Математическое моделирование и результаты испытания теплового состояния неразрушаемой многослойной тепловой защиты летательного аппарата


Авторы

Титов Д. М.*, Бон А. Ф., Ермаков В. Ю., Туфан А. **

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: d.titov@mai.ru
**e-mail: anttufan@gmail.com

Аннотация

В статье представлены результаты разработки конструкции и расчетного исследования теплового состояния модели неразрушаемого теплозащитного покрытия, созданного на основе композитных материалов с керамической матрицей и аэрогелем, а также проведена оценка применимости этого покрытия для тепловой защиты поверхности многоразовой космической системы с учетом уровня тепловых потоков, воздействующих на критические элементы ее конструкции – носовой обтекатель и переднюю кромку консоли крыла, а также с учетом влияния давления газа внутри пористого материала теплозащитного покрытия. Теоретическая часть исследования включает разработку математической модели для расчета теплофизических характеристик теплозащитного покрытия, и на основе двумерной нестационарной задачи теплопроводности выполнено численное моделирование прогрева теплозащитного покрытия рассматриваемой конструкции в условиях воздействия тепловых нагрузок. Экспериментальную часть исследования составили испытания образца теплозащитного покрытия, изготовленного по результатам численного расчета его геометрических характеристик и температурного состояния. Полученные данные сопоставлены с характеристиками теплозащитного покрытия многоразовой космической системы типа «Буран», что позволило провести оценку эффективности разработанного теплозащитного покрытия. 

Ключевые слова:

многоразовое теплозащитное покрытие, многоразовая космическая система, аэрогель, керамическая матрица, нестационарная задача теплопроводности, вакуумная плазменная установка

Список источников

  1. Емелин А.А., Завилов И.М., Кленина Т.В. О роли многоразовых транспортных средств в условиях организации космического производства // Экономика космоса. 2022. № 2 (2). C. 74–78. 
  2. Nebylov A., Nebylov V. Reusable Space Planes Challenges and Control Problems // IFAC-PapersOnLine. 2016. Vol. 49. № 17. pp. 480–485. DOI: 10.1016/j.ifac ol.2016.09.082 
  3. Житнюк С.В. Бескислородные керамические материалы для аэрокосмической техники (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 8 (68). С. 81–88. 
  4. Fesmire J.E. Aerogel insulation systems for space launch applications // Cryogenics. 2006. Vol. 46. pp. 111–117. DOI: 10.1016/J.CRYOGENICS.2005.11.007 
  5. Runze J., Zihan Z., Jia L. et al. Aerogels for thermal protection and their application in Aerospace // Gels. 2023. Vol. 9. № 8. pp. 606. DOI: 10.3390/gels9080606 6. Zircar Zirconia ZYBF-1 Zirconia Bulk Fiber Insulation. 
  6. Zircar Zirconia ZYBF-1 Zirconia Bulk Fiber Insulation
  7. Sutheesh P.M., Chollackal A. Thermal performance of multilayer insulation: A review // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 396. № 1. DOI: 10.1088/1757-899X/396/1/012061 
  8. Ярошевский В.А. Вход в атмосферу космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1988. 335 с. 
  9. Measurements on Space Shuttle Hermes. 
  10. Алифанов О.М., Ненарокомов А.В., Салосина М.О. Обратные задачи в тепловом проектировании и испытаниях космических аппаратов. М.: МАИ, 2021. 158 с. 
  11. Springer G.S., Tsai S.W. Thermal conductivities of unidirectional materials // Journal of Composite Materials. 1967. Vol. 1. № 2. pp. 166–173. DOI: 10.1177/0021998 36700100206 
  12. Zeng S.Q., Hunt A., Greif, R.J. Theoretical modeling of carbon content to minimize heat transfer in silica aerogel // Journal of Non-Cryst Solids. Vol. 186. pp. 271–277. DOI: 10.1016/0022-3093(95)00076-3 
  13. Zhu C.-Y., Li Z.-Y., Pang H.-Q. et al. Numerical modeling of the gascontributed thermal conductivity of aerogels // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 131. pp. 217–235. DOI: 10.1016/j.ijheatmass transfer.2018.11.052 
  14. Условия работы теплозащиты ОК Буран. 
  15. Тимошенко В.П., Просунцов П.В., Резник С.В. Анализ теплового состояния конструкции орбитального корабля «Буран» в зонах возможного повреждения элементов теплозащитного покрытия // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2024. № 6. С. 94–107. 

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2026