Численное моделирование тепловых режимов передней кромки крыла возвращаемого космического аппарата

Обложка

Аннотация


На протяжении всей истории освоения людьми космического пространства, ведутся работы по снижению стоимости вывода грузов в космос. Одним из технически реализуемых решений для достижения этой цели является использование малоразмерных многоразовых аэрокосмических аппаратов. Для обеспечения тепловой защиты конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов применяются современные термостойкие композитные покрытия. В данной работе представлена оценка возможности выполнения кромки крыла из термостойкой пористой керамики на основе волокон Al2O3. В связи с пористой структурой подобной теплозащиты, показана необходимость принимать во внимание влияние внешнего давления воздуха на теплопроводность материала. Предложена расчетная математическая модель, позволяющая учитывать зависимость теплопроводности пористого теплозащитного материала передней кромки крыла аэрокосмического аппарата от температуры и давления, при его спуске в атмосфере. На основе анализа поля температур внутри кромки крыла определена минимальная толщина теплозащитного покрытия исходя из максимально допустимой рабочей температуры силовой конструкции. Показано, что термостойкая пористая керамика на основе волокон Al2O3 способна обеспечить необходимую тепловую защиту силовой конструкции, температура которой не превышала 250 °С на всей траектории полета.


Иван Сергеевич Бодня

Лицо (автор) для связи с редакцией.
ivanbodnya@gmail.com
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5/1

магистрант кафедры СМ-13 «Ракетно-космические композитные конструкции» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет). Область научных интересов: теплообмен, тепловые режимы космических аппаратов

Валерий Павлович Тимошенко

moltim@yandex.ru
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5/1

профессор кафедры СМ-13 «Ракетно-космические композитные конструкции» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет). Область научных интересов: теплообмен, тепловая защита космических аппаратов, испытания космических аппаратов

  • Dumbacher D. NASA’s Second Generation Reusable Launch Vehicle Program Introduction, Status and Future Plans // 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Huntsville, Alabama: AIAA, 2002. № July.
  • Wang Z., Huang S., Shen L., Zhou H., Zhi J. Conceptual evaluation of multi-purpose aerospace plane // Russian-American scientific journal: Actual problems of aviation and aerospace systems: processes, models, experiment. Nanjing, China. 2014. Vol. 1. No. 38. P. 45-57.
  • Johnson S.M. Thermal Protection Materials: Development, Characterization and Evaluation. Munich, Germany, 2012. 53 p.
  • Daryabeigi K., Knutson J.R., Cunnington G.R. Heat Transfer Measurement and Modeling in Rigid High-Temperature Reusable Surface Insulation Tiles // AIAA. 2011. Т. 345. С. 2011.
  • Nanowick L., Flow C. Lightweight Thermal Protection System for Atmospheric Entry // NASA Tech Briefs. 2007. № October 2007. С. 20-21.
  • Desarrollo y Defensa [Электронный ресурс]. URL: http://desarrolloydefensa.blogspot. ru/2017_07_09_archive.html (дата обращения: 05.10.2017).
  • Lozino-Lozinsky G., Timoshenko V. “Lessons learned from the BOR flight campaign” // Proceedings of the 3rd European Symposium on Aerothermodynamics for space vehicles. ESTEC, 1999. С. 9.
  • Гофин М.Я. Жаростойкие и теплозащитные конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов. М.: Мир, 2003. 637.
  • Glass D.E. Ceramic Matrix Composite (CMC) Thermal Protection Systems (TPS) and Hot Structures for Hypersonic Vehicles // Seminar. 2008. Т. 2682. № May. С. 1-36.
  • Jenkins D.R., Landis T., Miller J. A MERICAN X-V EHICLES. An Inventory - X-1 to X-50 // Monographs in Aerospace History. 2003. № 31.
  • Palmer G., Polsky S. Aerothermal Analysis of the X-34 Vehicle // Access in Space. 1998. № January 2014. С. 84-86.
  • Hilfer G. Flight Qualification Testing of X-38 TPS Components Lessons Learned // Hot Structures and Thermal Protection Systems for Space Vehicles, Proceedings of the 4th European Workshop / под ред. A. Wilson. Palermo, Italy: European Space Agency. С. p.169.
  • Stewart DA, Leiser DB, DiFiore RR, Katvala VW. High efficiency tantalum-based ceramic composite structures [Internet]. Vol. 1. 2010. URL: http://www.google.com/patents/ US7767305%5Cnhttp:// patentimages.storage.googleapis.com/pdfs/US7767305.pdf (дата обращения: 25.09.2017).
  • Ralf R., I-Wei C. Ceramics Science and Technology. Volume 1: Structures. Wiley-VCH, 2008. С. 565-566.
  • European Space Agency. Skylon Assessment Report. Noordwijk, Netherlands, 2011. № 1. 52 с. [16] Kuczera H, Sacher PW. Reusable Space Transportation Systems [Internet]. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2011. URL: http://www.springer.com/us/book/9783540891802 (дата обращения: 01.10.2017).
  • Rufolo G., Roncioni P., Marini M. USV FTB-1 Reusable vehicle aerodatabase development. 2007.
  • NASA, SNC. Photo of Dream Chaser [Электронный ресурс]. URL: https://www.nasa.gov/ sites/default/files/2013-3230_0.jpg (дата обращения: 05.10.2017).
  • Pezzella G. и др. Hypersonic Aerothermal Environment Preliminary Definition of the Cira Ftb-X Reentry Vehicle // Environment. 2007. № November. С. 1-25.
  • Viviani A., Pezzella G. Heat Transfer Analysis for a Winged Reentry Flight Test Bed // International Journal of Engineering. 2009. Т. 3. № 3. С. 329-345.
  • Ii F. и др. a Study of a High Lift Wing-Body Configuration for Low Earth Orbit Re-Entry. С. 140.
  • Tatsuki O., Mrityunjay S. Engineered Ceramics: Current Status and Future Prospects. New Jersey: John Wiley & Sons, 2015. 232 с.
  • Грибков В.Н. [и др.] Возможности волокнистой тепловой защиты // Тр. Первой Междунар. авиац. конф. «Человек-Земля-Космос». М.: Российская инженерная академия. Секц. «Авиакосмическая», 1995. Т. 5. С. 223-231.
  • Шалин Р.Е., Зиновьев С.Н., Померанцева К.П., Моисеев Е.В., Шепелева Л.И. Термостойкий пластик КМУ-8 // Авиационная промышленность. 1987. № 5. С. 53-55.
  • Stewart D.A., Leiser D.B. Toughened Uni-piece, Fibrous, Reinforced, Oxidization-Resistant Composite: пат. 7314648 USA. USA, 2008. Т. 1. № 12.
  • Костылев В.М. Теплопроводность дисперсных тел при различной величине атмосферного давления // Теплофизика высоких температур. 1964. Т. 2. № 1. С. 21-28.
  • Суржиков С.Т., Шувалов М.П. Анализ радиационно-конвективного нагрева четырех типов спускаемых космических аппаратов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15. № 4. С. 1-18.
  • Бобылев А.В. [и др.]. Разработка аэродинамической компоновки и исследования аэротермодинамических характеристик малоразмерного крылатого возвращаемого аппарата // Ученые записки ЦАГИ. 2009. Т. XL, № 3. С. 3-15.
  • Денисов О. В., Минаков Д.С., Кирбай А.А. Методические особенности тепловых испытаний тонкостенных пластин из углепластика // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. № 7. С. 171-184. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/781946.html (дата обращения: 13.08.2017).
  • Nguyen V. [и др.]. Dynamics and stability and control characteristics of the X-37 // American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2001. С. 1-10.

Просмотры

Аннотация - 24

PDF (Russian) - 9


© Бодня И.С., Тимошенко В.П., 2018

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.