double arrow

Условия функционирования КЛА


Классифмкация испытаний.

Учитывая специфику ЛА как сложной технической системы, попытаемся систематизировать виды его испытаний, пользуясь методологией, предусмотренной ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продукции».

Основаниями для классификации испытаний могут служить следующие признаки.

1.Назначение испытаний. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные.

Исследовательские испытания проводятся для изучения определенных характеристик свойств объекта. Исследовательские (научные) испытания необходимы для установления качественных и количественных соотношений характеристик для ранее неизвестных ситуаций, для сопоставления и построения новых гипотез и теорий. Исследовательские испытания проводятся с целью:

- определения структурной совместимости всех выбранных подсистем, составляющих сложную техническую систему и способствующих достижению единой цели, поставленной перед системой как объектом испытаний на высоком уровне и на каждом этапе испытаний;

- определения или оценок показателей качества функционирования испытуемого объекта в определенных условиях его применения;

- выбор наилучших режимов применения объекта или наилучших характеристик свойств объекта;

- сравнение множества вариантов реализации объекта при проектировании;

- отбор существенных факторов, влияющих на показатели качества функционирования объектов;

- выбора вида математической модели функционирования объекта.

Контрольные испытания проводятся для установления соответствия характеристик заданным требованиям.

Сравнительные испытанияпроводятся для сравнения свойств аналогичных по характеристикам или одинаковых объектов в идентичных условиях.

Определительные испытанияпроводятся для определения характеристик с заданными значениями показателей точности и (или) достоверности.

2.Уровень объекта испытаний. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: испытания материалов и элементов, испытание узлов, приборов, агрегатов, устройств, испытание подсистем – компонентов, составляющих сложную техническую систему, испытание блока системы, испытание сложной системы (полного состава). Классификация испытаний по этому признаку относятся к экспериментальной отработки сложной технической системы и поэтому он отсутствует в ГОСТ 16504- 8.

3. Определяемые характеристики объекта. По этому признаку испытания делятся на следующие виды : функциональные испытания, испытания на прочность, на устойчивость, испытания на надежность, безопасность, на транспортабельность, граничные испытания, технологические испытания.

4. Этапы разработки продукции. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: доводочные, предварительные, приемочные.

Доводочные испытания – исследовательские испытания, проводимые при разработке продукции с целью оценки влияния изменений, вносимых в неё для достижения заданных значений показателей её качества.

Предварительные испытания – контрольные испытания опытных образцов и (или) опытных партий продукции с целью определения возможности их предъявления на приёмочные испытания.

Приёмочные испытания – контрольные испытания опытных образцов, опытны партий, проводимые с целью решения вопроса о целесообразности поставки этой продукции на производство и (или) использования её по назначению.

5. Вид воздействия. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: механические, климатические, термические, радиационные, электромагнитные, электрические, магнитные, химические, биологические. При этом следует иметь ввиду, что кроме однофакторных воздействий возможны многофакторные, т.е. комбинация этих воздействий.

Перечисленные испытания проводят для проверки работоспособности и (или) сохранения внешнего вида изделий в пределах, установленных нормативно-технической документацией (НТД) в условиях воздействия и (или) после воздействия указанных факторов.

6. Продолжительность испытания. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: нормальные, ускоренные, сокращённые.

Нормальные испытания – испытания, методы и условия проведения которых, обеспечивают получение необходимого объёма информации о характеристиках свойств объекта в такой же интервал времени, как и предусмотренный в условиях испытания.

Ускоренные испытания – испытания, методы и условия проведения которых, обеспечивают получение необходимой информации о характеристиках свойств объекта в более короткий срок, чем при нормальных испытаниях.

Сокращённые испытания – испытания, проводимые по сокращенной программе.

Следует отметить, что ускоренные или сокращённые испытания в основном применяются для объектов низших уровней, например узла, отдельного прибора, а также в случаях однофакторных внешних воздействий. Для объектов испытания высших уровней или при многофакторных испытаниях воздействиях для применения этих видов испытаний необходимы специальные исследования подобия состояния испытуемого объекта.

7. Результаты воздействия. По этому признаку испытания делятся на два вида: неразрушающие и разрушающие.

Неразрушающие испытания – испытания с применением неразрушающих воздействий и методов контроля.

Разрушающие испытания – испытания с применением разрушающих воздействий и методов контроля.

8. Уровень воздействий. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: испытания со штатными воздействиями, испытания с вероятными нештатными воздействиями, испытания с усиленными воздействиями.

Классификация по этому признаку особенно характерна для испытаний сложной технической системы. Нештатные усиленные нагружения могут возникать ввиду случайных неблагоприятных сочетаний и взаимодействий подсистем, составляющих сложную систему.

9. Условия и место проведения испытания. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: лабораторные, стендовые, полигонные, натурные, с использованием моделей, эксплуатационные.

Лабораторные испытания – испытания объекта, проводимые в лабораторных условиях. Очевидно, что применительно к сложной технической системе этим испытаниям можно подвергать только объекты низших уровней, такие, как материалы, элементы, узлы, приборы.

Стендовые испытания – испытания объекта, проводимые на испытательном оборудовании. Испытательное оборудование – средства испытания, представляющие собой техническое устройства для воспроизведения условий испытаний.

Полигонные испытания – испытаний объекта, проводимые на испытанном полигоне.

Натурные испытания – испытания объекта в условиях, соответствующих условиям его использования по прямому назначению, непосредственным оцениванием или контролем определяемых характеристик свойств объекта.

Испытания с использованием моделей включают проведение расчётов на математических или физико-математических моделях объекта испытаний и (или) воздействий на него в сочетании с натуральными испытаниями объекта и его составных частей. Данные натуральных испытаний необходимы в качестве исходных данных для моделирования; они также используются для проверки правильности функционирования объекта испытаний (правильности стыковки составных частей объекта, способности объекта выполнять задачи, для решения которых он предназначен и т.д.).

Эксплуатационные испытания – испытания объекта, проводимые при эксплуатации.

10. Категории испытания. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: государственные, межведомственные и ведомственные. В ГОСТ 16504-81 этот признак назван «уровнем проведения испытаний». Однако, на наш взгляд, термин «уровень» более уместно отнести к объекту испытаний как элементу сложной технической системы. Именно так он и используется в ГОСТ 16504-81 при обозначении признака 2.

Государственные испытания - испытания установленных важнейших видов продукции, проводимые головной организацией по государственным испытаниям, или приёмочные испытания, проводимые государственной комиссией.

Межведомственные испытания – испытания продукции, проводимые комиссией из представителей нескольких заинтересованных ведомств, или приёмочные испытания установленных видов продукции для приёмки составных частей объекта, разрабатываемого совместно несколькими ведомствами.

Ведомственные испытания – испытания, проводимые комиссией из представителей заинтересованного ведомства.

Испытания готовой продукции делятся на следующие виды: квалификационные, предъявительские, приемосдаточные, периодические, инспекционные, типовые, аттестационные, сертификационные. Это различные контрольные испытания, которые определяются нормативами, учитывающими характер продукции (ГОСТ 16504-81).

Для сложного объекта проводятся следующие виды испытаний: автономные, комплексные, испытания с имитацией необратимых операций, испытания в штатных условиях и в нештатных условиях, в том числе в условиях аварийных ситуаций, отказов отдельных резервируемых систем и каналов.

Эти виды испытаний характерны только для сложного объекта, поэтому они не были включены в ГОСТ 16504-81.

Автономным испытаниям подвергаются отдельные компоненты (подсистемы), составляющие сложную систему. Автономные испытания подсистем проводятся как до их монтажа (сборки) в единую систему, так и после монтажа и проверки всех соединений в составе сложной системы.

Комплексные испытания могут проводиться как для группы непосредственно связанных подсистем, так и для всех подсистем в составе объекта испытаний. Цель этих испытаний — проверка нормального функционирования всех систем после проведения монтажно-сборочных работ.

Испытания с имитацией необратимыхопераций имеют целью проверку нормального функционирования всех управляющих командно-исполнительных органов, обеспечивающих данные операции. При этом не проводятся полностью сами операции, а получается информация о правильности функционирования только командно-исполнительных органов, что позволяет принять решение о готовности подсистемы и возможности перехода к натурным необратимым операциям при проведении пуска ЛА. Примером таких проверок могут служить операции заправки и предстартового наддува баков с жидкими компонентами топлива, операции открытия клапанов на подачу топлива, команды на зажигание и туск двигателя, команды на разделение блоков и т.п.

Испытания в условиях нештатных аварийных ситуаций должны проводиться наряду с испытаниями в штатных условиях эксплуатации для проверки эффективности принятых мер по обеспечению безопасности всех работ.

Испытания резервируемых систем (подсистем) и каналов необходимо проводить по специальным программам, так как при проверке в штатных условиях все эти резервные системы не проверяются, а проверяется только основная схема.


Ракетно-космическая техника функционирует в условиях, коренным образом отличающихся от условий функционирования других видов техники. Это высокие скорости полета (до 20 — 25 М), высокая степень разрежения окружающей среды (до 10-11 — 10-14 Па), невесомость либо очень малые перегрузки, радиационная и метеорная опасность.

Анализ условий работы, например такого КЛА, как «Спейс Шаттл», показывает, что общее количество внешних факторов, действующих на различных этапах эксплуатации, очень велико (табл. 1.1).

Внешними воздействующими факторами называются явления или процессы, внешние по отношению к объекту или составным частям данного объекта.

Факторы окружающей среды могут быть подразделены на естественные и искусственные.

К естественным факторам можно отнести климатические условия, воздействия биологических факторов, а также специфические условия космического пространства.

Искусственные факторы возникают как результат функционирования ЛА и его систем. К искусственным факторам, воздействующим на работу КЛА, можно отнести его высокую температуру, вызванную работой двигателей и аэродинамическим нагревом, механические нагрузки, пневматические и электрические нагрузки, а также химические воздействия, например, топлива, масел, гидросмесей и т.д.

Атмосфера Земли представляет собой газообразную оболочку, состав которой зависит от расстояния до Земли. В табл. 1.2 представлено изменение основных параметров атмосферы Земли в зависимости от высоты. Атмосферное давление вблизи Земли может колебаться в пределах ± 7%, а при тропических бурях — в пределах ± 10%.

Сухая воздушная атмосфера содержит (по объему) 78% N2, 21% О2, 0,9% Ar, а также других газов в сумме 0,1%. Во влажном воздухе содержание водяного пара может доходить до 4%.

Температура для различных климатических зон Земли колеблется от -75 до + 50°С. Резкие колебания температуры приводят к периодически повторяющимся расширениям и сжатиям деталей конструкции ЛА, что может вызвать их разрушение или нарушение герметичности системы.

Начиная с 11 км температура воздуха в среднем составляет -56°С. С высоты 30 км температура повышается до максимума (примерно на 80°С на высоте 50 км), после чего температура снова начинает понижаться. С высоты 100 км происходит постепенное повышение температуры, что обусловлено солнечной радиацией и бомбардировкой верхних слоев атмосферы космическими частицами. Здесь температура сильно колеблется в течение суток. Установлено, что на высотах 250—300 км температура, а точнее, температурный молекулярно-кинетический эквивалент составляет 1000 — 2000°С. Однако вследствие сильного разрежения передача энергии от газа к КА оказывается совершенно ничтожной, и баланс между тепловой энергией, полученной от газа и потерянной аппаратом через радиацию (излучение), устанавливается при низкой температуре. Основную роль в этом случае играет подвод теплоты солнечной радиацией и от бортовых источников.

Влажность — один из наиболее опасных климатических факторов. Она ускоряет коррозию металлов, изменяет электрические характеристики диэлектриков, вызывает тепловой распад материалов и т.д.

Максимальная абсолютная влажность, являющаяся функцией температуры, изменяется на 7% при изменении температуры на 1°С.

Для большинства процессов относительную влажность качественно оценивают по следующей шкале:

- свыше 80% — очень влажно;

- свыше 70 — 80% — влажно;

- свыше 50 — 70% — нормально;

- свыше 30 — 50% — сухо;

- менее 30% — очень сухо.

При насыщении относительная влажность составляет 100%.

Водяная пленка на поверхности материала быстро загрязняется, вследствие чего увеличивается ее проводимость, а это вызывает появление токов утечки и, следовательно, короткие замыкания в электрических цепях.

Если температура окружающей среды падает ниже точки росы, при которой относительная влажность равна 100%, и содержащийся в воздухе водяной пар достигает состояния насыщения, то выпадают осадки в виде росы, снега, воды, инея, тумана. Количество осадков измеряют в миллиметрах. Осадкам в 1 мм соответствует 0,001 м3 воды, распределенной на поверхности 1 м2.

Свежевыпавший снег занимает примерно десятикратный объем по сравнению с водой.

Особенно сильное разрушающее воздействие могут оказывать морская вода и морской туман, ускоряющие коррозию вследствие содержания в ней солей хлора, магния и других элементов.

При эксплуатации ЛА необходимо учитывать влияние содержащихся в воздухе пыли, песка, дыма.

Пыль — смесь твердых частиц в воздухе. Естественная пыль состоит из космических и земных частиц. В атмосфере осаждается 0,12 — 0,15 м пыли за 100 лет. Техническая пыль образуется при сжигании топлива, износе и обработке деталей. В высокоразвитых странах технической пыли осаждается на два порядка больше, чем естественной.

Примеси в воздухе могут вызывать нарушение функционирования электрических элементов, изменять режимы теплообменных аппаратов, вызывать механические повреждения, усиливать коррозию и т.д.

Биологическое воздействие оказывают грибковые заболевания. Оптимальными условиями для развития грибковых заболеваний, в частности плесени, являются: влажность воздуха более 85%, температура 20 — 30°С и застой воздуха. Именно под действием плесени происходят наибольшие разрушения пластмасс, дерева, резины, кожи. Плесень образует на поверхности материала водную пленку, которая способствует его химическому разложению и потере важнейших свойств.

На надежность оборудования влияют насекомые — термиты. Определенную опасность для кабелей и проводов представляют грызуны (мыши и крысы).

Защиту от биологических факторов осуществляют химическим и конструктивным методами: заменой материалов, подверженных образованию плесени или съедобных для насекомых и грызунов, изменением внутреннего климата устройств, уменьшением влажности воздуха, созданием надежных защитных оболочек и т.п.

Условия эксплуатации КЛА в космическом пространстве характеризуются совокупностью воздействий, к которым относятся: высокий вакуум, невесомость, температура (чаще сверхнизкая), электромагнитные и корпускулярные излучения, наличие метеорных частиц, магнитных и гравитационных полей планет и звезд и т.д.

При изучении параметров космических условий выделяют три среды: межзвездную, межпланетную, атмосферу планет и их спутников.

Межзвездная среда состоит из межзвездного газа и мельчайших твердых частиц — пыли, заполняющей пространство между звездами в галактиках. Газ почти равномерно перемешан с пылью. Межзвездная среда вблизи Солнца переходит в межпланетную среду.

Межпланетная среда заполняет пространство между планетами Солнечной системы. Она состоит из расширяющегося вещества солнечной короны (примерно 90% составляют ионизированные атомы водорода и около 9% — атомы гелия), несущего увлекаемое веществом магнитное поле.

На расстоянии от поверхности Земли около 200 км длина свободного пробега частиц газа становится равной нескольким десяткам метров. Часть молекул и атомов, двигаясь в экзосфере (на высоте около 500 км), может иметь скорость, превышающую вторую космическую, и беспрепятственно уходить за пределы атмосферы планеты. Это рассеяние газов в межпланетное пространство называется диссипацией. Большая доля диссонирующих газов приходится на водород „ гелий. В результате активности Солнца и явления диссипации состав и химическое состояние газов существенно меняются (рис. 1.5,а). Так, на высотах более нескольких тысяч километров частицы газов полностью ионизированы.

Основные компоненты атмосферы Луны, масса которой примерно в 81 раз меньше массы Земли, имеют следующие концентрации: водород — 6,5 104, гелий — 4 104 неон — 8 104, аргон — от 1,1 104до 4 10"3. Изменение суммарной концентрации нейтральных частиц в атмосфере Луны приведено на рис. 1.5,6.

Меркурий, каr и Луна, имеет весьма разреженную атмосферу. Значения давлений у поверхности Меркурия и Луны близки и составляют около 8 ×10-8Па.

Атмосфера Марса, масса которого только в 9 раз меньше массы Земли, менее разрежена по сравнению с атмосферами Луны и Меркурия. Давление газов у поверхности Марса примерно 6,55 102 Па. Изменение концентрации СО2 — главного компонента атмосферы Марса, составляющего около 95%, представлено на рис. 1.5,в. На больших удалениях от поверхности СО2 диссоциирует на СО и О.

Венера имеет чрезвычайно плотную атмосферу. Основной компонент — С02 (примерно 97,4%). Давление у ее поверхности в 90 раз превышает давление у поверхности Земли. Температура вблизи поверхности достигает 500°С.

Юпитер — планета-гигант с очень большой массой. В атмосфере доминирует Н2, затем следуют Не, СН4, Н3 и т.д.

Сатурн имеет атмосферу, как полагают, близкую по составу к атмосфере Юпитера.

На Титане была обнаружена атмосфера, состоящая главным образом из азота с добавками аммиака, метана и других газов.

Плутон, вероятно, имеет атмосферу, состоящую из метана, в 300 раз менее плотную, чем атмосфера Земли.

На обращенную к Солнцу поверхность космического аппарата в окрестности Земли на 1 м2 ежесекундно поступает около 1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Причем около 9% энергии в спектре излучения Солнца приходится на ультрафиолетовое излучение, 46,1% — на видимое излучение, 44,4% — на инфракрасное излучение; остальное — на рентгеновское и корпускулярное из-лучение. В инфракрасном и видимом диапазонах энергия отдельных квантов слишком мала, чтобы излучение могло оказывать физико-химическое воздействие на вещество. В то же время эти излучения нагревают элементы и материалы.

Земля, так же как и другие планеты, посылает на поверхность КЛА длинноволновое излучение (тепловой поток), которое обусловлено частичным отражением солнечного излучения облаками, атмосферой и поверхностью Земли и собственным тепловым излучением. На низких орбитах плотность этого теплового потока может достигать 40% плотности потока прямого солнечного излучения, но с увеличением высоты плотность уменьшается.

Тепловые потоки, идущие на КЛА от звезд, практически малы. Наконец, энергия излучений участков межзвездного пространства, лишенных каких-либо источников, соответствует температуре -269°С.

Радиационные пояса Земли имеют сложную структуру и представляют собой относительно стабильные гигантские области скопления электронов и протонов высоких энергий, захваченные и удерживаемые магнитным полем Земли. Можно выделить две области — внутренний (протонный) и внешний (электронный) пояса.

В космическом вакууме любой материал выделяет газы и пары, примеси и добавки, адсорбированные на поверхности и абсорбированные в объеме материала. В последнем случае процессу газовыделения предшествует диффузия атомов и молекул к поверхности.

Космический вакуум может вызывать ускоренную сублимацию поверхностных слоев материалов, что сказывается на уменьшении массы и изменении свойств поверхности материалов.

В результате газовыделения и потерь быстролетучих компонентов при длительном пребывании в условиях разреженной среды могут изменяться свойства, связанные с теплофизическими и диэлектрическими характеристиками материалов (теплопроводность, электрическая проводимость).

Отсутствие защитных газовых и оксидных пленок, сублимация поверхностных слоев приводят к изменению оптических радиационных характеристик поверхностей. Так, например, при давлении 10-6Па и ультрафиолетовых излучениях с l = 0,22 мкм у белых покрытий обычно возрастает отражательная способность. Даже при малых потерях О2, N2 и Н20 в вакууме при высоких температурах могут возникать значительные изменения излучательной способности некоторых типов керамик.

Совместное действие высокого вакуума и ультрафиолетового излучения вызывает эффект «отбеливания», в результате чего возрастает отражательная способность поверхности и облегчаются условия охлаждения аппаратуры.

В вакууме отсутствует конвективный теплообмен и теплопроводность среды, а передача тепла извне происходит только путем лучистого обмена. Различают три режима течения газов и, соответственно, три режима теплопередачи в них: вязкостный, молекулярно-вязкостный и молекулярный. Границы между этими режимами определяются значениями критерия Кнудсена Kn, который равен отношению средней длины свободного пробега Lo частиц газа к характеристическому линейному размеру рассматриваемой системы l: Kn = Lo/l.

Границы режимов следующие:

Kn < 0,005 — вязкостный режим;

0,005 < Kn < 5,0 — молекулярно-вязкостный режим;

Kn > 5,0 — молекулярный режим.

При вязкостном и молекулярно-вязкостном режимах теплообмен складывается из передачи тепла теплопроводностью, конвекцией и лучистым обменом. При молекулярном режиме теплопередача осуществляется за счет лучистого обмена.

В условиях низкого давления в космосе на наружных и внутренних поверхностях разделов материалов возникают либо микроскопические поверхностные трещины, либо интеркристаллитная коррозия. Из-за изменения свойств поверхностных слоев изменяются объемно-механические свойства материалов (прочность при ползучести, сопротивление усталости и т.п.).

Так как в вакууме поверхностные адсорбированные газовые слои улетучиваются, а оксидные пленки могут разрушаться, то возрастает адгезия и резко увеличиваются силы трения, что может привести даже к свариванию трущихся деталей.

На открытых частях космических аппаратов появляются поверхностные заряды. Причина их появления — совместное действие корпускулярной и коротковолновой электромагнитной радиации, сверхглубокого вакуума, а также взаимодействие поверхности с окружающей КЛА плазмой. Накопление заряда приводит к электрическому пробою, который дает наибольший уровень помех на частоте около 38 МГц. Электрическое поле повреждает емкостные элементы изделий, а магнитное поле наводит поверхностные токи, которые сказываются на работоспособности расположенных внутри электронных схем.

При свободном полете КЛА гравитационные силы и ускорения имеют значения на много порядков меньшие, чем в обычных, земных условиях. Такие условия называются невесомостью. Влияние невесомости может сказываться, например, при движении топлива в гидросистемах, когда доминируют не вес и сила давления, а силы межмолекулярного взаимодействия как внутри жидкости, так и между жидкостью и газом (паром), жидкостью и ограничивающими ее стенками. Жидкие хладагенты, не полностью заполняющие емкость, в условиях невесомости стремятся принять сферическую форму, при которой поверхностная энергия имеет минимальное значение. Дополнительное влияние на жидкость оказывают ускорения и силы, обусловленные аэродинамическим торможением, работой двигателей ориентации и стабилизации, солнечным давлением, неоднородностью гравитационного поля Земли и т.п. Порядок ускорений, обусловленных этими факторами, лежит в диапазоне 10-5 – 10-9 g.

В условиях невесомости возникает проблема обеспечения теплового режима работы как оборудования КЛА, так и человека в отсутствие естественной конвекции, вызываемой силами тяжести.

Воздействие проникающей радиации приводит к нарушению кристаллической решетки: радиационно-химическим превращениям, вызывающим диссоциацию молекул; образованию ионизированных, химически активных молекул; образованию центров окраски, определяющих уровень поглощения света и являющихся дефектами кристаллической решетки; проникновению пар Френкеля; радиационному нагреву; радиационной люминесценции.

Метеорные частицы могут пробить стенки КЛА. Возникает вероятность повреждений от волны давления, образующейся в самом материале под действием метеорной частицы. Число микрократеров, приходящихся на единицу поверхности в год, может колебаться от 1 до 104 шт./см2.

Образование плазмы при микрометеорных ударах на открытых электродах высоковольтных устройств создает предпосылки для возникновения электрических пробоев. За счет образования микрократеров происходит постепенное удаление вещества с поверхности, бомбардируемой частицам, что вызывает эрозию поверхности. Прежде всего, ухудшаются оптически» характеристики поверхностей зеркал, призм, линз оптических приборов и иллюминаторов. При скоростях соударения менее 1 км/с, которые характерны для метеоритных осколков лунного грунта и частиц марсианских пылевых бурь, плавления бомбардируемой поверхности не происходит.

Если рассматривать искусственные факторы окружающей среды, действующие на конструкцию КЛА, то в первую очередь можно отметить интенсивные механические нагрузки, связанные с колебаниями, ударами, высокими значениями скоростного напора, действие высоких температур и т.д.

В процессе эксплуатации КЛА возможны два типа колебаний.

Траекторные колебания — колебания КЛА как абсолютно жесткого тела, зависящие в основном от параметров траектории полета. Частоты траекториях колебаний находятся в диапазоне от долей до нескольких герц.

Упругие колебания — изменения напряженно-деформированного состояния КЛА. Частоты упругих колебаний, влияющих на общее напряженно-деформированное состояние КЛА, охватывают диапазон от 20 до 2500 Гц. Сила тяжести, некоторые динамические силы, давления в баках и тяга являются постоянно действующими силами, и их обычно называют программными силами. Всякое отклонение значений внешних сил от программных относят к категории внешних возмущающих сил. К таким силам можно отнести порывы ветра, отклонение направления действия тяги от продольной оси. Во многих случаях нагрузки от ветра оказываются определяющими для прочности конструкции тяжелого КЛА. Скорость ветра зависит от географической широты места старта, времени года и суток, а в основном от высоты полета Н. Примерный график изменения средней скорости ветра по относительной высоте показан на рис. 1.6, где символом Ht обозначена высота тропопаузы, на которой обычно скорость ветра наибольшая.

Тяга от ДУ по своей природе является поверхностной силой. Однако на корпус она передается либо в виде сосредоточенных сил (в местах присоединения рамы ДУ), либо в виде распределенной по контуру поперечного сечения нагрузки (при наличии сравнительно большого числа опорных точек У рамы) и определяется как

,

где R0 — стендовое значение тяги, Н; F0 — площадь выходного сечения сопла двигателя, м2; р0 — атмосферное давление у Земли, Па; pH — давление внешней среды на наружную поверхность корпуса сопла, Па.

Аэродинамические нагрузки, возникающие при движении в плотных слоях атмосферы на поверхности КЛА, характеризуются скоростным напором . Значения этих сил в каждой точке поверхности корпуса ха¬рактеризуются нормальной и касательной составляющими давления.

Основная часть аэродинамической нагрузки действует на головную часть корпуса. На расстоянии двух-трех диаметров от места стыка конической части с цилиндрической подъемная сила при малых углах атаки практически уже не действует.

Акустическое воздействие связано с возбуждением сильных колебаний среды в диапазоне звуковых частот. Источником акустических колебаний являются, например, различного рода шумы, создаваемые работой двигателей.

Интенсивность шума, создаваемого струей реактивного двигателя, пропорциональна ее средней скорости в степени от 6 до 8. При этом акустическая мощность составляет 0,4 — 0,8% от механической мощности двигателя. Отсюда следует, что с увеличением тяги двигателя КЛА возможно пропорциональное увеличение суммарного уровня акустической нагрузки на поверхность их корпуса. Когда эти уровни превышают 150 дБ, воздействие акустических нагрузок оказывает существенное влияние на режимы вибрации элементов конструкции КЛА.

Напряжения в конструкции в основном определяются видом амплитудно-частотной характеристики конструкции. Поэтому отдельные элементы имеют наибольшие колебания с собственными частотами. Колебания могут существенно увеличиваться из-за механической передачи энергии с одной поверхности на другую.

Основным источником нагревания конструкции КЛА в сверхзвуковом полете является ударный и пограничный слой, где кинетическая энергия потока, движущегося с большой скоростью относительно поверхности КЛА, преобразуется в теплоту по мере того, как относительная скорость движения воздуха в пограничном слое уменьшается до нуля. Повышение температуры газа приводит к нагреванию поверхности и дальнейшему распространению теплоты внутрь конструкции. Это явление называется аэродинамическим нагреванием. В полете КЛА нагревается также за счёт теплоты, выделяющейся при работе двигательной установки и электронного оборудования, за счет излучения Земли, Солнца и при скоростях свыше 10 км/с — за счет излучения газов ударного слоя. Однако эти источники нагревания для КЛА, совершающих полет со сверхзвуковыми скоростями в пределах атмосферы, имеют второстепенное значение. Одновременно с нагреванием конструкции происходит рассеивание тепловой энергии излучением с нагретой поверхности КЛА в окружающее пространство. Вследствие этого тепловой поток в конструкцию уменьшается.

При числах М = 7, когда температура торможения воздуха достигает примерно 2000 К, колебания атомов в молекулах становятся столь значительными по амплитуде, что молекулы начинают распадаться на атомы — диссоциировать. Этот процесс сопровождается поглощением большого количества теплоты. Так, например, для гиперзвуковых скоростей полета при М >7 при определении температур торможения необходимо учитывать диссоциацию молекул воздуха.

Разделение факторов воздействия окружающей среды на естественные и искусственные позволяет рассмотреть нагрузки с точки зрения влияния их на работоспособность систем КЛА в период эксплуатации. Нагрузки, действующие на конструкцию КЛА и его системы, можно разделить на две группы:

- основные воздействия, на которые система должна реагировать (порывы ветра, температура КЛА и т.д.);

- вредные воздействия, на которые система не должна реагировать (вибрации, удары, центробежные и линейные ускорения и т.п.). Эти воздействия называют также дестабилизирующими факторами, нарушающими нормальную работу систем.

Такое распределение основывается не на физической природе нагрузки, а на отношении к этой нагрузке различных систем, так как воздействие одной и той же нагрузки для одной системы может рассматриваться как полезное действие, а для другой — как вредное, дестабилизирующее ее работу. Так, например, механические нагрузки, связанные с порывами ветра, можно рассматривать как основные для автопилота и как вредные, дестабилизирующие для других систем.

Распределение воздействий важно с точки зрения установления очередности испытаний систем, так как в первую очередь необходимо испытывать систему при воздействии основных факторов и только затем испытывать систему и выявлять характер ее поведения при воздействии вредных, дестабилизирующих факторов.

Если рассматривать влияние внешних силовых нагрузок с точки зрения влияния их на напряженно-деформированное состояние частей конструкции ЛА и на значения соответствующих внутренних усилий, определяющих силовое взаимодействие частей конструкции между собой, то по характеру распределения все нагрузки могут быть разделены на поверхностные и массовые (объемные).

Поверхностные нагрузки распределяются на поверхности элементов конструкции и характеризуются давлением или значением равнодействующей силы. Массовые нагрузки распределяются по объему элементов конструкции и пропорциональны плотности их материала. Значения массовых нагрузок обычно характеризуются коэффициентом перегрузки. Основным источником массовых (инерционных) нагрузок для отдельных элементов и даже частей (агрегатов) конструкции ЛА является вибрация (общие или местные ускорения колебательного характера).

Все внешние поверхностные нагрузки подразделяют на квазистатические (статические), относительно медленно изменяющиеся по времени, и на динамические, вызывающие упругие колебания конструкции ЛА.

Эффект динамического действия внешних поверхностных сил (проявляющийся в возбуждении упругих колебаний) зависит главный образом от динамических характеристик конструкции самого аппарата. Поэтому обычно в качестве критерия указанной классификации выбирается период (или частота) свободных упругих колебаний конструкции в целом или ее частей и элементов. Если время изменения внешней поверхностной нагрузки велико по сравнению с рассматриваемым периодом свободных упругих колебаний (чаще всего низких тонов), то она относится к категории статических или квазистатических, и наоборот. Таким образом, одна и та же внешняя сила в одном случае нагружений может считаться квазистатической, а в другом случае — динамической.

Тепловые нагрузки (характеризуемые скалярным полем температур) чаще всего оказывают заметное влияние на прочность конструкции тех ЛА, скорости движения которых в относительно плотных слоях атмосферы сравнительно велики (начиная со скорости порядка 2,5 М и выше). Это может проявляться в изменении физико-механических свойств материалов, в появлении эффекта ползучести I дополнительных температурных деформаций. В некоторых случая! нагрев конструкции может приводить к изменению жесткости отдельных частей, а следовательно, и к изменению характера распределение внешних поверхностных нагрузок и динамических характеристик с» мой конструкции.

Следует также учесть, что на выравнивание температуры по массе материала требуется время, определяемое теплофизическими параметрами материалов. Поэтому возможно неравномерное распределение температуры по элементам конструкции ЛА с существенно нестационарным режимом движения в плотных слоях атмосферы, т.е. возникновение дополнительных температурных напряжений. Деформация конструкции при неравномерном нагреве подобна деформация обусловленной статическим действием некоторой эквивалентной системы внешних сил.

Учитывая изложенное, при проектировании многих КЛА принимают соответствующие меры к устранению или снижению степени влияния тепловых нагрузок на несущую способность конструкции. В отдельных случаях для этой цели разрабатываются специальные теплозащитные покрытия и даже теплозащитные системы. Параметры этих покрытий (или систем) определяются уровнем внешних тепловых потоков и особенностями конструкции аппаратов, свойствами материала и уровнем напряженного состояния.

При нестационарных процессах нагрева возможно проявление и динамического эффекта теплового нагружения. В принципе возможно даже возбуждение колебаний тонкостенных конструкций посредством импульсивных тепловых воздействий.

Таким образом, условия внешнего нагружения конструкции КЛЛ характеризуются векторным полем внешних силовых воздействий и скалярным полем температур. Параметры этих полей являются функцией времени движения КЛА.

Практически функции внешнего силового и теплового нагружения регламентируются (в некоторых пределах) программой эксплуатации или профилем полета КЛА. В соответствии с такой программой всегда можно выделить серию указанных режимов нагружения для основных частей конструкций.


Наземная отработка КЛА.


Сейчас читают про: