On surface temperature measurements of materals heated by the plasma jet
Methods and instrumentation for the temperature measurement at the surface of heat-shielding materials (HSM) during their tests in high temperature gas-dynamic facilities are considered. Results of the maximum temperature measurements using crystalline sensors are presented inline with usual instrumentation measurements of the temperature of the HSM surface such as thermocouple and optical systems. Special attention was paid to the consideration of possible errors in thermocouple measurements concerned with external and induced electromagnetic fields, heat losses, electrostatic charge and errors in the optical measurements arising from plasma plume own radiation, re-radiation from hot parts of the facility and surface gas radiation due to electron-excited molecules forming in heterogeneous catalytic reactions. Results of the validation tests on the surface temperature measurements in the HF-plasmatron flow using different methods are also discussed.
Обсуждаются методы и средства измерений температуры поверхности теплозащитных материалов (ТЗМ) при их испытаниях в высокотемпературных газодинамических установках. Наряду с традиционными средствами измерений температуры поверхности ТЗМ – термопарными и оптическими, приведены данные измерений максимальных температур с помощью кристаллических датчиков. Рассмотрены возможные погрешности термопарных измерений, связанные с наличием внешних и наведенных электромагнитных полей, утечек тепла, электростатического заряда, и погрешности оптических измерений, возникающих за счет собственного излучения плазменной струи, переизлучения нагретых элементов установки и приповерхностного свечения газа, обусловленного образованием в гетерогенных каталитических реакциях электронно-возбужденных молекул. Приведены результаты методических экспериментов по измерению температуры поверхности различными методами, полученные в потоке ВЧ-плазмотрона.
1. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Из-во "Мир". 1988.– 416 с.
2. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Из-во "Мир". 1975.–934 с.
3. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия, 1971, 295с.
4. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник в трех томах. Под ред. Ю.Н. Коптева. Т.1. – М.: ИПРЖР, Москва. 1998, 458 с.
5. Витглеб Г. Датчики. Пер. с англ.– М.: Мир, 1989.
6. Осипович Л. Датчики физических величин. – М.: Машиностроение, 1979.
7. Како Н., Ямаке Я. Датчики и микро- ЭВМ.– Л.: Энергоиздат, 1989.
8. Датчики теплотехнических и механических величин. Справочник / А.Ю. Кузин, П.П. Мальцев и др. – М.: Энергоатомиздат, 1996.
9. Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Кнотько В.Б., Мурзинов И.Н., Румынский А.Н., Кузмин Л.А. Высокочастотный плазмоторон - установка для исследований аэрофизических проблем с использованием высокоэнтальпийных газовых потоков // Космонавтика и ракетостроение, 1994, № 2, с. 22-32.
10. Власов В.И., Ковалев Р.В., Кусов А.Л. Расчет теплового режима державки для образцов испытуемых материалов с целью оптимизации формы устройства и применяемых для его изготовления высокотемпературных материалов. – Космонавтика и ракетостроение, 2004, № 3(36), с. 62-69.
11. Гофин М.Я. Жаростойкие и теплозащитные конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов. Москва. 2003. С. 671.
12. Stewart D.A., Rakich J.V., Lanfranco M.J. Catalytic surface effects experiments on Space Shuttle // AIAA Paper, 1981, N 1143, p. 15.
13. Rakiсh J.V., Stewart D.A., Lanfranco M.J. Results of a flight experiment of the catalytic efficiency of the Space Shuttle heat shield // AIAA Paper, 1984, N 944, p. 14.
14. Zoby E.V., Gupta R.N., Simmonds A.L. Temperature dependent reaction-rate expression for oxygen recombination at Shuttle entry conditions // AIAA Paper, 1984, N 224, p.8.
15. Shim J.L., Moss J.N., Simmounds A.L. Viscous shock layer heating analysis for the Shuttle windward symmetry plane with surface finite catalytic recombination rates // Entry vehicle, heating and thermal protection systems. V. 85, 1983.
16. Воинов Л.П., Залогин Г.Н., Лунев В.В., Тимошенко В.П. Сравнительный анализ лабораторных и натурных данных о каталитичности материалов теплозащиты ЛА “Бор” и “Буран”. // Космонавтика и ракетостроение, 1994, № 2, с.51-57.
17. Беспалов В.Л., Воронкин В.Г. К теории каталитического калориметра // Изв. АН СССР, МЖГ, 1980, № 1, с. 192-195.
18. Баронец П.Н., Колесников А.Ф., Кубарев С.Н., Першин И.С., Труханов А.С., Якушин М.И. Сверхравновесный нагрев поверхности теплозащитной плитки в дозвуковой струе диссоциированного воздуха // Изв. АН СССР, МЖГ. 1991, № 3, с. 144-150.
19. Власов В.И., Горшков А.Б., Землянский Б.А. и др. Численное моделирование теплообмена при входе в атмосферу Земли спускаемых аппаратов типа "Клипер"//Космонавтика и ракетостроение, 2007, № 1(46), с. 30-37.
20. Беннет Р.Л., Рейни У.Т., Мак-Клейн У.М. Изучение нестабильности хромель-алюмелевых термопар в атмосфере гелия. В кн.: Измерения температур в объектах новой техники. Мир. М. 1965.
21. Каменщиков В.А., Пластинин Ю.А., Николаев В.М., Новицкий Л.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах. М.: Машиностроение. 1971, с.440.
22. Knotko V.B., Osipov V.A., Rumynsky A.N., Zalogin G.N., Zemliansky B.A. Experimental Study of Different Thermal Protection Materials in Dissociated Carbon Dioxide Flow. Proceedings of the Third European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. ESTEC, Noordwijk, 1998.
23. Халперн Б., Рознер Д.Э. Неполная аккомодация энергии в реакциях на каталитических поверхностях. В сб.: Гетерогенная химия атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с. 306-318.
24. Melin G.A., Madix R.J. Energy accommodation During Oxygen Atom Recombination on Metal Surface // Trans. Far. Soc., 1971, v.67, N 1, pp. 198-211.
25. Беркут В.Д., Дорошенко В.М., Ковтун В.В., Кудрявцев Н.Н. Неравновесные физико-химические процессы в гиперзвуковой аэродинамике. М.: Энергоатомиздат, 1994. 399 с.
26. Гаррет Х.Б., Чатджан А., Гэбриел С.Б. Свечение над поверхностью КЛА и его влияние на работу бортовых систем // Аэро/космическая техника, № 10, 1989, с. 64-90.
27. Залогин Г.Н., Зуев А.П., Кнотько В.Б. Моделирование приповерхностного свечения газа в высокочастотном плазмотроне// Космонавтика и ракетостроение, 1997, № 11, с. 94-100.
28. Knotko V.B., Rumynsky A.N., Tkachenko B.K., Zuev A.P. OMA Spectroscopie Monitoring of Plasma Parameters in 1000 kW High Frequency Plasmotron Applications. 11 th European Congress on Thermal Plasma Processes. Paris. 1993.
29. Бай Ши-и. Динамика излучающего газа. M.: Мир, 1968, 324с.
30. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. M.: Наука, 1973, 312с.
31. Карпухин В.И., Николаенко В.А. Измерение температуры с помощью облученного алмаза. Москва, Атомиздат, 1971.
32. Николаенко В.А., МорозовВ.А. Разработка и опыт использования измерителя максимальной температуры кристаллического. Москва, Атомиздат, 1979.
33. V. Timoshenko, G. Lozino-Lozinsky, Lessons Learmed from the BOR Flight Campaing, Proceedings of the Third European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, ESA SP-426, 1998.
34. V. Timoshenko Buran main thermal protection components, Proceedings of the First ESA/ESTEC Worcshop on Thermal Protection Systems, Noordwijk, The Netherlands, ESA-WPP-053, 1993.
35. Колесников А.Ф. Условия моделирования в дозвуковых течениях теплопередачи от высокоэнтальпийного потока к критической точке затупленного тела // Изв. РАН, МЖГ. 1993,
№ 1, с. 172-180.
36. Власов В. И., Залогин Г. Н., Землянский Б. А., Кнотько В. Б., О моделировании натурных условий при отработке в высокочастотном плазмотроне материалов для теплозащиты гиперзвуковых летательных аппаратов, Космонавтика и ракетостроение, 2001, № 23. С. 85-93.
