NANOSATELLITE BODY COMPOSITE MATERIAL THERMAL CONDUCTIVITY DETERMINATION COMPUTATIONAL AND THEORETICAL METHOD

S V Reznik; Резник С В; P V Prosuntsov; Просунцов П В; O V Denisov; Денисов О В; N M Petrov; Петров Н М; Vonheong Lee; Ли Вонхеонг

doi:10.22363/2312-8143-2017-18-3-345-352

РАСЧЕТНО-Э КСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА КОРПУСА НАНОСПУТНИКА

Авторы: Резник СВ¹, Просунцов ПВ¹, Денисов ОВ¹, Петров НМ¹, Ли В.¹
Учреждения:
1. Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
Выпуск: Том 18, № 3 (2017)
Страницы: 345-352
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/17334
DOI: https://doi.org/10.22363/2312-8143-2017-18-3-345-352

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

В данной работе представлена методика определения теплопроводности анизотропного композиционного материала (КМ) корпуса наноспутника на установке контактного нагрева. Приведено описание техники теплофизического эксперимента с образцами КМ в форме тонкостенных пластин - деталей корпуса наноспутника. Температурное состояние образцов измерялось бесконтактным методом с помощью тепловизора. Данные тепловизионных измерений использовались для определения теплопроводности КМ с помощью решения двумерной нелинейной обратной задачи теплопроводности (ОЗТ).

Ключевые слова

наноспутники, композиционные материалы, углепластик, анизотропия теплопроводности, математическое моделирование, тепловизионные измерения, обратная задача теплопроводности

Полный текст

Введение. В настоящее время большое внимание уделяется разработке малых космических аппаратов, в том числе микро-нано- и пикоспутников Земли [1-4]. Любые искусственные спутники Земли подвергаются тепловому воздействию прямого солнечного излучения, солнечного излучения, отраженного земной поверхностью и облачным слоем и собственного излучения Земли. Кроме того, бортовое оборудование выделяет теплоту. В состав бортового оборудования обычно входит аппаратура радиосвязи, блок управления с центральным процессором, системы стабилизации и ориентации, система энергопитания. Наибольшее количество теплоты выделяется при работе системы энергопитания. Суммарное количество теплоты, отведенное от аккумуляторов в процессе разряда, может достигать 140 Дж [5], в зависимости от степени разряда, а температура аккумулятора может превышать 50 °С [5]. Поскольку аппаратура наноспутника сохраняет свою работоспособность при температурах от -10 до +75 °С, то возникает необходимость в обеспечении заданного теплового режима. Особенность нано- и пикоспутников заключается в том, что использование в них сложной системы обеспечении теплового режима (СОТР) с вентиляторами, радиаторами, жидкостной системы охлаждения, тепловыми трубами затруднена в силу малого объема таких спутников. Одним из способов решения данной проблемы может быть применение материалов с высокой теплопроводностью в конструкции корпуса. Наиболее часто, корпус наноспутников изготовляется из алюминиевых сплавов, однако известно, что некоторые КМ, в частности углепластики, могут иметь теплопроводность соизмеримую с алюминием. Использование при создании КМ углеродных волокон на основе пекового прекурсора позволяет достичь значений теплопроводности, превосходящих алюминиевые сплавы [6]. При этом такие материалы имеют при меньшей плотности, более высокую удельную прочность и удельную жесткость. При тепловом проектировании тонкостенных конструкций корпуса, которые могут выступать как теплоотводящие элементы, необходимо располагать данными по теплопроводности в плоскости армирования. Теплопроводность в направлении, перпендикулярном плоскости армирования КМ, не столь важна для тонкостенных конструкций, так как в силу малого термического сопротивления перепады температур по толщине пренебрежимо малы. К сожалению, стандартные методы для определения теплопроводности в плоскости армирования КМ не годятся, что делает актуальным разработку методик, основанных на применении современных средств воспроизведения и контроля условий нагрева образцов материалов, средств измерения, регистрации и обработки экспериментальных данных. Цель настоящей работы заключалась в обеспечении проектных исследований наноспутников необходимыми данными по теплопроводности конструкционных КМ в плоскости армирования с помощью разработки и апробации новой расчетно-экспериментальной методики. 1. Особенности предлагаемой методики: а) экспериментальными образцами служат элементы натурных конструкций корпуса нано-пикоспутников в форме пластин из КМ с размерами сторон до 300×300 мм 2 , толщиной до 3 мм. Представительный характер образцов повышает степень достоверности результатов; б) меняющееся во времени температурное поле образцов формируется с помощью кругового контактного электрического нагревателя. Такой вариант локального нагрева выбран для применения в качестве средства тепловой диагностики - тепловизора. Он удобен для лабораторной практики и не требует специальных средств защиты персонала, которые нужны при испытаниях образцов материалов и элементов конструкций на стендах радиационного и конвективного нагрева [7]; в) динамика изменения температурного поля образца регистрируется с помощью тепловизора Fluke Ti-400, универсально пригодного для измерений температуры на горизонтальных и вертикальных поверхностях в интервале температур от -20 до 1200 °С. Бесконтактный метод измерения температуры имеет заметные преимущества перед контактными в первую очередь по объему получаемой информации. Кроме того, при использовании термопар, существенно повышается трудоемкость подготовки образцов к испытаниям. Близкое расположение контактных датчиков осложнено их взаимным тепловым влиянием, что, в свою очередь, препятствует получению детальной картины температурного распределения; г) обработка экспериментальных данных осуществляется с помощью программы решения нелинейной нестационарной коэффициентной обратной задачи теплопроводности в двумерной постановке [8-10]. Программа позволяет определить температурную зависимость теплопроводности в любых направлениях плоскости армирования в интервале от начальной до максимальной температуры, измеренной в эксперименте; д) достоверность расчетно-экспериментальных данных проверяется с помощью контрольных испытаний стандартных образцов свойств материалов (из материалов с паспортизованными во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева теплофизическими свойствами), таких, как полиметилметакрилат (оргстекло) и кварцевое стекло КВ [11]. 2. Экспериментальная установка. В состав экспериментальной установки (рис. 1) входит трубчатый электрический нагреватель ПЭВ-30 6, керамический корпус которого окружен теплоизоляционным материалом ТЗМК-10 для уменьшения влияния радиационного теплообмена между нагревателем и образцом. Теплота от нагревателя к образцу передается с помощью соосного стержневого элемента из латуни, имеющего в зоне контакта с образцом диаметр 20 мм. Нагреватель крепится к основанию 7 с помощью болтового соединения. Во избежание возникновения воздушной прослойки и для улучшения контакта нагревателя с образцом между ними наносится слой термопасты. Рис. 1. Установка контактного нагрева для определения теплопроводности в плоскости армирования: 1 - камеры спокойного воздуха; 2 - образец; 3 - термоэлектроды; 4 - теплоизоляция (ТЗМК-10); 5 - стержневой элемент нагревателя; 6 - электрический нагреватель ПЭВ-30; 7 - основание Образец 2 - пластина с габаритными размерами 120×120×2 мм, зажат сверху и снизу тонкостенными цилиндрическими оболочками из АБС-пластика, выполняющих роль камер спокойного воздуха 1. Для изменения условий нагрева используется лабораторный автотрансформатор HY3000-2. Температура на поверхности образца измеряется с помощью тепловизора Fluke Ti-400. Тепловизор располагается напротив верхней камеры спокойного воздуха и продольная ось его объектива направлена перпендикулярно плоскости образца (рис. 2). Рис. 2. Общий вид установки 3. Проведение тепловых испытаний и обработка результатов. Время эксперимента составляет от 5 до 30 мин, в зависимости от скорости нагрева и максимальной допустимой температуры до которой исследуемый материал сохраняет свою нормальную работоспособность. Для предотвращения передачи тепла через теплоизоляцию между поверхностью образца и изоляционным материалом создан зазор толщиной 0,5 мм. Контакты между нагревателем и теплоизоляцией, также между стержневым элементом нагревателя и образцом считаются идеальными. Весь процесс нагрева регистрируется с помощью тепловизора (рис. 3), а полученные первичные данные оцифровываются для последующей обработки с помощью программы решения ОЗТ. Рассматривая изображения (см. рис. 3) можно наблюдать характерную картину влияния анизотропии теплопроводности образца из однонаправленного углепластика на температурное поле. Рис. 3. Изображения распределение температуры на поверхности в различные моменты времени, полученные с помощью тепловизора Температура нагревателя, расположенного под образцом, измеряется с помощью термопар, установленных внутри нагревателя. Обработка экспериментальных данных в ОЗТ проводится по модели (рис. 4). Для решения ОЗТ используются значения температуры в трех точках на поверхности образца (рис. 5). Рис. 4. Физическая модель эксперимента: α f1 , α f2 - коэффициент теплоотдачи внутри камеры и снаружи соответственно; ε, ε н , ε т - коэффициенты излучения поверхности образца, нагревателя и теплоизоляции соответственно; T f - температура окружающей среды; δ - толщина образца 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Температура, °С Время, с Условные обозначения: температура образца на расстоянии 11 мм от центра; температура образца на расстоянии 20 мм от центра; температура в центре образца Рис. 5. Типичные экспериментальные термограммы в трех точках на поверхности образца Две точки - в центре образца и отстоящая от него на 26 мм использовались для задания граничных условий первого рода. Точка, лежащая в 13 мм от центра, служит для формирования квадратичного функционала невязки, для решения задачи методом сопряженных градиентов. Задавая начальное значение теплопроводности λ 0 по модели (см. рис. 4) рассчитывается температура T(τ), после чего полученные значения сравниваются с температурой, измеренной тепловизором. ВЫВОДЫ Разработана методика для определения теплопроводности КМ в плоскости армирования с применением бесконтактных средств измерения температуры и использованием в качестве образцов элементов натурных конструкций. Методика позволяет значительно упростить и ускорить процесс исследования характеристик новых КМ, дает возможность избавится от необходимости создания масштабных моделей конструкций для уточнения характеристик материала. Благодаря тепловизионным изображениям за одно испытания возможно определить теплопроводности в любом направлении в плоскости армирования.

Об авторах

С В Резник

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: sreznik@bmstu.ru

Резник Сергей Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой CМ13 «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сфера научных интересов: проектирование производство и испытание конструкций ракетнокосмической техники из композиционных материалов.