод конструктивно более прост, однако может использоваться только в случае электропроводных образцов и требует наличия катода с высоким потенциалом в непосредственной близости от образца, чтобы нагреваемый образец находился в электрическом поле нагревателя.
Второй метод существенно сложнее, поскольку для формирования электронного луча требуется наличие катода специальной формы, элементов формирования и фокусирования электронного луча. При использовании таких установок (электронных пушек) источник электронов и ускоряющий электроны электрод могут быть удалены на значительное расстояние от образца и образовывать практически автономную систему.
В настоящее время существуют электронные пушки, работающие по следующим принципиальным схемам: аксиальная электронно-лучевая пушка, радиальная система, или многопушечный электронный излучатель, магнетронная электронно-лучевая пушка.
Аксиальная электронно-лучевая пушка (рис. 2.95) является наиболее распространенной системой. Она представляет собой двухэлект-родный излучатель с термоэмиссионным катодом. В зависимости от мощности пушки используются либо прямоканальные катоды (для малых мощностей), либо катодный блок с косвенным подогревом (ДЛЯ больших мощностей).
После прохождения через анодное отверстие электронный луч фокусируется магнитными линзами. В большинстве конструкций приме-
206
няются электромагнитные системы управления и развертки луча. Для устойчивой работы пушки рабочий вакуум в анодно-катодной камере должен поддерживаться в пределах 1,33 102 Па. Для стабилизации разрежения анодно-катодная камера соединяется с рабочей камерой, где находится объект, нагреваемый через лучепровод, имеющий достаточно высокое вакуумное сопротивление, а в некоторых случаях используются одна или две ступени промежуточной откачки.
Рис. 2.95. Схема аксиальной электронно-лучевой пушки: I - анодно-катодная камера; 2 - вспомогательный катод; 3 - рабочий катод; 4 - фокусирующий элект род; 5 - анод; 6,7 - магнитные линзы; 8 - система отклонения и развертки луча
Радиальная система (рис. 2.96) состоит из многопушечной композиции, включающей от 6 до 12 «элементарных пушек» — катодов. Каждая из них представляет собой плоскосимметричный электронный излучатель с линейным катодом прямого накала (рис. 2.97). Такой многопушечный блок с кольцевым расположением пушек устанавливается над испытуемым образцом соосно с ним. Для более устойчивой работы системы и ее фокусировки вводится магнитное или электростатическое отклонение пучка.
