Проектирование тепловой защиты солнечного зонда с учетом параметров структуры теплозащитных материалов

Авторы

Салосина М. О.^1*, Алифанов О. М.^1**, Ненарокомов А. В.^2***

1. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4
2. Кафедра 601 «Космические системы и ракетостроение»,

*e-mail: salosina.m@yandex.ru
**e-mail: o.alifanov@yandex.ru
***e-mail: nenarokomovav@mai.ru

Аннотация

Рассматривается задача оптимального проектирования многослойной тепловой защиты минимальной массы с учетом ограничений на допустимые температуры на границах слоев. Наряду с толщиной слоев теплозащитного покрытия в число проектных параметров включаются диаметр ячейки и пористость, характеризующие структуру высокопористого ячеистого материала. Алгоритм решения оптимизационной задачи основывается на методе штрафной функции, применяемого в качестве средства поиска хорошего начального приближения, и методе спроектированного лагранжиана, обладающего высокой скоростью локальной сходимости. В качестве примера использования разработанного алгоритма и соответствующего программного обеспечения рассматривается задача выбора оптимальной толщины слоев теплозащитного экрана солнечного зонда совместно с параметрами структуры высокопористого ячеистого материала. Приведены результаты расчета оптимальных параметров плоского трехслойного теплозащитного экрана, подвергающегося высокоинтенсивному радиационному тепловому воздействию.

Ключевые слова:

солнечный зонд, тепловая защита, высокопористые ячеистые мате- риалы, оптимальное проектирование.

Библиографический список

1. Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. Пермь: Типография ПГУ, 2009. 342 с.

2. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен. М.: Мир, 1976. 616 с.

3. Öchsner A., Murch G.E., Lemos M.J.S. (Eds). Cellular and Porous Materials: Thermal Properties Simulation and Prediction. Weinheim: Wiley-VCH, 2008. 422 p.

4. Baillis D., Raynaud M., Sacadura J.F. Determination of spectral radiative properties of open cell foam. Model vali- dation // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2000. V. 14. N 2. P. 137–143. https://doi.org/10.2514/2.6519.

5. Cunsolo S., Coquard R., Baillis D., Bianco N. Radiative properties modeling of open cell solid foam: Review and new analytical law // International Journal of Thermal Sciences. 2016. V. 104. P. 122–134. https:// doi:10.1016/ j.jqsrt.2007.05.007.

6. Хюлст Г. ван де. Рассеяние света малыми частица- ми. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. 537 c.

7. Coquard R., Rochais D., Baillis D. Conductive and radia- tive heat transfer in ceramic and metal foams at fire tempe- ratures // Fire Technology. 2012. V. 48. P. 699–732. https://doi.org/10.1007/s10694-010-0167-8.

8. Cunsolo S., Coquard R., Baillis D., Chiu W.K.S., Bianco N. Radiative properties of irregular open cell solid foams // In- ternational Journal of Thermal Sciences. 2017. V. 117. P. 77–89. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2017.03.007.

9. Nenarokomov A.V. Design of a system of multilayer heat insulation of minimum mass // High Temperature. 1997. V. 35. P. 453–457.

10. Михайлов В.В. Оптимизация многослойной теплоизоляции // Инженерно-физический журнал. 1980. Т. 39.№ 2. С. 286–291.

11. Maiorova I.A., Prosuntsov P.V., Zuev A.V. Optimal thermal design of a multishield thermal protection system of a reusable space vehicles // Journal of Engineering Physics and Thermophisics. 2016. V. 89. P. 528–533. https://doi: 10.1007/s10891-016-1406-8.

12. Nosratollahi M., Mortazavi M., Adami A., Hosseini M. Multidisciplinary design optimization of a reentry vehicle using genetic algorithm // Aircraft Engineering and Aero- space Technology: An International Journal. 2010. V. 82. P. 194–203. https://doi.org/10.1108/00022661011075928.

13. Riccio A., Raimondo F., Sellitto A., Carandente V., Scigliano R., Tescione D. Optimum design of ablative thermal protection systems for atmospheric entry vehicles // Applied Thermal Engineering. 2010. V. 119. P. 541–552. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.03.053

14. Xie C., Wang Q.,Sunden B., Zwang W. Thermomechani- cal optimization of lightweight thermal protection system under aerodynamic heating // Applied Thermal Engineering. 2013. V. 59. P. 425–434. https://doi.org/10.1016/j.applther- maleng.2013.06.002.

15. Полак Э. Численные методы оптимизации. Единый подход. М.: Мир, 1974. 374 с.

16. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985. 509 с.

17. Ohlhorst C.W., Vaughn W.L., Ransone P.O., Hwa- TsuTsou. Thermal Conductivity Database of Various Struc- tural Carbon-Carbon Composite Materials // NASA TM- 4787. Langley Research Center. Hampton, 1997. 96 p.

18. Чеканова В.Д., Фиалков А.С. Стеклоуглерод: получе- ние, свойства, применение. // Успехи химии. 1971. Т. 40.№ 5.С. 777–805.

19. Papoular R.J., Papoular R. Some optical properties of graphite from IR to millimetric wavelengths // Monthly No- tices of the Royal Astronomical Society. 2014. V. 443. P. 2974—2982.https://doi.org/10.1093/mnras/stu1348

20. ULTRAMET Advanced Materials Solutions. Ultramet. Pacoi- ma, 2018. Режим доступа: http://ultramet.com/refractory- open-cell-foams-carbon-ceramic-and-metal/properties-of-foam- materials (дата обращения 19.07.2019 г.)