Л и т е р а т у р а
1. Ржевская С. В. Материаловедение. М.: Логос, 2004.
2. Parker W. J. e. a. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity // J. Appl. Phys. 1961. V. 32. P. 1675—1684.
3. Кузнецов Г. В., Кац М. Д. Погрешности определения теплофизических характеристик полупрозрачных материалов импульсным методом // Измерительная техника. 2012. № 9. С. 43—45; Kuznetsov G. V., Katz M. D. The errors in determining the thermal characteristics of semitransparent materials by a pulse method // Measurement Techniques. 2012. V. 55. N. 9. P. 1057—1060.
4. Кузнецов Г. В., Кац М. Д. Погрешности определения теплофизических характеристик оптического кварцевого стекла импульсным методом // Вестн. Воронеж. гос. ун-та. 2012. № 2. С. 49—52.
5. Васильев Л. Л., Танаева С. А. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск: Наука и техника, 1971.
6. Нарва В. К., Вин Т. Технология и свойства пористых проницаемых материалов на основе алюминия // Известия вузов. Цветные металлы. 2007. № 1. С. 70—73.
7. Яворский Б. М. Справочник по физике. М.: Наука, 1979.
8. Шелудяк Ю. Е. и др. Теплофизические свойства компонентов горючих систем: Справ. пособие. М.: НПО «Информ ТЭИ», 1992.
9. Самарский А. А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983.
10. Кузнецов Г. В., Шеремет М. А. Математическое моделирование сложного теплопереноса в замкнутой прямоугольной области // Теплофизика и аэродинамика. 2009. Т. 16. № 1. С. 123—133.
11. Чанг К., Хауэс Ф. Нелинейные сингулярно возмущенные краевые задачи. Теория и приложения. М.: Мир, 1988.
12. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., Таратушкина Г. В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. № 1. С. 78—85.
13. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. 3D problem of heat and mass transfer at the ignition of a combustible liquid by a heater metal particle // J. Engin. Thermophys. 2009. V. 18. N. 1. P. 72—79.
14. Абильсиинов Г. А. Технологические лазеры: справочник Т. 1. М.: Машиностроение, 1991.
15. Юренев В. Н., Лебедев П. Д. Теплотехнический справочник. Т. 2. М.: Энергия, 1976.
16. Новицкий Л. А, Степанов Б. М. Оптические свойства материалов при низких температурах: справочник. М.: Машиностроение, 1980.
Дата поступления 21.11.2014 г.
621.421.37
Экспериментальное исследование упругих динамических характеристик модели ампулы для космической транспортировки радиоактивных отходов при повышенных температурах
А. В. ОНУФРИЕВ, С. Н. ДМИТРИЕВ, И. Н. АЛИЕВ, В. В ОНУФРИЕВ
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана,
Москва, Россия, e-mail: onufryev@bmstu.ru
Исследованы упругие динамические характеристики экспериментальной физической модели ампулы для космической транспортировки радиоактивных отходов в режиме самодоставки, т. е. когда отходы являются первичным источником энергии. Для исследования характеристик модели ампулы создан экспериментальный комплекс, разработана методика исследования как холодного, так и теплонапряженного состояний ампулы. Получены амплитудно-частотные характеристики модели ампулы для различных температурных режимов.
Ключевые слова: космическая транспортировка, радиоактивные отходы, упругие динамические характеристики, вибрационные нагрузки, гармоническое воздействие.
The experimental study of elastic dynamic characteristics of physical model of ampoule for space transportation of radioactive wastes in the «self-delivery» mode when the radioactive wastes are a primary energy source is described. For experimental study of the elastic dynamics characteristics of ampoule the experimental complex was created and the procedure of study of cold and heat-stressed state of the ampoule is developed. The amplitude frequency characteristics of experimental physical model of the ampoule for various temperature modes were received.
Key words: space transportation, radioactive waste, elastic dynamics characteristics, vibration load, harmonic action.
Вопросам космического удаления радиоактивных отходов (РАО) в настоящее время уделяется много внимания [1—3]. Проблема охватывает методики проектирования кос-
мического аппарата (КА), конструктивно-компоновочную и конструктивно-силовую схемы, механические и динамические характеристики как аппарата в целом, так и его узлов и
агрегатов. Особое место отводится исследованию режима, в котором РАО выступают в роли первичного источника энергии, обеспечивающей транспортные операции в космосе (режим самодоставки) [4—5]. Энергия радиоактивного распада преобразовывается в электрическую и передается на электроракетную двигательную установку КА. В этом случае температурный режим ампулы с РАО (как источника энергии) определяет эффективность конструкции не только с точки зрения КПД, но и с точки зрения ее механических и динамических характеристик (термопрочность, спектр колебаний и формы частот), существенно влияющих на конструкцию всего КА. Таким образом, исследование упругих динамических характеристик (УДХ) ампулы с РАО при повышенных температурах становится новой актуальной задачей при проектировании КА.
Экспериментальный комплекс для исследования модели ампулы в холодном и теплонапряженном состояниях. Для исследования УДХ холодного (температура стенки ампулы 293 К) и теплонапряженного (373—503 К) состояний ампулы с РАО разработан динамический стенд (рис. 1) с различным диагностическим оборудованием.
Динамический стенд состоит из: системы управления вибрационными нагрузками Signal Star Vector II [6], включающей персональный компьютер (ПК) с установленным на нем программным обеспечением ABAQUS, генератор и аппаратуру обработки сигнала; усилителя сигнала; набора измерительных и задающих датчиков; электродинамического силовозбудителя марки GW-V55/PA300E и системы его охлаждения; блока аварийной остановки.
Стенд позволяет проводить экспериментальное исследование на гармоническое воздействие с максимальной возбуждающей силой 310 Н в диапазоне частот 20—8000 Гц. Масса электродинамического силовозбудителя 42,7 кг. Созданный стенд позволяет исследовать УДХ как холодного состояния (без учета тепловых нагрузок) модели ампулы, так и ее теплонапряженного состояния.
Для исследования УДХ теплонапряженного состояния модели ампулы использовали следующее диагностическое оборудование: приборы DT-838 Digital Multimeter, позволяющие регистрировать и обрабатывать информацию о тепловом состоянии модели посредством термопар, находящихся на ее внешней поверхности. Сигнал с измерительного датчика обрабатывали с помощью системы управления вибрационными нагрузками. Также информацию о тепловом состоянии модели можно получить с помощью пирометров и высокотемпературных термометров [7, 8].
В качестве модельного источника тепловыделения РАО использовали протяженный (1500 мм) нагревательный элемент, размещенный внутри физической модели ампулы. Нагревательный элемент создавал тепловую нагрузку модели от 0 до 1 кВт посредством лабораторного автотрансформатора (ЛАТР).
Для поддержания рабочей температуры и работоспособности при высокотемпературных исследованиях в состав стенда входит система охлаждения измерительных датчи-
Рис. 1. Динамический стенд с различным измерительным оборудованием для исследования упругих динамических характеристик физической модели ампулы
ков и штока электродинамического силовозбудителя, предназначенного для передачи нагрузки от силовозбудителя к модели ампулы.
Методика исследования упругих динамических характеристик холодного и теплонапряженного состояний модели ампулы. Физическую модель ампулы, представляющую собой цилиндрическую трубу длиной 1,2 м со стенкой толщиной 3 мм, вывешивали горизонтально на амортизаторах. Подвеска осуществлялась на расстоянии 300 мм от торцов модели в местах крепления к амортизаторам длиной 870 мм. Жесткостные характеристики амортизаторов подбирали из условия отсутствия жесткой заделки в местах крепления модели. Для контроля теплового состояния в процессе экспериментального исследования модель содержала 2 термопары — одну в центре, вторую — на расстоянии 80 мм от торца. Еще две термопары из того же материала устанавливали на штоке силовозбудителя и измерительном датчике, их сигнал позволял контролировать тепловое состояние и работоспособность датчика и силовозбудителя. Измерительный датчик располагался в центре модели ампулы, а задающий — на подвижной части электродинамического силовозбудителя. Для обеспечения требуемого температурного режима измерительный датчик в процессе высокотемпературного эксперимента был установлен на модели ампулы с помощью четырехслойного полукольца, состоящего из двух слоев фторопласта и двух слоев асбестовой ткани, находящейся между ними. Такой способ крепления датчика ускорений позволил создать термосопротивление между датчиком и внешней стенкой модели ампулы при исследовании УДХ теплонапряженного состояния последней и обеспечил температуру датчика порядка 22—25 °С. Термопары выполнены из материала хромель-алюмель, обеспечивающего корректные результаты в диапазоне изменений температур стенки модели 20—230 °С (293—503 К).
При исследовании УДХ теплонапряженного состояния ампулы электродинамический силовозбудитель прикрывали асботекстолитовой тканью для снижения теплового потока, приходящего от модели, а для охлаждения датчика ускорений дополнительно использовали вентилятор. Шток электродинамического силовозбудителя охлаждали посредством фитиля (масса около 5 г) с водой, который располагался вблизи места крепления штока с моделью.
Х а р а к т е р и с т и к и э л е к т р о д и н а м и ч е с к о г о с и л о в о з б у д и т е л я GW-V55/PA300E
Максимальная сила (гармоническое воздействие)........310 Н
Максимальная сила (широкополосное случайное
воздействие).................................... 110 Н
Максимальное ускорение (гармоническое воздействие) . . . 63 м/с2
Присоединенная масса............................... 0,5 кг
Частотный диапазон............................ 0—8000 Гц
Масса электродинамического силовозбудителя.......... 42,7 кг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.