Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Стержневые конструкции из полимерных композиционных материалов (КМ) нашли широкое применение в космической технике. Они являются неотъемлемой частью рефлекторов развертываемых спутниковых антенн, солнечных парусов и телескопов, силовых платформ, узлов креплений прецизионных приборов, манипуляторов и т. д. [1–3]. Силовые элементы в виде полых стержней должны обеспечить стабильность формы и размеров космических конструкций в условиях периодического одностороннего нагрева от Солнца и Земли. Например, эксплуатационные перемещения трубы каркаса радиотелескопа «Астрон» не должны превышать 180 мкм, а штанги поворотного устройства спутника «Кондор» длиной 2,5 м — 195 мкм [4, 5].
Высокие требования к размерной стабильности силовых космических конструкций невозможно обеспечить без современных методов численного моделирования в пакете прикладных программ. Слабое звено теоретических расчетов – достоверные исходные данные по коэффициенту теплопроводности в направлении максимальных температурных перепадов. Ввиду малой термической толщины композитных элементов стержневых космических конструкций перепады температур в радиальном направлении малы и роль теплопроводности в их формировании невелика. При неравномерном нагреве поверхности температурные перепады значительно сильнее зависят от коэффициента теплопроводности в продольном и окружном направлениях.
Современные методы и средства определения коэффициента теплопроводности ориентированы на использование стандартных малоразмерных образцов в виде круглой или прямоугольной пластины [6]. Изготовление таких образцов из стержневых элементов приведет к нарушению структуры или разрушению композиционного материала.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработаны методики определения коэффициента теплопроводности в направлении продольной оси (в плоскости армирования) тонкостенных или сплошных стержней из КМ на установках контактного нагрева [7].
В настоящей работе предложена методика определения коэффициента теплопроводности КМ в окружном направлении полого стержня из КМ, основанная на методе контактного нагрева. Методика позволяет восполнять недостающие данные о коэффициенте теплопроводности в окружном направлении стержней из КМ с использованием результатов обработки экспериментальных данных, полученных при испытаниях элементов натурных космических конструкций в виде длинных полых стержней, на основе решения обратной задачи теплопроводности. В качестве экспериментальных образцов могут использоваться тонкостенные стержни с l / d > 10, d / δ > 10, l = 200...400 мм, δ = 0,5...5 мм, где l, d, δ — соответственно, продольный, поперечный размеры и толщина стержня.
Образец представлял собой цилиндрический стержень из углепластика диаметром d = 28 мм, длиной l = 300 мм и толщиной стенки δ = 1 мм. Для обеспечения электроизоляции вдоль продольной оси стержня наклеивалось два слоя полиимидного термостойкого скотча шириной 15 мм, между которыми устанавливалась термопара типа ХА диаметром 0,2 мм. Спай термопары располагался на расстоянии, равноудаленном от торцов стержня. В качестве нагревательного элемента использовалась углеродная лента ЛТ-2-22 производства компании «М-Карбо» шириной 15 мм и удельным сопротивлением 21,33 Ом. Лента крепилась поверх полиимидного скотча с помощью силикатного клея.
Для измерения температуры в окружном направлении стержня устанавливались три термопары типа ХА с диаметром спая 0,2 мм с координатами 35°, 90° и 180° от вертикальной оси симметрии образца. Термоэлектроды выводились вдоль продольной оси стержня и выводились на устройство сопряжения для автоматической регистрации данных эксперимента ТРМ-138. Использовался источник питания HY3000-2 c возможностью регулировки выходного напряжения и тока.
Для уменьшения влияния естественной конвекции образец устанавливался в камере спокойного воздуха в горизонтальном положении таким образом, что нагреватель находился сверху стержня. Датчики опрашивались с частотой 1 с. Время нагрева составляло от 600 до 900 с.
Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) в экстремальной постановке. Считалось, что контакт между углеродной лентой и поверхностью образца идеальный. На поверхности контактамежду нагревателем и образцом задавалось граничное условие 1-го рода, при этом использовалось экспериментально измеренное значение температуры нагревателя Tн. Принималось, что на наружной поверхности и во внутренней полости стержня развивалась естественная конвекция с коэффициентом теплоотдачи αf и температурой окружающей среды Tf. Также учитывался отвод теплоты излучением с поверхности образца.
Постановка ОЗТ предусматривала определение коэффициента теплопроводности материала, доставляющего минимум функционалу невязки экспериментальных и расчетных значений температур в соответствующих точках образца. Практическая реализация алгоритма минимизации функционала реализована в программе COMSOL Multiphysics. Коэффициенты теплоотдачи на наружной поверхности и во внутренней полости стержня вычислялись автоматически с помощью критериальных зависимостей, заложенных в специальном модуле программы COMSOL Multiphysics.
