авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ОПИСАНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМ

УЧЕБНО-НАУЧНОМ ОБОРУДОВАНИИ

ДЛЯ БАКАЛАВРОВ

МОСКВА 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ НАНОКОМПОЗИТОВ………………………

1

Лабораторная работа №1. Исследование изменение характеристик трехслойного об-

1.1

разца из композиционного материала, армированного вдоль и поперечном направлениях, при растяжении………………………………………..

Лабораторная работа №2. Исследование изменения плотности связующего по мере 1.2 удаления от наночастицы и определение зоны влияния этой частицы на свойства меж фазного слоя…………………………………………………….. 1 ГЛАВА 2. ТЕПЛОФИЗИКА ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР …………………………. Лабораторная работа №3. Электронно-микроскопическое исследование наноструктур 2. на поверхностях, модифицируемых в плазме тлеющего разряда… Лабораторная работа №4. Исследование металлических наномембран методом растро 2. вой электронной микроскопии……………………………………… Лабораторная работа №5. Определение теплопроводности тонкослойных образцов ме 2. тодом динамического калориметра……………………………….. Глава 3. ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ……………………………… 3 Лабораторная работа № 6. Основные этапы развития ракетно-космической техни 3. ки…………………………………………………………………………….. Лабораторная работа № 7. Основы устройства и функционирования ракеты 3. носителя…………………………………………………………………………… Лабораторная работа №8. Основы устройства и функционирования искусственного 3. спутника Земли…………………………………………………………. Лабораторная работа № 9. Основы устройства и функционирования космического ко 3. рабля……………………………………………………………………. Лабораторная работа № 10. Основы устройства и функционирования автоматической 3. межпланетной станции…………………………………………….. Глава 4. КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 4 Лабораторная работа № 11. Конструкции отсеков корпуса………………….

4.1 Лабораторная работа № 12. Конструкции ракетных двигателей твердого топли 4. ва………………………………………………………………………………. Лабораторная работа № 13. Конструкция топливных баков двигательных установок с 4. ЖРД…………………………………………………………………….. Лабораторная работа №14. Конструкции крыльев…………………………… 4.4 Глава 5. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ………………… 5 Лабораторная работа № 15. Исследование энергетической светимости абсолютно чер 5. ного тела……………………………………………………………….. Лабораторная работа № 16. Изучение внешнего фотоэффекта……………… 5.2 Лабораторная работа № 17. Спектральный анализ сплавов………………….

5.3 Лабораторная работа № 18. Определение постоянной Планка……………… 5.4 Лабораторная работа № 19. Исследование внутреннего фотоэффекта……… 5.5 Лабораторная работа № 20. Исследование полупроводникового диода…….

5.6 Лабораторная работа № 21. Исследование кристаллического триода, включенного по 5. схеме с общей базой…………………………………………………. Лабораторная работа № 22. Исследование кристаллического триода, включенного по 5. схеме с общим эмиттером…………………………………………… Лабораторная работа № 23. Исследование электропроводности полупроводни 5. ков………………………………………………………………………………... 5.10 Лабораторная работа № 24. Исследование вентильного фотоэффекта………. 5.11 Лабораторная работа № 25. Применение эффекта Холла…………………….. ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ НАНОКОМПОЗИТОВ Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХСЛОЙНОГО ОБРАЗЦА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, АРМИРОВАННОГО В ПРОДОЛЬНОМ И ПОПЕРЕЧНОМ НАПРАВЛЕНИЯХ, ПРИ РАСТЯЖЕНИИ С УЧЕТОМ РАЗРУШЕНИЯ СВЯЗУЮЩЕГО Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа.

Цели работы Определение деформационных характеристик композиционного материала с уче том разрушения связующего. Изучение особенностей деформирования слоистого компо зиционного материала. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении лаборатор ной работы: Деформационные характеристики композиционных (Тема 5).

Основные теоретические положения Рассмотрим задачу о растяже нии трехслойного композиционного образца, армированного вдоль растя жения и в поперечном направлении.

(Рис. 1) Рис. По ширине образца напряжения считаются постоянным. Примем h1 h3 Запишем уравнение равновесия. Примем ортого нальную систему координат xyz, где x - продольная координата, z - поперечная коорди ната, y - вертикальная координата.

Тогда вдоль оси 0 x (продольная ось) и вдоль оси 0 z (поперечная ось) статические урав нения примут вид 2( x1h1 x 2 h2 ) P ;

2( z1h1 z 2 h2 ) 0. (1) Цифры в индексах соответствуют слоям. Ввиду симметрии пакета напряжения в слоях 1 и 3 одинаковые.

x и z одинаковыми по толщине в направлении Во всех слоях принимаем деформации осей 0 x и 0 z.

Подставим физические соотношения для ортотропных в виде x B11 x B12 z ;

z B21 x B22 z в соотношение (1) и, обозначая модули вдоль волокон E1, а поперек волокон E 2, учтем ортотропную структуру образца и получим выражения в форме:

x E1h1 E2 h2 z E1 12 (h1 h2 ) 0,5 P, x E1 12 (h1 h2 ) z E1h1 E2 h2 0.

После определения деформаций из последних уравнений с помощью соотношений за кона Гука, найдем напряжения в слоях вдоль оси x :

0,5 E1 E2 h1 E2 h2 E112 (h1 h2 ) x E1h1 E2 h2 E2 h1 E2 h2 E12 12 (h1 h2 ) (2) 0,5 E2 E2 h1 E2 h2 E2 12 (h1 h2 ) x E1h1 E2 h2 E2 h1 E2 h2 E12 12 (h1 h2 ) z 0, т.е. 12 0, то Если при определении напряжений в слоях 1 и 2 принять, что соотношения (2) примут более простой вид:

0,5 PE1 0,5 PE x1 x ;

. (3) E1h1 E2 h2 E1h1 E2 h Сравнивая выражения (2) и (3), можно отметить что (2) переходит в (3), если в равен ствах (2) опустить члены, содержащие коэффициенты Пуассона. Несмотря на то, что фор мулы (3) является приближенными в указанном смысле, они хорошо описывают напря женное состояние в слоях на некотором расстоянии от края. На краю образца, где про дольные оси нагружены растягивающими напряжениями x1, происходит включение в работу поперечного слоя. Определим длину зоны включения в работу. Напряжение в по перечном слое будем обозначать xi, i в краевой зоне должны выполняться условия равновесия:

xi i y i 0;

0. (4) x y x y Уравнения (4) определяют дополнительное нагруженное состояние, возникающее на краю образца.

Вследствие малой толщины слоев считаем, что напряжение xi не зависит от коорди наты y, т.е. постоянны по толщине. Тогда из уравнений (4) найдем:

y i x y i0 ( x) ;

y x ( i0 ) y yi ( x).

(5) i i i ( i0 ( x) и yi ( x) появляются в результате интегрирования по y).

Ввиду того что основное напряженное состояние, определяемое равенством (3), урав новешивает внешнюю нагрузку, дополнительно напряженное состояние должно быть са моуравновешенным т.е.

x1h1 x 2 h2 0.

~ ~ Окончательно суммарные нормальные напряжения, действующие в продольных и по перечных слоях с учетом (1) принимают вид E1 h x x 2 E1h1 E2 h2 h 1 (6) E x x 2 E1h1 E2 h Неизвестные функции i0 ( x) и yi ( x), входящие в соотношения (5), определяются из условий на поверхности слоев:

y 1 0.

y h1 h При y y, 1 2.

y h При 1 y y, 3 2.

y h При 2 y 3 0.

y (h1 h2 ) При Тогда получим выражение для переменных напряжений в слоях:

h1 h ( y h1 h2 ), 2 x2 y, 1 x 3 x ( y h1 h2 ), h2 h 2 h2 h 1 y (h1 h2 ), y h1 h y x y x y 2 h2 (h1 h2 ), y x 2 2 h1 2 h 1 2 3 2 Таким образом, для трехслойного образца все напряжения выражаются через неиз вестное пока переменное напряжение среднего слоя - x2. Так как задача решается в напряжениях, то неизвестное напряжения x2 ( x) определим из уравнения неразрывности деформаций, которое получим на основании принципа наименьшей работы частного слу чая - вариационного принципа Кастильяно. Потенциальная энергия имеет вид:

x i yi 1 xyi yxi 2 1 U xi yi dxdy. (8) i 2 i 0 i 1 hi 2 Exi 2 E yi 2 Exi E yi Считаем, что слои соединены жестко между собой без проскальзывания.

Поставив напряжения в (8) согласно выражениям (6) и (7) и проварьировав полученный функционал, получим уравнение совместности деформаций в виде (примем во всех выра жениях x2 ) IV 2a2 b 0, где 1 xy yx 2 3 1 xy yx 1 h2 h1h2 2 1 h2 h1h2 2 1 h1h 2 Ex2 E y1 3 6 Ex2 E y 3 G2 3G1 a2 ;

B 1 2h Ex h2 Ex h 2 ;

b2 B 1 5 2 4 1 5 h2 3 h2 h1 h2 h2 h1 h2 10 E h1 h2.

B 3 2 E y2 y Анализ коэффициентов уравнения показывает, что b2 a 2 решение уравнения имеет вид x e k x (C1 sin k2 x C2 cos k2 x) e k x (C3 sin k2 x C4 cos k2 x), (9) 1 b2 a где k1,2.

Ввиду того что изменяемая часть напряжений затухает от края, в решении (9) следует принимать C3 C4 0.

Коэффициенты C1 и C2 определяются из условия на границе второго слоя:

x 2 0.

при x 0 Тогда напряжения в слоях:

h2 E1 k1x k1 E x x 1 e sin k2 x cos k2 x 2 E1h1 E2 h2 h1 E2 k2 1 k x k E x 1 e 1 sin k2 x cos k2 x (10) 2 E1h1 E2 h2 k2 E e k1x sin k2 x y 2k2 E1h1 E2 h Максимальное значение напряжения x2 достигается при x / k 2 :

k E 1 e k2.

2 E1h1 E2 h2 x2 max Если в решении задачи пренебречь напряжениями обжатия слоев y1 то в слоях будут действовать только напряжения xi и i записанные в форма (6) и (7). Тогда уравнение совместности деформации будет второго порядка k 2 0, где 1 Ex h1 Ex2 h k2 1.

h1 h G1 G Решение этого уравнения выглядит следующим образом:

x C5e k x C6ek x. (11) Учитывая затухание напряжения от края, необходимо учесть C6 0.

В отличии от предыдущего решения с помощью решения (11) невозможно точно удо влетворить все граничные условия на краю и, как видно, полностью меняется характер изменения напряженного состояния. Константу C5 определим из условия x2 0 при x 0. Касательное напряжение на конце второго слоя (при x 0 ) достигает максимума, что не соответствует действительности. После определения константы C5 напряжения примут вид.

h2 E1 k x E x x 1 e 2 E1h1 E2 h2 h1 E2 1 E x2 1 e k x (12) 2 E1h1 E2 h2 E 2 e k1x y 2k2 E1h1 E2 h Характер распределения напряжений по координате x в слоях образца от края пока зан на рисунке 2. (сплошная линия соответствует решению (10), а штриховая - (12)). Хотя численные значения напряжений xi и i по решениям (10) и (12) практически совпадают, характер решений существенно отличается. Однако решение (10) позволяет точно опреде лять момент появления трещин в поперечном слое, расстояние между трещинами и вы числить новый средний модуль трехслойного образца.

Пусть, для определенности, материал определяется следующими параметрами 1 3 450, 2 / 2, и h2 0,5.h1 и h3 h1 0,001 (м). Свойства слоя задаются моду лями упругости: вдоль направления волокон- E1 120000 МПа, поперек направления E2 9000 МПа, модуль сдвига- G12 6000МПа. Для указанных параметров в результате получим следующие изменения относительных напряжений x / 20 по длине -верхний 2 индекс указывает на номер слоя (рис. 2).

x / k Рис. 2. Изменение относительных напряжений x / 20 по длине.

2 Определение характеристик композита после растрескивания Считаем, что после системы микротрещин в слое изменяется только его попереч ный модуль упругости E2. Для определения эффективного локального поперечного мо дуля E2 в разрушенной зоне воспользуемся следующими приближенными соотношения ми:

E2cр (h1 h2 ) E1 h1 Xf, E cp ( k ) / cp ( k ), cp ( k ) E2cp ( k ) dx, 2 cp h2 2X f X f 2cp ( k ) 2W / 2cp, 2cp 0,5 P /(h1 h2( k ) ) (13) Величина удельной средней энергии деформации W считается по формуле (8). Напряже ния под знаком интегрирования вычисляются с учетом (9). Приближенно можно считать i 0.

Для определения эффективных жесткостей композитного материала используются фор мулы механики композитов, с учетом того, что для слоев, где произошло растрескивание, поперечный модуль упругости рассчитывается по формуле (13).

Рассмотрим конкретный пример для композита с укладкой волокон 0 0 и 90 0, для трех разных соотношений толщин h1 -продольного слоя и h2 - поперечного слоя. При этом толщина h1 остается неизменной. Композит находится в условиях одноосного растяже ния. Принимаются следующие механические параметры однонаправленной ленты: модуль вдоль направления волокон- E1 120 ГПа, модуль поперек волокон- E 2 9 ГПа, модуль сдвига - G12 6 ГПа, коэффициент Пуассона - 21 0, 28, предел прочности вдоль направ ления волокон b1 1200 МПа, поперк волокон - b 2 40 МПа. При базовой расчетной толщине, равной h2 h1 1 мм, рассчитаны варианты: h2 h1 hb, h1 0,5h2 0,5hb, h2 0, 25h1.

На рисунке 3 приведены графики деформирования поперечного слоя в процессе его работы совместно с продольным слоем, где видна последовательность его разрушения.

По вертикали приведены силы (в ньютонах), которые воспринимают поперечные слои.

Диаграммы деформирования поперечного слоя для трех типов структур h2=0,25h h2=0,5h P (Н/мм ) h2=h 1.

0 0,2 0,4 0,6 0,4 1,0 0,6 1,4 1, % деформации Рис. 3. Диаграммы растяжения поперечного слоя с учетом появления первой и второй си стемы поперечных микротрещин в слое 90 0.

Из графиков видно, что после второго растрескивания поперечный слой фактиче ски выключается из работы. В этом случае следует принять E2 cp ( k ) 0. В дальнейшем бу дем считать, что после появления второй системы микротрещин поперечная жесткость поперечного слоя равна нулю.

Рассмотрим ту же структуру. Построим диаграмму деформирования всего слоисто го композита с учетом возникновения первой и второй системы трещин в поперечном слое (Рис. 4). По вертикали приведены силы в ньютонах, по горизонтали – деформация.

Жирным пунктиром обозначена первая из приведенных структур ( h2 h1 ), следующая по толщине – вторая структура ( h1 0,5h2 ) и затем – третья структура ( h2 0, 25h1 ). На гра фиках видна последовательность разрушения каждой структуры. Во всех случаях проис ходит два последовательных растрескивания поперечного слоя, после чего он полностью выключается из работы и работает только продольный слой до полного разрушения.

Диаграмма деформирования 3х слойного КМ.

h2=0,25h h2=0,5h P (Н/мм ) h2=h 2. Вторая система трещин Первая система трещин 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4 1, % деформации Рис. 4. Диаграммы растяжения композита с учетом появления первой и второй системы поперечных микротрещин в слое 90 0.

Последний участок наклонной части диаграммы (Рис.4) соответствует случаю, когда по перечной слой полностью разрушен E2cp ( k ) 0, а жесткость структуры определяется толь ко жесткостью волокон. Это полностью соответствует графикам Рис. 3.

Схема испытуемого трехслойного образца.

Схема трехслойного образца с продольной (слои 1, 3) и поперечной (слой 2) ориен тацией волокон представлена на рис. I. Длина образца - 150 мм, ширина – 20 мм. Концы образца (по 30 мм с каждой стороны) усиленны дополнительным материалам из стеклот кани под зажимы испытательной машины. Толщина каждого слоя равна 0,5 мм. Образцы поступают готовыми для испытания и изготавливаются из стеклопластика или из углепла стика. Для обработки результатов испытания необходимо результаты испытания 3-х об разцов.

Машины для испытания на растяжение/сжатие.

Основные параметры и характеристики Типоразмеры машин Наименование параметров ИР 100 ИР 200 ИР Измеряемая с установленной погреш ностью сила, кН 100 200 максимальная 2 4 минимальная Предел допускаемой погрешности из- ± мерения силы, % от измеряемой вели чины Диапазон изменения скорости нагру 0,5...50 1,0...100 2,0... жения, кН/с Полный ход (установочный и рабо до чий) активного захвата, мм Скорость перемещения активного за 3...600 3...300 3... хвата без нагрузки, мм/мин Диапазоны измерения перемещений активного захвата, мм:

0,1... малые перемещения 4,0... большие перемещения Диапазон изменения скорости дефор 0,05...5,0 0,025...2,5 0,0125...1, мации образца, мм/с Предел допускаемой погрешности из ± мерения больших перемещений, % Предел допускаемой погрешности из мерений и записи малых перемеще- ± ний и деформации, % Предел допускаемого значения по грешности поддержания скорости пе- ± ремещения активного захвата, % Комплект тензометров с электриче базы от 12 до 100 мм ским выходом Масштаб записи диаграммы растяже от 1:2 до 1000: ния Полный средний срок службы, лет Габаритные размеры (дли 14407032009 15957032192 наширинавысота), мм Масса, кг 980 1400 Потребляемая мощность, кВт 1,4 1,7 2, Методика проведения эксперимента Проведение эксперимента проводится по методике, изложенной в описании испы тательной машине.

Обработка и анализ экспериментальных данных Обработка результатов эксперимента проводится автоматически по программе за ложенной в персональном компьютере, прилагаемом к испытательной машине.

Литература 1. Анизотропные панели – плоская задача. /А.А. Дудченко, А.Н. Елпатьевский, С.А.

Лурье, В.В. Фирсанов. М.: Изд-во МАИ, 1991. 96 с.

2. Неупругие свойства композиционных материалов. Сер. «Механика», вып. 16. М.:

Мир,1978. 296 с.

3. Васильев В.В., Дудченко А.А., Елпатьевский А.Н. Об особенностях деформиро вания ортотропного стеклопластика при растяжении. «Механика полимеров», 1970, № 1.

С. 144-146.

Лабораторная работа № Исследование изменения плотности связующего по мере удаления от наночастицы и определение зоны влияния этой частицы на свойства межфазного слоя.

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Цель работы С помощью сканирующего туннельного микроскопа с нанометровым разрешением изучается на молекулярном уровне структура связующего в районе расположения наноча стицы и изменение плотности по мере удаления от не. Определяется длина межфазной зоны и оценивается скорость изменения плотности связующего и величина когезионной составляющей наночастицы. По полученным данным провести расчет эффективного мо дуля материала. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении лабораторной ра боты:Построение конструктивных расчетных моделей, описывающих механические свой ства нанокомпозитов (Тема 13).

Основные теоретические положения Рассмотрим композитный материал, армированный жесткими включениями (угле родные нанотрубки). Дадим построение модели межфазного слоя материала, содержащего жесткую частицу под действием растягивающей нагрузки. Предлагается вариант кон структивной расчетной модели. Основанием для построения такой модели являются ре зультаты исследований, где показано, что в окрестности границ включения возникает до полнительная межфазная зона, механические свойства которой являются переменными, изменяясь по экспоненциальному закону от жесткости включения до жесткости матрицы.

В рамках полученной расчетной модели учитываем размеры включений, протяженность межфазной зоны, изменение модулей при повороте частицы по отношению действующей нагрузки, влияние соседних частиц на свойства межфазного слоя. Проблема определения эффективных свойств композита, с нановключениями исследовалась в работах, рассмот ренных раннее.

Рассмотрим материал, содержащий жесткую частицу и нагруженный растягиваю щей нагрузкой. Построим в начале модель такого композиционного материала, учитыва ющего влияние свойств одной жесткой частицы на механические характеристики матери ала прилегающей зоны в направлении действия растягивающих сил. В имеющихся публи кациях показано, что влияние на свойства материала увеличивается с уменьшением раз меров частиц и величин их механических характеристик. Таким образом, вблизи точек прилегающих к включению ввиду е большой жесткости происходит увеличение жестко сти материала. В рамках приведенной ниже расчетной схемы предлагается учесть разме ры включения и протяженность межфазной зоны. Предлагается конструктивная модель, в которой предполагается переменность свойств материала с заданным характером измене ния в межфазном слое. Учитывается изменение модулей упругости в районе частицы в направлении оси x, а затем в направлении оси y при растяжении материала в направлении оси x При растяжении в районе, прилегающем к частице, образуются зоны влияния. Пер вая зона при растяжении вдоль оси x прилегает к сторонам ab и cd и затухание направлено вдоль оси x. Вторая зона при растяжении вдоль оси x прилегает параллельным сторонам ac и bd и характеризуется изменением свойств по оси y. В первом случае для определе ния изменения характеристики в направлении оси x примем для областей, прилегающих к сторонам ab и cd, следующие простые предположения относительно изменяемой части модуля:

1. Считаем, что напряженное состояние вдоль линии растяжения частица – матри 0 по ца, т.е. вдоль оси x перпендикулярно сторонам ab и cd, постоянно (напряжение стоянно). Тогда податливость изменяется так же, как и деформации. Этот случай соответ ствует локальному усреднению по Рейссу;

остается постоянной, 2. Примем также, что в направлении оси y деформация следовательно, для нормальных напряжений и модуля упругости характер изменения бу дет одинаковым. Такой характер изменения модуля упругости соответствует усреднению по Фойгхту.

3. Материал, окружающий частицу, считается изотропным;

4. Влияние свойств частицы обратно пропорционально радиусу r по мере удаления от любой точки поверхности включения и прямо пропорционально cos (рис.2).

x область вблизи частицы де Таким образом, предполагается, что при сдвиге вдоль оси лится на два типа подобластей: I и II. Одна из них (I)– это окрестность границ ab, cd. В этой подобласти модуль упругости вычисляется по правилу Рейсса. Другая подобласть (II) расположена вдоль границ ac, bd. В этой подобласти модуль упругости определяется согласно правилу Фойгхта. Эти две подобласти разделены прямолинейным лучом, поло жение которого определяется параметром 0, т.е. тангенсом угла между осью x и лини ей, разделяющей зоны изменения модуля упругости подобластей I и II.

На основе сделанных предположений определяют влияние включения модуль упругости E x в зоне подобласти I:

cos Ex k, (1) r где коэффициент k подбирается таким образом, чтобы модуль упругости Еx в связующем около поверхности частицы равнялся модулю включения Е2. Такое распределение отвеча ет плоской задаче теории для полупространства, нагруженного усилиями, приложенными по части длины полосы. Можно также отметить, что в рассматриваемой теории частица может иметь форму сплошного или полого цилиндра. По мере удаления от частицы в направлении оси x модуль в прилегающей зоне будет стремиться к модулю связующего Е1. В соответствии с первым предположение деформация в этом направлении будет изме няться от величины 2 до значения 1 в матрице. Уравнение (1) характеризует изменяемую часть модуля упругости от одной какой-то точки частицы. Определим е изменяемость по ширине частицы. Для этого распространим влияние модуля E x на ширину частицы dy, а rd dy выразим через полярные координаты r и d согласно рис.13.4 в виде dy.

cos Для учета влияния ширины включения dy в точке М уравнение (1) запишем в виде cos r d ~ Ex k (2) r cos и проинтегрировать по ширине в полярных координатах от 2 до 1 (рис.1).

Интегрирование в рассматриваемых пределах дает Ex k d k ( 2 1 ). (3) Это уравнение можно преобразовать к декартовым координатам x и y, приняв во внимание связь между координатами в виде tg y / x или arc tg ( y / x). (4) Тогда выражение (13.3) запишем в виде Ex k (arctg y2 x arctg y1 x), и представим изменение модуля упругости в общем виде как Ex k (arctg y2 x arctg y1 x) A. (5) Здесь y1 и y2 расстояния по координате y от концов частицы до точки М можно предста вить, как y1 y a и y2 y a (рис.2).

Для определения констант приведем выражение к оси координаты x и примем y2 = a, a y1= a (рис. 2). Тогда уравнение (5) примет вид Ex 2k (arctg a x) A.

Константы k и А находятся из условий, при которых при x Еx= E1 и при x 0 Еx= E2.

Тогда А = Е1, а k = (E2 – E1)/, так как arc tg (a / 0) / 2.

Следовательно, выражение (5), характеризующее значение модуля в произвольной точке М для первой зоны, запишется ( E2 E1 ) Ex1 [arctg ( y a) x arctg ( y a) x] E1, (6) или ( E 1) Ex1 E1 [arctg ( y a) ax arctg ( y a) ax ] 1. (7) Лабораторное оборудование, его состав и подробное описание (экспериментальный стенд, приборное оборудование, объект исследований и т. д.).

Используется следующее оборудование:

- Установка роста углеродных нанотрубок;

- Сканирующий туннельный микроскоп с нанометровым разрешением;

- Установка для изготовления композитных образцов с наночастицами в связующем.

Методика проведения эксперимента.

Проведение эксперимента проводится по методике, изложенной в описании скани рующего микроскопа Обработка и анализ экспериментальных данных.

Обработка результатов эксперимента проводится по методике, приведенной при использовании сканирующего микроскопа.

Литература:

Дудченко А.А., Лурье С.А., Шумова Н.П. Структурная модель межфазного слоя для наполненных композиционных материалов. Межотр. н.-т. журнал.: «Конструкции из композиционных материалов». М.: ВИМИ. вып. 3, 2006. С.3-11.

ГЛАВА 2. ТЕПЛОФИЗИКА ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР Лабораторная работа № Электронно-микроскопическое исследование наноструктур на поверхностях, моди фицируемых в плазме тлеющего разряда.

Объем учебных часов на проведение лабораторной работы: 4 часа Цель работы Ознакомление с теорией и техникой модифицирования поверхности диэлектрика в плазме тлеющего разряда, электронно-микроскопическое сравнение наноструктуры по верхности до и после обработки. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении работы: Раздел 8.: Энергообмен между потоками ионов и поверхностями твердых тел Основные теоретические положения:

Модификация поверхностных структур в плазме тлеющего разряда. Ионизацию газа. Энергией ионизации. Рекомбинация электронов и ионов. Коэффициент объемной ионизации. Коэффициент вторичной эмиссии. Тлеющий разряд. Частично ионизованная и полностью ионизованная плазма. Механизм воздействие плазмы тлеющего разряда на по верхность катода. Распыление материала катода. Влияние распыления на наноструктуру поверхности.

Техника безопасности при проведении экспериментов:

Студент не имеет права в отсутствие преподавателя включать установку.. Запреща ется подключать к электросети оборудование, не предусмотренное в описании лаборатор ной работы. При выходе из строя компьютерной техники следует немедленно отключить ее от электрической сети.

Лабораторное оборудование:

Работа проводится на вакуумной установке разработанной на базе универсального вакуумного поста ВУП-4.Установка позволяет создавать вакуум в рабочем объеме 1,3310-4 Па с помощью вакуумной системы, схема которой показана на рис. Вакуумная система состоит из рабочего объема 1, паромасляного насоса 7, вакуум ного механического насоса 4, буферного баллона 6, электромагнитных вентилей 5, мано метрических преобразователей 2;

8, вентиля с ручным приводом 9, вентиля напуска воз духа 10.

Соединение основных частей вакуумной системы осуществляется вакуумными ре зиновыми шлангами или металлическими патрубками с вакуумными уплотнениями в ме стах соединений.

Обработка алюминиевых мембран плазменным потоком производится с использо ванием рабочего участка, который устанавливается внутрь рабочего объема в специальное коническое гнездо. Схема рабочего участка для обработки мембран в плазме тлеющего разряда показана на рис.2.

Рис.1. Схема вакуумной системы.

Рис.2. Схема рабочего участка.

Участок состоит из высоковольтного токоподвода 1, анода 2, столика для образцов 3, стеклянной колбы 4, фланца 5, медного корпуса 6, нагревателя 7, термопары 8, вентиля тонкой регулировки подачи газа 9. Рабочий газ аргон подается под колпак по трубке 10 из баллона через игольчатый натекатель.

Методика проведения эксперимента:

Производится включение установки ВУП-4 и вывод на режим диффузионного насоса.

Напускается воздух в рабочий объем и открывается колпак.

В рабочее положение устанавливается участок для плазменного травления.

На столик устанавливается мембрана анодированным слоем вниз.

Закрывается колпак и установка вакуумируется. Откачка производится механиче ским насосом и далее диффузионным насосом до давления 210-4 Па.

Подается напряжение на анод ~ 2кВ.

С помощью натекателя производится напуск аргона в пространство между катодом и анодом до момента зажигания тлеющего разряда. Путем тонкой регулировки расхода аргона с помощью вентиля 9 (рис.2) устанавливается режим разряда I= 20мА U = 2кВ.

Производится обработка образца плазмой в течение 20мин.

По окончании плазменной обработки снимаются рабочие напряжения, закрывается подача газа и производится напуск воздуха в рабочий объем.

Образец вынимается и переносится на столик сканирующего электронного микро скопа EVO-40.

При увеличениях 50000 и 100000 производится фотографирование участков мембраны в зонах подвергавшихся и не подвергавшихся плазменной обработке.

Обработка и анализ экспериментальных результатов:

По полученным изображениям определяются параметры наноструктуры (диаметр отверстий, шаг структуры, проницаемость участка мембраны).

Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОМЕМБРАН МЕТОДОМ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ Объем учебных часов на проведение лабораторной работы: 4 часа Цели работы:

Ознакомление с работой РЭМ, получение электронной микрофотографии наномебраны (увеличение порядка 10 4 );

обработка микрофотографии для получения распределения наноотверстий по диаметрам, вычисление прозрачности мембраны. Раздел курса дисци плины, изучаемый при выполнении работы: Раздел 8.: Энергообмен между потоками ионов и поверхностями твердых тел Основные теоретические положения:

Корпускулярно- волновой дуализм. Разрешающая способность оптического и элек тронного микроскопа. Схема просвечивающего (ПЭМ) и растрового (РЭМ) электронного микроскопа. Принцип действия РЭМ. Предел разрешения и глубина резкости РЭМ. Вза имодействия электронов с веществом: упругие столкновения и неупругие столкновения электронов с атомам. Вторичные электроны, электроны Оже, характеристическое и тор мозное рентгеновское излучение. Электроны обратного рассеяния.. Катодолюминесцен ция. Трековая наномембрана.

Техника безопасности при проведении экспериментов:

студент не имеет права в отсутствие преподавателя включать установку.. Запреща ется подключать к электросети оборудование, не предусмотренное в описании лаборатор ной работы. При выходе из строя компьютерной техники следует немедленно отключить ее от электрической сети.

Лабораторное оборудование:

Работа выполняется на сканирующем электронном микроскопе EVO– 40 фирмы ZEISS. Принципиальная схема микроскопа показана на рис.1.

Электронная пушка генерирует электронный пучок, падающий на образец. Пучок проходит через корректирующие катушки, которые служат для точной ориентации пучка вдоль оси колонны. Конденсорные линзы К1 и К2 фокусируют пучок. Апертурная диа фрагма регулирует глубину резкости. Далее пучок проходит через поле катушек стигма тора (на рисунке не показан), устраняющих астигматизм изображения. Катушки сканиро вания перемещают пучок вдоль поверхности образца, осуществляя растровое сканирова ние, аналогичное телевизионной развертке. Эти катушки управляются генератором скани рования через блок регулировки увеличения изображения, который управляет размером сканируемой поверхности, тем самым, увеличением на экране монитора. Далее пучок проходит через поле объективной линзы, которая окончательно фокусирует пучок на по верхности образца. Все три линзы управляются пакетом программ OptiBeam, который до водит до максимума ток образца, когда пучок сфокусирован на поверхности образца. Вто ричные электроны регистрируются детектором ВЭ, сигнал с которого поступает на про цессор изображения. Сигнал от каждой точки поверхности накапливается в памяти про цессора изображения. По окончании сканирования изображение высвечивается на мони торе.

Внутреннее пространство микроскопа откачивается с помощью вакуумной систе мы (рис.2).

Рис. 1 Схема растрового электронного микроскопа Рис.2. Схема откачки РЭМ Объектами исследования служат:

образцы полимерных трековых наномембран, двухслойные тонкие металлические наномебраны Полимерная трековая наномембрана представляет собой полимерную (лавса новую) пленку толщиной 10 мкм, в которой в результате сложной предварительной обра ботки создаются отверстия нанометрового диапазона.

Предварительная обработка заключается в облучении пленок потоком высокоэнер гетических (с энергиями 1–10 мЭв) тяжелых ионов (атомов) на ускорителях или ядерных реакторах, в результате чего вдоль траекторий (треков) тормозящихся ионов в материале пленки образуются дефекты структуры;

после этого пленки облучаются ультрафиолето вым излучением (происходит сенсибилизация пленок) и подвергаются химическому трав лению, в результате которого образуется большое количество сквозных отверстий (пор) с диаметрами не ниже 20 нм. Поскольку эти пленки – диэлектрики, для наблюдения их в ЭМ на них напыляется тонкий (толщиной 10 – 15 нм) слой углерода.

Полученные с помощью описанной технологии трековые мембраны в настоящее время используются для сепарации растворов в биологи, биотехнологии, аналитической химии, в наносенсорной микроэлектронной технологии. Технические параметры мембран, харак теризующие их способность к сепарации, определяются размерами отверстий, распреде лением по размерам, количеством отверстий на единицу площади.

Двухслойные тонкие металлические наномебраны представляют собой сереб ряную пленку толщиной 80 нм на которую методом испарения в вакууме напылен слой углерода толщиной 15нм. После напыления слоев производилось ионное травление двух слойной системы до получения в ней наноотверстий. Наномембрана расположена на под держивающей медной сетке с квадратными отверстиями размером 5050 мкм2 с шагом 100 мкм. Толщина сетки 150 мкм.

Методика проведения эксперимента:

Перед началом выполнения работы студенты под руководством преподавателя знакомятся со сканирующим электронным микроскопом EVO–40 фирмы ZEISS, с осо бенностями его конструкции и с принципами управления микроскопом.

Производится запуск электронного микроскопа и его программного обеспечения, при этом комментируются все выполняемые при этом действия.

Студенты знакомятся с интерфейсом программы, осуществляющей управление различ ными элементами микроскопа.

Производится напуск воздуха в рабочую камеру микроскопа.

После открытия камеры снимается 9-позиционный столик и в одну из позиций устанавливается исследуемый объект – лавсановая трековая наномембрана с углеродным слоем (толщиной 10–15 нм), напыленным в специальной установке для снятия заряда с поверхности.

Столик устанавливается в рабочее положение.

Рабочая камера откачивается до давления 10-5 Торр.

Включается электронная пушка и устанавливается ускоряющее напряжение 10 кВ.

Производится инициализация стола. При этом программное обеспечение определя ет начальные координаты стола по каждой из пяти степеней свободы (три поступательные и две вращательные).

Стол поднимается в рабочее положение, при этом устанавливается фокусное рас стояние WD = 9 – 10мм.

При минимальном увеличении 35 путем перемещения стола по X и Y координа там отыскивается исследуемый объект и производится наводка на резкость.

Увеличение доводится до 5000 и производится наводка на резкость. Аналогичным образом увеличение доводится до 15000, после чего производится фотографирование участка поверхности наномембраны. Полученная фотография распечатывается на принте ре и выдается студентам для проведения статистической обработки.

Обработка и анализ экспериментальных результатов В результате обработки фотографии участка наномембраны должны быть получены сле дующие характеристики изучаемого объекта:

действительные размеры обрабатываемого участка, распределение отверстий по диаметрам, средний диаметр отверстий и дисперсия полученного распределения.

проницаемость участка мембраны.

Примечания Действительная площадь F (выраженная в мкм2) участка мембраны определяется 1.

масштабированием в соответствии с длиной маркера, приведенного в левом нижнем углу фотографии.

Для дальнейшей работы необходимо в ПК запустить программу Excel.

2.

Площадь каждого отверстия на изображении мембраны f отв измеряется числом 3.

квадратиков мерной сетки и заносится в первый столбец таблицы (предварительные запи си можно выполнять в рабочем журнале).

Диаметры отверстий d экв вычисляются в Excel’e по формуле d экв 2 f отв / во 4.

втором столбце таблицы.

d экв Вычисляется среднее значение (единицей измерения служит шаг сетки) в 5.

соответствии с длиной маркера, приведенного в левом нижнем углу фотографии. Вычис ляется средний действительный диаметр Dэкв в микрометрах.

Вычисляется проницаемость мембраны Р, равная, по определению, отношению сум 6.

марной площади отверстий Fотв к общей площади участка F : P Fотв / F (следует обратить внимание на то, что F и Fотв должны быть выражены в одних единицах).

После обработки всего изображения по результатам строится распределение в виде 7.

гистограммы.

Лабораторная работа № ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТОНКОСЛОЙНЫХ ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА Объем учебных часов на проведение лабораторной работы: 4 часа.

Цели работы:

Определить коэффициент теплопроводности тонкослойного образца материала с относи тельно невысокой теплопроводностью и зависимость этого коэффициента от температу ры, используя метод динамического калориметра. Раздел курса дисциплины, изучаемый при выполнении работы: Тема 7. Теплотехнические задачи в элементах космической тех ники из наноматериалов.

Основные теоретические положения:

Теплопроводность. Градиент температуры. Закон теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности, его зависимость от параметров состояния, влияние кристаллической структуры.

Техника безопасности при проведении экспериментов:

студент не имеет права в отсутствие преподавателя включать установку. При превыше нии температуры образца критической температуры следует незамедлительно отключить установку. Запрещается подкдючать к электросети оборудование, не предусмотренное в описании лабораторной работы. При выходе из строя компьютерной техники следует не медленно отключить ее от электрической сети.

Лабораторное оборудование:

В состав измерителя ИТ- -400 входят: блок питания и регулирования, блок изме рительный (далее – БИ) с измерительной ячейкой, аналого-цифровой преобразователь сигналов и – в качестве регистратора и накопителя преобразованной в цифровой вид ин формации – ПЭВМ. Для обработки, хранения и визуализации регистрируемой информа ции используется пакет ПО "PowerGraph" (версия 3.3).

Блок питания и регулирования обеспечивает нагрев ядра измерительной ячейки со средней скоростью 0,1К/с и автоматическое регулирование скорости роста е темпера туры. Источником регулируемого напряжения служит ЛАТР, снабжнный электродвига телем и редуктором. Схема авторегулирования температуры, выполненная на базе усили теля с обратной связью, позволяет на протяжении всего эксперимента поддерживать раз ницу температур стержня и адиабатической оболочки (соответственно поз. 5 и 6 на рис. 1) с погрешностью не хуже 0,ЗК.

Упомянутая измерительная ячейка является главной частью БИ;

конструкция е разъмного корпуса уясняется уже при общем знакомстве с установкой.

Нижняя часть корпуса закреплена на станине БИ, а верхняя – на подъмно поворотной штанге. Через патрубки корпуса возможны подача и отвод жидкого азота (при необходимости охлаждения ядра – и, соответственно, образца, – до минус 130...150 С).

Для всех температурных измерений используются хромель-алюмелевые термопары диаметром 0,2мм, изолированные в горячей зоне ядра тонкостенными керамическими трубками.

При охлаждении ядра измерительной ячейки жидким азотом (для расширения тем пературного диапазона исследования зависимости t ) применяется литровый криоген ный спецбачок с теплоизолированными стенками, который устанавливается на верхнюю часть корпуса ячейки и соединяется с верхним патрубком корпуса;

расход жидкого азота для охлаждения измерительной ячейки до -130°С...-150°С 5...7л.

Методика проведения эксперимента:

Для измерения коэффициентов теплопроводности, в данной лабораторной работе, используется т.н. метод динамического калориметра (подробнее – см. [1]), в основу кото рого положен режим монотонного нагрева образца, позволяющий в ходе одного экспери мента получить ещ и температурную зависимость изучаемого параметра. Теплотехниче ская схема метода показана на рис. 1.

Рис. 1. Тепловая схема метода: 1 – основание (медь);

2 – пластина тепломера (нерж.

сталь);

3 – контактная пластина (медь);

4 – испытуемый образец;

5 – стержень (медь);

6 – теплоизолирующая оболочка;

7 – термопара стержня: 8 и 9 – термопары на пластине теп ломера.

Испытуемый образец (4), контактная пластина (3), пластина тепломера (2) и стер жень (5) монотонно разогреваются тепловым потоком Q, поступающим от основания (1), нагреваемого потоком энергии, идущим от омического сопротивления. Боковые по верхности стержня (5), образца (4), контактной пластины (3), толщиной 1мм, и тепломер ной пластины (2) адиабатически изолированы оболочкой (6) от окружающей среды.

Стержень (5) и контактная пластина (3) изготовлены из высокотеплопроводного материа ла – меди, поэтому перепады температур в процессе нагрева системы незначительны и пренебрегаются. Т.к. темп изменения температуры невелик ( 10 К/сек), а теплопровод ность меди велика ( 400 Вт/(м К)). Тепловой поток Q, проходящий через среднее по толщине сечение пластины тепломера (2), частично поглощается ею и далее идт на разо грев контактной пластины (3), образца (4) и медного стержня (5). Рабочим слоем тепломе ра (2) служит пластина из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, h = 10мм, впаянная между мед ным основанием (1) и медной же контактной пластиной (3). Для увеличения теплового сопротивления тепломерной пластины (2) (ведущего к увеличению температурного пере пада на ней, что, в конечном итоге, способствует повышению точности измерения ) и для снижения е тепломкости (что также методологически важно, см. ниже) в ней вы полнены отверстия и канавки. Собственно контактная, медная пластина и нужна в первую очередь для того, чтобы выровнять по сечению тепловой поток (и температурное поле) перед измеряемым образцом. Температурные измерения в ядре измерительной ячейке, об разуемом совокупностью деталей 1, 2, 3, 4 и 5 (рис. 1), обеспечиваются тремя хромель алюмелевыми термопарами (7), (8) и (9). Термопара (7) обеспечивает измерение темпера туры медного стержня (5);

термопары (8) и (9), расположенные на противолежащих тор цах пластины (2), измеряют перепад температуры на тепломере при нагреве измеритель ной ячейки, а разница показаний термопар (8) и (7) весьма близка к величине температур ного перепада на испытуемом образце (4).

Размеры и массы элементов измерительной системы подобраны таким образом, чтобы тепловые потоки, аккумулируемые образцом (4) и тепломером (2), были бы по крайней мере в 5…10 раз меньше потоков, поглощаемых стержнем (5), который играет роль своего рода теплового накопителя.

В этом случае температурное поле образца (4) и пластины (2) оказывается близким к линейному, стационарному;

все детали системы разогреваются с близкими скоростями, а для любого значения температуры справедливы соотношения:

t обр S C обр С ст Vt Qобр. R где: Qобр. – тепловой поток, проходящий через образец и поглощаемый стержнем, Вт;

tобр – перепад температуры на образце, К;

R – тепловое сопротивление между стержнем и контактной пластиной, (м К)/Вт;

Cобр – полная тепломкость образца, Дж/К (расчт - см. формулу (7));

Сст – полная тепломкость стержня, Дж/К (расчт - см. формулу (8));

Vt – скорость разогрева измерительной ячейки, К/с;

S – площадь поперечного сечения образца, м2;

и:

Qтм К тм t тм С тм С кп Собр Сст Vt * где: Qтм – теплопоток, проходящий через среднее сечение пластины тепломера (2), Вт;

К тм – коэффициент пропорциональности, характеризующий эффективную тепловую про * водимость пластины (2), Вт/К;

tтм – перепад температуры на тепломерной пластине (2), К;

Стм – полная тепломкость тепломерной пластины (2), Дж/К;

Скп – полная тепломкость контактной пластины(3), Дж/К.

Тепловое сопротивление между стержнем и контактной пластиной определяет фор мула:

R Rобр Rк где: Rобр – тепловое сопротивление образца, (м2 К)/Вт;

Rк – поправка, учитывающая тепловое сопротивление контакта и тепловое сопротивление заделки термопар, (м2 К)/Вт.

Тепловое сопротивление самого образца определяется соотношением:

h Rобр где: h – высота (толщина) образца, м, – коэффициент его теплопроводности, Вт/(м К), величину которого предстоит опреде лить.

Используя соотношения (1)…(4), можно получить рабочие расчтные формулы для вычисления теплового сопротивления образца и его коэффициента теплопроводности:

t обрS 1 с.обр Rобр Rк t тм К тпм где: с.обр – поправка, учитывающая тепломкость образца:

Собр с.обр 2(Собр Сст ) здесь: Cобр – полная тепломкость образца, Дж/К;

Сст – полная тепломкость медного стержня, Дж/К;

Полные теплоемкости вычисляются так:

Cобр собр mобр Cст с меди t mст где: mобр и mст – соответственно массы образца и медного стержня, кг;

с обр и смеди t – удельные тепломкости, соответственно: испытуемого образца (ориентировочное, при близительное значение, из справочника «Физических величин», например) и меди (при чм для не - в зависимости от е температуры, для большей точности определения вели чины Сст );

значения смеди t даны в «Приложении» (табл. 2).

Значение тепловой проводимости пластины тепломера определяется формулой:

С ст К тм К тм * С кп С ст С тм а коэффициента теплопроводности испытуемого образца (см. (4)) - формулой:

h Rобр Необходимо иметь в виду следующее обстоятельство: разработанная схема прове дения эксперимента предполагает осуществление не непрерывного, а дискретного – по температуре – замера параметров (в ходе эксперимента регистрируются показания термо пар, соответствующие температурным перепадам t тм и t обр, которые появляются при нагреве измерительного блока установки). Это значит, что в том диапазоне температур, при которых испытывается образец (максимальный – от – 125°С до +400°С), упомянутые параметры регистрируются с шагом в 25°С температуры образца. Поэтому вычисленные значения следует относить к средней температуре образца, которую определяют по формуле:

t t измер. 0,5 Аt Eобр. где: t – средняя температура образца, °С;

t измер. – температура ядра измерительной ячей ки, при которой проводилось измерение вышеупомянутых параметров, °С;

Eобр. – пока зание термопары (мВ), соответствующее величине перепада температуры на образце;

Аt – чувствительность хромель-алюмелевой термопары, К/мВ (зависимость Аt от температуры измерения датся в «Приложении», табл. 2 или 4).

Все параметры в приведнных выше формулах так или иначе рассчитываются или измеряются при выполнении данной работы – кроме величин К тм и Rк. Очевидно (см.

соотношения (2)...(10)), что эти две величины никак не зависят от свойств испытуемого образца и условий его испытания. Они, по сути, являются техническими характеристика ми конкретной измерительной установки, т.е. «постоянными величинами» используемого вами прибора. Поэтому значения К тм и Rк и их температурные зависимости были – дан ной установки – заранее определены в ходе серии специальных градуировочных экспери ментов. Границы и предмет нашего изложения не позволяют нам рассказать о методике градуировки прибора подробнее, однако эти зависимости также можно найти в «Прило жении» (см. табл.3).

Обработка и анализ экспериментальных результатов После завершения эксперимента осуществляется просмотр файла регистрации экс периментальных параметров. В таблицу 4 заносятся значения Еобр и Е тм, соответ ствующие температурам, указанным в этой таблице. В ней уже должны содержаться зна чения рассчитанной ранее полной тепломкости медного стержня Сет и различных вспо могательных справочных величин (см. раздел «Обозначения символов табл. 4»).

Логическая схема последующего расчта значений коэффициента теплопроводно сти такова:

с.обр.

1) рассчитайте поправку на тепломкость образца по формуле (6);

Rобр по формуле (5). При этом входящие 2) рассчитайте тепловое сопротивление образца в не температурные величины t тм и t обр вычисляются через замеренные значения Еобр с помощью тарировочной температурной зависимости Аt для Х-А тер Е тм и мопары (приведена в табл. 2);

3) рассчитайте коэффициент теплопроводности испытуемого образца по формуле (10);

4) рассчитайте температуру отнесения измерительного значения теплопроводности t по формуле (11).

Все необходимые для расчта параметра данные заносятся вручную (с клавиату ры) в соответствующие столбцы Ехсеl-таблицы: для расчта и построения температурной зависимости t.

Отметим, что наиболее рациональную и удобную для расчтов конфигурацию таб лицы основных параметров (№4) и, тем более, итоговой Ехсеl-таблицы, студенты могут выбирать по своему усмотрению.

Образец протоколов лабораторной работы Таблица 1. Основные параметры образца и результаты эксперимента №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10 № Обозначения символов табл.1:

t ст - температура стержня,°С;


Еобр - перепад ЭДС на термопаре образца, мВ;

Е тм - пе репад ЭДС на термопаре рабочего слоя тепломера, мВ;

Аt - чувствительность хромель алюмелевой термопары, К/мВ;

Ктм – тепловая проводимость пластины тепломера, Вт/К;

Rк - контактное тепловое сопротивление, (К м2)/Вт;

Rобр - тепловое сопротивление ис с.обр.

следуемого образца, (К м2)/Вт;

Сст - полная тепломкость стержня, Дж/К;

- по t правка на тепломкость образца (безразмерна);

- средняя при измерении температура образца,°С;

- коэффициент теплопроводности исследуемого образца, Вт/(м К). Темпе ратурные зависимости некоторых параметров (например, Сст Дж/К) в данной таблице вы числены заранее и приведены - для ускорения обработки экспериментальной информации (поскольку методическое значение подобного рода вычислений не выходит за рамки задач элементарной арифметики).

Литература:

1. Шатунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. – М.: Энергия, 1972.

2. Сергеев С.А. Метрологические основы теплофизических измерений. – М.: Стан дарт, 1972.

3. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергия, 1978.

4. Эксплуатационная документация на измеритель теплопроводности ИТ- -400 – Актюбинск, 1984.

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Лабораторная работа № ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы. Лабораторная работа №1 – ознакомительная лабора торная работа по дисциплине «Основы космической техники». Проводится в виде экскур сии в музее МАИ с привлечением стендов, посвященных космонавтике: ее истории и со временному состоянию.

Цель работы:

Знакомство студентов с историей развития и современным состояниям космиче ской техники. Раздел курса дисциплины – тема 1 «Общая характеристика космической техники».

Изучаемые вопросы:

Зарождение космонавтики. Первые работы в области космических полетов. Роль К.Э.Циолковского в становлении космонавтики как науки. Становление космонавтики.

Первые полеты космических летательных аппаратов. Запуск первого в мире искусствен ного спутника Земли (4 октября 1957 года) — открытие эры космонавтики. Первый в мире пилотируемый полет космического ЛА с Ю.А. Гагариным 12 апреля 1961 года. Ракеты носители и космические корабли «Восток», «Восход», «Союз». Общая характеристика ра кет-носителей и космических кораблей. Их роль в освоении околоземного простран ства.Искусственные спутники Земли;

общая характеристика;

их роль в решении народно хозяйственных и военных задач: связь, телевидение, метеорология, геодезия, навигация, геология и др.Автоматические межпланетные станции. Полеты к Луне, Венере, Марсу и другим планетам. Спускаемые аппараты. Освоение Луны и ближайших планет. Лунохо ды.Конструкторы ракетно-космической техники. Конструкторы ракетно-космической техники – выпускники МАИ. Космонавты – выпускники МАИ.

Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Новиков В.Н., Вейтин В.Е. Введение в ракетно-космическую технику. – М.:

Изд-во МАИ. 1997.

Лабораторная работа № ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования раке ты-носителя на примере ракеты Р-7. Проводится с привлечением препарированного об разца ракеты-носителя Р-7.

Цели работы:

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах функционирования ракеты-носителя (РН). Раздел курса дисциплины – тема 3 «Особенности устройства и функционирования космических аппаратов различных классов», раздел 3.1 «Ракеты носители».

Изучаемые вопросы:

1. Целевое назначение ракеты-носителя 2. Летно-технические характеристики ракеты-носителя 3. Способы создания управляющих сил и моментов 4. Компоновка ракеты-носителя 5. Полезная нагрузка ракеты-носителя 6. Компоненты и принципы работы системы управления ракеты-носителя 7. Компоненты и принципы работы двигательной установки ракеты-носителя 8. Состав бортового оборудования ракеты-носителя 9. Анализ конструктивно-технологических решений конструкций ракеты-носителя Основные положения.

С использованием двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 4 октября 1957 года был веден на околоземную орбиту первый в мире искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 года ракета-носитель «Восток» (построенная на основе ракеты Р-7) вывела на околоземную орбиту космический корабль «Восток» с первым кос монавтом Земли Ю.А.Гагариным.

Общий вид ракеты приведен на рис. 1,а. На рис. 1,б представлена конструктивно компоновочная схема ракеты.

а б Рис. 1. Ракета Р-7:

а — общий вид ракеты, б — конструктивно-компоновочная схема ракеты;

1 - носовой конус с полезной нагрузкой;

2, 6 - приборные отсеки;

3 - антенны телеметрической системы;

4 - башмаки силового пояса;

5, 7 - баки окислителя;

8, 9 - баки горючего;

10 - многокамерные маршевые двигатели центрального и боковых блоков;

11 - аэродинамические рули;

12 - рулевые камеры сгорания Основные характеристики ракеты Р- Максимальная дальность стрельбы, км Начальная масса ракеты, т Масса головной части, т 5,3 - 5, Масса заправляемых компонентов ракетного топлива (жидкий кисло род, керосин, перекись водорода, газ ), т Скорость в момент выключения ДУ, м/с:

первой ступени второй ступени Тяга ДУ на земле (первой и второй ступеней), тс 403, Конструктивно-компоновочная схема ракеты – двухступенчатая «пакетная» (с продоль ным делением ступеней). Такая схема обладает рядом достоинств: запуск всех двигателей в «идеальных» условиях на стартовой позиции, относительная простота проектной опти мизации размеров ступеней, в т.ч. с учетом транспортировки их железнодорожным транс портом, а также возможность – путем добавления новых верхних ступеней – создания це лой гаммы носителей для решения существенно разных задач.

Конструктивно-компоновочная схема ракеты Р-7 включает центральный блок (ЦБ) «А», похожим на гигантское «веретено», и четыре конических боковых блока «Б», «В», «Г» и «Д». По внутренней компоновке как боковые, так и центральный блок аналогичны одно ступенчатым ракетам. Топливные баки всех блоков являются несущими. Основные ком поненты топлива - керосин Т-1 (горючее) и жидкий кислород (окислитель) - располагают ся, соответственно, в нижнем и верхнем баках каждого блока. Вспомогательные компо ненты - жидкий азот для наддува баков и перекись водорода для привода турбонасосного агрегата (ТНА) - размещаются в торовых баках непосредственно над рамой двигателя.

Двигатели всех пяти блоков начинают работать с Земли.

Первая ступень (четыре боковых блока) оснащена жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) РД-107 (четыре основные и две рулевые камеры, питаемые общим ТНА на каждом блоке). На второй ступени стоит ЖРД РД-108 (четыре основные и четыре рулевые каме ры, питаемые общим ТНА).

Рис. 2. Многокамерные двигатели РД-107 и РД-108 ракеты Р- Передача усилий от боковых блоков на центральный блок осуществляется через силовой пояс с четырьмя башмаками, в пазы которых входят головные части «боковушек». Эти четыре силовых узла одновременно служат опорными точками для собранной и установ ленной на старте ракеты. Внизу, на стыке топливных и двигательных отсеков, имеются поперечные стяжки. При разделении ступеней маршевые двигатели боковых блоков пере водятся в режим пониженной тяги, управляющие камеры выключаются, а нижние попе речные стяжки «пакета» разрываются пирозарядами. Тяга двигателей «боковушек» созда ет момент относительно опорных узлов. «Пакет» раскрывается, блок «А» уходит вперед.

Как только сферические оголовки боковых блоков выйдут из башмаков и освободят име ющиеся там электроконтакты, вскрываются сопловые крышки в верхней части «бокову шек», и остаточное давление наддува баков кислорода стравливается, создавая при этом небольшую тягу. Боковые блоки разворачиваются и отводятся на безопасное расстояние.

Система управления включает автомат стабилизации, обеспечивающий нормальную и бо ковую стабилизацию, систему регулирования кажущейся скорости и радиосистему управ ления дальностью и направлением. На центральном блоке установлена система регулиро вания одновременного опорожнения баков, ибо отсутствие такой системы приводит к большой потере дальности.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в про цессе ее выполнения 1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекци онный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, летно-технические характеристики ракеты носителя, устройство и принципы работы его основных подсистем: полезной нагрузки, системы управления, двигательной установки, бортового оборудова ния;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется сле дующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов.

М.: Издательство «Машиностроение», 2003.

2. Методическая записка к лабораторной работе по ракете Р-7.

3. Препарированный образец ракеты Р-7 в учебной лаборатории.

Лабораторная работа № ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования ис кусственных спутников Земли (ИСЗ) на примере спутника связи серии «Луч». Проводится в лаборатории кафедры 601 с привлечением спутника связи «Альтаир» серии «Луч».


Цели работы:

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах функционирования ИСЗ – спутника связи серии «Луч».

Раздел курса дисциплины – тема 3 «Особенности устройства и функционирования косми ческих аппаратов различных классов», раздел 3.2. «Искусственные спутники Земли»

Изучаемые вопросы:

1. Целевое назначение ИСЗ 2. Компоновка ИСЗ 3. Основные характеристики ИСЗ 4. Полезная нагрузка ИСЗ 5. Состав бортового оборудования ИСЗ Основные положения.

Спутник связи серии «Луч» – это геостационарный искусственный спутник Земли (ИСЗ), получивший при международной регистрации индекс SDRN (W,C,E).

Спутники связи серии «Луч» двойного назначения предназначены для обеспечения связи пилотируемых комплексов, обмена ТВ новостями и программами между телецентрами;

проведения телемостов, телеконференций, репортажей, ретрансляции информации и ор ганизации связи в чрезвычайных условиях и в труднодоступных районах, решения других задач.

Основные характеристики спутника связи серии «Луч»

Тип формируемых услуг ретрансляция и управление (КРС/DRS) Орбита: геостационарная Расчетный срок службы 3 года Стартовая масса 2400 кг Длина 11 м Диаметр 16 м Электрическая мощность системы электропитания: 1750 Вт Количество ретрансляторов Ширина диаграммы направленности ретрансляторов наведение всех антенн в любую точку зоны обслуживания Средство выведения на орбиту РН "Протон" с разгонным блоком "Д" Общий вид спутника связи серии «Луч» представлен на рис. 1, 2.

Рис.1. Общий вид спутника связи серии «Луч» на орбите Рис.2. Общий вид спутника связи серии «Луч» в лаборатории Космические спутники связи «Луч» разрабатывались для ретрансляции с орби тальной станции «Мир» и на нее телевизионной информации, обеспечения двусторонней связи с орбитальным кораблем многоразового использования «Буран», с космическими кораблями «Союз» и «Прогресс» и разгонными блоками – межорбитальными буксирами.

В процессе испытаний выяснилось, что радиолинии спутника связи «Луч» имеют суще ственный запас по энергетике и по времени работы, который может быть использован для других целей, в частности для системы сбора и передачи оперативной телевизионной ин формации. Такая система обеспечивает двусторонний обмен ТВ-информацией между цен тральными и репортажными станциями и позволяет проводить «телемосты», телеконфе ренции или передавать телерепортажи из «горячих» точек, телерепортажи о спортивных событиях и т.д. в реальном масштабе времени практически из любой точки Земли за ис ключением приполярных районов.

При полном развертывании орбитальной группировки в ней должны быть три ИСЗ с точками стояния 16 град. з.д.(WSDRN), 95 град. в.д.(CSDRN), 160 град. з.д. (ESDRN).

Космические аппараты «Луч» сыграли огромную роль в развитии отечественного спутни костроения. Запуск спутников связи «Луч» в 80-х годах позволил в два раза увеличить продолжительность сеанса связи орбитального комплекса «Мир» с Землей: Центр управ ления полета видел орбитальную станцию «Мир» даже на противоположной стороне пла неты. И космонавты смогли общаться с родственниками и с Центром управления без дли тельных перебоев связи, практически круглосуточно.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в про цессе ее выполнения 1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекци онный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, технические характеристики ИСЗ, устройство и принципы работы его основных подсистем: полезной нагрузки, системы ориентации, дви гательной установки, бортового оборудования;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется сле дующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

2. Методическая записка к лабораторной работе по спутнику связи «Альтаир».

3. Образец спутника связи «Альтаир» » серии «Луч» в учебной лаборатории.

Лабораторная работа № ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования кос мического корабля на примере космического аппарата «Союз». Проводится в лаборатории кафедры 601 с привлечением препарированного образца космического корабля «Союз».

Цель лабораторной работы Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах функционирования космического корабля (КК). Раздел курса дисциплины – тема 3 «Особенности устройства и функционирования космических аппаратов различных классов», 3.4. Космические ко рабли.

Изучаемые вопросы:

1. Целевое назначение космического корабля 2. Летно-технические характеристики космического корабля 3. Принципиальная схема вывода космического корабля на орбиту ракетой-носителем «Союз».

4. Компоновка космического корабля 5. Назначение и конструктивно-компоновочная схема орбитального отсека.

6. Назначение и конструктивно-компоновочная схема спускаемого аппарата.

7. Компоненты и принципы работы системы управления космическим кораблем 8. Компоненты и принципы работы двигательной установки космического корабля 9. Система обеспечения жизнедеятельности экипажа космического корабля.

Основные положения.

Программа полетов пилотируемых КК «Союз» (осуществляется с 1967г.) предусматривает широкие научные и технические исследования в околоземном космическом пространстве при автономных полетах КК и в совместных полетах с орбитальной станцией.

Расположение КК «Союз» в составе космической головной части (КГЧ) ракеты-носителя (РН) «Союз» показано на рис. 1.

Рис.1. Космическая головная часть РН "Союз":

а – КГЧ РН;

б – увод ракетным двигателем твердого топлива (РДТТ) системы аварийного спасения (САС) разделительным РДТТ при штатном полете;

в – разворот створок голов ного обтекателя (ГО) 1 – ДУ САС;

2 – РДТТ разворота створок ГО;

3 – КК «Союз»;

4 – плавающие опоры спускаемого аппарата (фиксируются в аварийной ситуации);

5 – аварийный стык на ГО;

6 – узлы разворота створок ГО;

7 – разгонный блок (РБ) «И»;

8 – разделительный РДТТ;

9 – продольный стык ГО;

10 – решетчатые стабилизаторы САС (при штатном полете прижаты к обтекателю;

раскрываются после аварийного отде ления уводимой части КГЧ);

11 – поперечный стык КГЧ с РН;

12 – створка ГО Космический корабль «'Союз» массой 6,5 - 6,8 т, длиной 7,5 м при максимальном диаметре 2,72 м состоит из трех отсеков (см. рис.2):

— орбитальный отсек (ОО), предназначенный для работы и отдыха экипажа на орбите. В нем размещается научно-исследовательская и другая аппаратура для работы и наблюде ний, места для отдыха и сна, шлюзовая камера для выхода в открытый космос, стыковоч ный агрегат и др.;

— спускаемый аппарат (СА), обеспечивающий безопасное возвращение экипажа и необ ходимого оборудования на Землю. Спускаемый аппарат имеет прочный теплозащищен ный корпус, выдерживающий нагрузки при спуске в атмосфере Земли, специальные крес ла (ложементы) для размещения членов экипажа, обеспечивающие наименьшие отрица тельные воздействия перегрузок на организм космонавтов;

систему жизнеобеспечения для экипажа и индивидуальные средства (скафандры) для каждого космонавта, а также пуль ты и механизмы, воздействующие на систему управления спускаемым аппаратом в экс тремальных условиях;

— приборно-агрегатный отск, в котором размещаются основные приборы и оборудова ние, обеспечивающие различные функциональные задачи, и сближающе-корректирующая двигательная установка (ДУ).

Рис. 2. Общий вид космического корабля «Союз»:

1 — стыковочный агрегат;

2 — орбитальный отсек;

3 — спускаемый аппарат;

4 — приборно-агрегатный отсек Компоновочные схемы отсеков КК «Союз» (спускаемого аппарата и орбитального отсека) показаны на рис.3—4.

Рис.3. Препарированный образец спускаемого аппарата и орбитального отсека КК «Союз»

Рис.4. Конструктивно-компоновочная схема спускаемого аппарата КК «Союз»:

1 – корпус с тепловой защитой;

2 – двигатели управления по рысканию;

3 – двигатели управления по тангажу;

4 – командно-сигнальное устройство;

5 – приборная доска;

6 – иллюминатор оптического прибора (визир-ориентатор);

7 – ручка управления КК;

8 – шарнир кресла;

9 – отрывная плата;

10 – сбрасываемый лобовой теплозащитный экран;

– двигатели управления по крену;

12 – пороховые двигатели мягкой посадки (ДМП);

13 – рама с баллоном и арматурой для подачи газа в скафандры;

14 – кабинная часть оптиче ского прибора (внешняя, сбрасываемая перед спуском часть не показана);

15 – кресло космонавта;

16 – люк для доступа к бакам с топливом;

17 – контейнеры с пищей, водой и носимым аварийным запасом (НАЗ);

18 – запасная парашютная система;

19 – ниша для установки баков;

20 – амортизатор кресла;

21 – основная парашютная система;

22 – при борная рама;

23 – баки с топливом (условно смещены);

24 – контейнер запасной пара шютной системы (условно смещен);

25 – контейнер основной парашютной системы;

26 – крышка парашютного контейнера (условно смешена);

27 – узел крепления стренг пара шюта (условно смещен);

28 – донный шпангоут;

29 – иллюминатор;

30 – крышка люка лаза со щелевой антенной Рис.5. Компоновочная схема орбитального отсека КК «Союз»:

а – часть отсека с панелью управления;

б – часть отсека с контейнером для скафандров и спальных мешков;

1 – крышка люка-лаза;

2 – телекамера «Аполлона»;

3 – светильник телекиноосвещения;

4, 9 – телекамеры;

5 – аптечка, шлемофон;

6 – контейнер для пищи;

7 – контейнер для науч ной аппаратуры;

8 – инструменты, кабели для связи;

10 – панель управления системами;

11 – «сервант»;

12 – откидной столик;

13 – устройство сбора отходов;

14 – посадочный люк;

15 – контейнер для отходов;

16 – приемное устройство питьевой воды;

17 – пору чень;

18 – стыковочный агрегат;

19 – газоанализатор;

20 –декоративная обшивка отсека;

– контейнер для шлангов скафандров;

22 – иллюминатор;

23 – огнетушители;

24 – контей нер для укладки кинофотоаппаратуры, скафандров и спальных мешков;

25 – крышка «по ла»;

26 – «диван»;

27 – распределительная коробка;

28 – контейнер для бортдокумента ции;

29 – рукоятка клапана системы наддува отсеков;

30 – светильник рабочего освещения Общий объем воздуха жилых помещений — 10 м3. Две жизненно важные системы дублированы: тормозная ДУ и парашютная система.

Методические указания студентам при подготовке к лабораторной работе и в про цессе ее выполнения.

1. Лабораторная работа проводятся в учебной лаборатории.

2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны изучить необходимый лекци онный материал и рекомендованную учебную литературу.

3. В процессе самоподготовки на лабораторной работе студенты должны:

изучить целевое назначение, летно-технические характеристики космического корабля, устройство и принципы работы его основных подсистем: системы жизнеобеспе чения экипажа, системы управления, двигательной установки, бортового оборудования;

подготовится к сдаче зачета по лабораторной работе.

В качестве привлекаемых для выполнения лабораторных работ средств используется сле дующее учебно-методическое обеспечение:

1. Учебно-методическая литература:

Космонавтика, энциклопедия. М., 1985.

Гущин В.Н. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.:

Издательство «Машиностроение», 2003.

Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов. / Н.И. Па ничкин, Ю.В. Слепушкин, В.П. Шинкин, Н.А. Яцынин. – М.: Машиностроение. 1986.

2. Методическая записка к лабораторной работе по космическому кораблю «Союз».

3. Препарированный образец КК «Союз» в учебной лаборатории.

Лабораторная работа № ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ МЕЖПЛАНЕТНОЙ СТАНЦИИ Объем учебных часов на проведение лабораторной работы – 4 часа Тема лабораторной работы: изучение основ устройства и функционирования авто матической межпланетной станции (АМС) на примере межпланетных станций «Вега»».

Проводится в лаборатории кафедры 601 с привлечением препарированного образца АМС «Вега».

Цели работы.

Закрепление студентами на практике теоретических знаний, полученных на лекци онных занятиях, на примере изучения основ устройства и принципах АМС. Раздел курса дисциплины – тема «Особенности устройства и функционирования космических аппара тов различных классов», раздел «Автоматические межпланетные станции».

Изучаемые вопросы:

1. Целевое назначение АМС 2. Технические характеристики АМС 3. Компоновка АМС 4. Полезная нагрузка АМС 5. Компоненты и принципы работы системы управления АМС 6. Компоненты и принципы работы двигательной установки АМС 7. Состав бортового оборудования АМС 8. Состав научной аппаратуры АМС Основные положения.

Автоматические межпланетные станции «Вега» (название происходит от слов "Ве нера" и "Галлея") предназначены для изучения Венеры (впервые провели изучение атмо сферы с помощью аэростатов) и кометы Галлея. Было изготовлено два идентичных аппа рата: Вега-1 и Вега-2.

Компоновка АМС «Вега» показана на рис.1.

Рис.1. Компоновка АМС «Вега»

Станции серии «Вега» состоят из двух частей — пролтного модуля, массой около 2,5 тонн, и спускаемого аппарата, массой около 2 тонн. Спускаемый аппарат, в свою оче редь, подразделялся на посадочный модуль и аэростатный атмосферный зонд. Общая мас са станции в полностью снаряжнном состоянии составляет 4920 кг.

Данные с посадочных модулей ретранслировались на Землю через пролтные ап параты, а с аэростатных зондов — непосредственно на 60-70-метровые антенны, располо женные на территории ряда государств, в том числе СССР и США.

На пролтном модуле (рис.2) установлены следующие научные приборы:

телевизионная система;

инфракрасный спектрометр;

трехканальный спектрометр 0,3-1,7 мкм;

пылеударный масс-спектрометр для исследования химического состава пыле вых частиц;

три счтчика пылевых частиц;

магнитомер;

спектрометр кометной плазмы;

спектрометр энергичных частиц;

измеритель нейтрального газа;

анализатор плазменных волн высокочастотный;

анализатор плазменных волн низкочастотный.

Рис.2. Пролетный модуль АМС «Вега»

Посадочный модуль (рис.3) был оборудован следующими научными приборами:

датчики для измерения температуры и давления атмосферы (СССР);

спектрофотометр для исследования атмосферы Венеры (СССР, Франция);

газовый хроматограф для изучения химического состава атмосферы и облачно го слоя Венеры (СССР);

прибор для изучения элементного состава аэрозоля облаков (СССР);

спектрометр для получения данных об аэрозольном слое облаков Венеры (СССР);

масс-спектрометр для исследования облаков (СССР, Франция);

измеритель влажности для определения содержания водяных паров в атмосфере (СССР);

спектрометр с грунтозаборным устройством для рентгенофлюоресцентного анализа состава пород венерианского грунта (СССР);

гамма-спектрометр для определения в венерианских породах содержания есте ственных радиоактивных элементов — урана, тория, калия (СССР);

прибор для определения физико-механических свойств поверхностного слоя грунта с маленькой буровой установкой (СССР).

Рис.3. Посадочный модуль АМС «Вега»

Для изучения состава грунта посадочный модуль располагает маленькой буровой установкой.

Аэростатный зонд нсет аппаратуру для измерения метеорологических параметров (датчики температуры, давления, скорости ветра, плотности облачности, световых вспы шек) и оборудован гелиевыми баллонами для многочасового дрейфа в атмосфере Венеры.

Изучение Венеры «Вега-1» и «Вега-2» стартовали 15 и 21 декабря 1984 с помощью ракеты «Протон».

Через 6 месяцев полта аппараты преодолели 500 млн. км и приблизились к Венере.

9 и 13 июня 1985 от «Веги-1» и «Веги-2» были отделены спускаемые аппараты, которые 11 и 15 июня при входе в атмосферу разделились на посадочные модули и аэростатные зонды.

В процессе снижения посадочных модулей измерялись характеристики облачного слоя и химического состава атмосферы. Была измерена концентрация серной кислоты в облаках, а также обнаружено присутствие серы, хлора и, вероятно, фосфора. Плотность облаков оказалась невысокой (по земным меркам), концентрация была максимальна в двух слоях, имеющих ширину 3 — 5 км и расположенных на высотах 50 и 58 км.

Посадочные модули совершили мягкую посадку на ночную сторону Венеры в рай оне равнины Русалки.

Посадка модуля «Веги-2» была впервые совершена в высокогорном районе, поэто му анализ грунта в этом месте представлял особый интерес. После посадки были осу ществлены заборы грунта и проведены измерения рентгенофлюоресцентных спектров ве нерианской породы.

Гамма-спектрометры «Вег», предназначенные для измерения содержания урана, тория и калия в венерианских породах, начали работать во время спуска посадочных мо дулей на высоте 25 км и функционировали вплоть до окончания работы аппаратов. В обе их точках, где произвели посадку модули, обнаружены породы с относительно невысоки ми содержаниями естественных радиоактивных элементов.

Аэростатные зонды произвели снижение на парашютах и после наполнения их оболочек гелием начали дрейф в атмосфере планеты на высоте 50-60 км, проводя измере ния метеорологических параметров.

Давление на этой высоте составляло 0,5 атм., а температура 40 °C.

Данный облачный слой является наиболее плотным в атмосфере Венеры, и в нм, как предполагалось, наиболее отчетливо должна проявляться суперротация атмосферы Венеры — глобальное вращение атмосферы с востока на запад. Каждый зонд проработал около 46 часов и за это время пролетел под действием ветра около 12 тыс. км со средней скоростью 250 км/ч, измеряя вдоль трассы полета температуру, давление, вертикальные порывы ветра, дальность видимости в облаках, среднюю освещенность и следя за наличи ем световых вспышек. Первый зонд дрейфовал вдоль экватора в северном полушарии, второй — в южном.

Данные зондов показали наличие очень активных процессов в облачном слое Вене ры, характеризующихся мощными восходящими и нисходящими потоками. Когда зонд «Веги-2» пролетал в районе Афродиты над вершиной высотой 5 км, он попал в воздуш ную яму, резко снизившись на 1,5 км. Оба зонда обнаружили на ночной стороне вариации освещенности и световые вспышки, то есть грозовые разряды. Аэростатный эксперимент позволил получить новую, уникальную информацию об атмосфере планеты.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.