Система тепловой защиты керамических термонапряженных элементов спускаемых аппаратов и возвращаемых ступеней ракет-носителей


Авторы

Колычев А. В.*, Керножицкий В. А.**, Левихин А. А.***

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» имени Д.Ф. Устинова, ул. 1-я Красноармейская, 1, Санкт-Петербург, 190005, Россия

*e-mail: migom@mail.ru
**e-mail: vakern@mail.ru
***e-mail: levihin1981@gmail.com

Аннотация

Статья посвящена термоэмиссионной тепловой защите термонапряженных элементов возвращаемых ступеней ракет-носителей и спускаемых аппаратов, разрабатываемой в БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова. В настоящей работе приведены результаты расчетных оценок снижения температуры поверхности термонапряженных элементов спускаемых аппаратов и возвращаемых ступеней ракет-носителей при применении термоэмиссионной тепловой защиты, которая основана на явлении термоэлектронной эмиссии — испускании электронов нагретым металлом, сопровождаемое эффектом электронного охлаждения. Основным допущением является сохранение неизменной работы выхода электронов поверхности защищаемых элементов спускаемых аппаратов и возвращаемых ступеней ракет-носителей в течение всего времени их высокоскоростного полета. В сущности, поддержание заданной величины работы выхода электронов в этот промежуток времени представляет собой сложную техническую задачу. В работе показано, что в зависимости от температуры поверхности без термоэмиссионной тепловой защиты и работы выхода электронов снижение температуры может достигать ~700—800 °С без учета изменения тепловых потоков аэродинамического нагрева при таком снижении температуры. В дальнейшем планируется учесть это изменение. Разрабатываемая термоэмиссионная тепловая защита позволит снизить температуру защищаемых термонапряженных элементов спускаемых аппаратов и возвращаемых ступеней многоразовых ракет-носителей, в том числе самолетного типа, снизить возникающие в них температурные напряжения и деформации. На данной основе появляется возможность существенно повысить ресурс этих элементов и увеличить количество их повторного применения до наступления предельного состояния.

Ключевые слова

термоэлектронная эмиссия, электронное охлаждение, термоэмиссионная тепловая защиты, спускаемые аппараты, многоразовые ракеты-носители

Библиографический список

  1. Быков Л.В., Никитин П.В., Пашков О.А. Mатематическое моделирование процессов обтекания затупленного тела высокоскоростным потоком // Труды МАИ. 2014. № 78. 19 c.

  2. Егоров И.А. Учет баланса тепловых потоков на внешней поверхности летательного аппарата // Труды МАИ. 2017. № 93. 6 c.

  3. Садчиков И.И., Чулков С.А. Обоснование рациональной полетной кратности использования двигателей и планера многоразовых средств выведения полезной нагрузки на космические орбиты // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 6. 24 c.

  4. Нестеров В.Е., Рудаков В.Б., Макаров М.И. Анализ основных задач экспериментальной отработки многоразовой ракетно-космической системы // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 5. С. 77–85.

  5. Никитин П.В., Сотник Е.В. Воспроизведение конвективно-лучистого теплообмена, сопутствующего входу космических аппаратов в атмосферы планет со второй космической скоростью // Труды МАИ. 2011. № 42. С. 16.

  6. Федорченко Е.А., Никитин П.В. Тепло- и массообмен на проницаемой поверхности системы тепловой защиты спускаемого космического аппарата // Труды МАИ. 2012. № 50. 19 c.

  7. Ненарокомов А.В., Титов Д.М., Мунес Г.В. Автоматическое проектирование неразрушаемой тепловой защиты космических аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. № 2. 9 c.

  8. Гращенков Д.В., Щеголева Н.Е., Симоненко Е.П., Ермакова Г.В. Высокотемпературный керамический композиционный материал, устойчивый при длительной эксплуатации до 2000 °C с многоуровневой комплексной системой защиты // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. № 8. С. 25–28.

  9. Руднев А.М., Дикий К.Л. Повышение жаропрочности керамических материалов путем создания волокнистых структур // Вiсник СевНТУ. 2011. № 119. С. 50–53.

  10. Прямилова Е.Н., Пойлов В.З., Лямин Ю.Б. Термохимическая стойкость керамики на основе боридов циркония и гафния // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. 2014. № 4. С. 55–67.

  11. Варрик Н.М., Ивахненко Ю.А., Максимов В.Г. Оксид-оксидные композиционные материалы для газотурбинных двигателей (обзор) // Труды ВИАМ. 2014. № 8. С. 3–21.

  12. Колычев А.В., Керножицкий В.А. Тепловая защита гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) с использованием явления термоэлектронной эмиссии // Решетневские чтения. 2009. Т. 1. № 13. С. 29–30.

  13. Керножицкий В.А., Колычев А.В., Охочинский Д.М. Термоэмиссионный способ тепловой защиты частей летательных аппаратов при их аэродинамическом нагреве. Патент RU 2404087. Заявка 2009140802/11, 03.11.2009. Бюллетень изобретений. 2010. № 32. С. 7.

  14. Керножицкий В.А., Колычев А.В., Охочинский Д.М. Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева. Патент RU 2430857. Заявка 2009144640/11, 01.12.2009. Бюллетень изобретений. 2011. № 28. С. 9.

  15. Керножицкий В.А., Колычев А.В., Охочинский Д.М. Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева. Патент на полезную модель 95637, РФ. Заявка 2010107010/22, 25.02.2010. Бюллетень изобретений. 2010. № 19. С. 12.

  16. Керножицкий В.А., Атамасов В.Д. Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева. Патент RU 2 495 788. Заявка № 2012100799/11, 11.01.2012. Бюллетень изобретений. 2013. № 29. С. 8.

  17. Керножицкий В.А., Колычев А.В., Охочинский Д.М. Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева. Патент RU 2 506 199. Заявка № 2012125730/11, 19.06.2012. Бюллетень изобретений. 2014. № 4. С. 11.

  18. Керножицкий В.А., Колычев А.В. Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева. Патент RU 2 572 009. Заявка № 2014144567/11, 05.11.2014. Бюллетень изобретений. 2015. № 36. С. 11.

  19. Колычев А.В. Активная тепловая защита элементов конструкции гиперзвукового летательного аппарата на новых физических принципах при аэродинамическом нагреве // Труды МАИ. 2012. Вып. № 51. 18 c.

  20. Колычев А.В. Активная термоэмиссионная тепловая защита элементов конструкции гиперзвукового летательного аппарата при их аэродинамическом нагреве и границы ее применимости // Труды МАИ. 2013. Вып. № 68. 15 с.

  21. Колычев А.В. Оценка параметров функционирования термоэмиссионной тепловой защиты гиперзвукового летательных аппаратов // Труды МАИ. 2014. Вып. № 74. 28 с.

  22. Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974. 288 с.

  23. Квасников Л.А., Кайбышев В.З., Каландаришвили А.Г. Рабочие процессы в термоэмиссионных преобразователях ядерных энергетических установок. М.: МАИ, 2001. 208 c.

  24. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов. Киев: Наукова думка, 1981. 339 с.

  25. Бабичев А.П., Бабушкина II.Л., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник / Под. ред. И.С. Григорьева, Е.3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1994. 1232 с.

  26. Кресанов В.С., Малахов Н.П., Морозов В.В. и др. Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана. М.: Энергоатомиздат, 1987. 152 с.

  27. Alkandry H., Hanquist K., Boyd I.D. Conceptual analysis of electron transpiration cooling for the leading edges of hypersonic vehicles // 11th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, AIAA AVIATION Forum, 2014, (AIAA 2014-2674).18 c. DOIs: 10.2514/6.2014-2674

  28. Hanquist K.M., Hara K., Boyd I.D. Modeling of electron transpiration cooling for hypersonic vehicles // 46th AIAA Thermophysics Conference, AIAA AVIATION Forum, 2016, (AIAA 2016-4433). DOI: 10.2514/6.2016-4433

  29. Hanquist K.M., Boyd I.D. Comparisons of computations with experiments for electron transpiration cooling at high enthalpies // 45th AIAA Thermophysics Conference, AIAA AVIATION Forum, 2015, (AIAA 2015-2351). 13 c. DOI: 10.2514/6.2015-2351

  30. Hanquist K.M., Alkandry H., Boyd I.D. Evaluation of computational modeling of electron transpiration cooling at high enthalpies // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2017. V. 31. N 2. P. 283–293. DOI: 10.2514/1.T4932

  31. Uribarri L., Allen E.H. Electron transpiration cooling for hot aerospace surfaces // 20th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conferences, 2015, (AIAA 2015-3674). DOI: 10.2514/6.2015-3674



Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024