RUDN Journal of Engineering ResearchRUDN Journal of Engineering ResearchВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования2312-81432312-8151Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)1862610.22363/2312-8143-2018-19-1-7-21Aviation and rocket and space technologyАвиационная и ракетно-космическая техникаResearch ArticleNumerical modeling of a wing leading-edge thermal regimes for a reusable space vehicleЧисленное моделирование тепловых режимов передней кромки крыла возвращаемого космического аппаратаBodnyaIvan SБодняИван Сергеевич

master student at Bauman Moscow State Technical University in the Mechanical engineering department SM-13 “Space-Rocket Composite Designs”. Research interests: heat transfer, thermal regimes of space vehicles

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

ivanbodnya@gmail.comTimoshenkoValery PТимошенкоВалерий Павлович

professor at Bauman Moscow State Technical University in the Mechanical engineering department SM-13 “Space-Rocket Composite Designs”. Research interests: heat transfer, thermal protection of space vehicles, space vehicles tests.

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

moltim@yandex.ruBauman Moscow State Technical University (National research university of technology)Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)15122018191VOL 19, NO1 (2018)ТОМ 19, №1 (2018)72103062018Copyright ©; 2018, Bodnya I.S., Timoshenko V.P.Copyright ©; 2018, Бодня И.С., Тимошенко В.П.2018Bodnya I.S., Timoshenko V.P.Бодня И.С., Тимошенко В.П.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/18626

Throughout the history of human exploration of outer space, work is underway to reduce the cost of bringing cargo into space. One of the technically feasible solutions to achieve this is the use of smallsized reusable aerospace vehicles. As the new thermal protection materials are developed, they are employed for the construction of the reusable aerospace vehicles (RSV). In this paper, the assessment is given of the possibility of making RSV wing leading edge from an Al2O3 fiber based heat-resistant porous ceramic. The main advantages of using such material are its relatively low values of thermal conductivity and density, which makes it possible to improve weight characteristics of the RSV. The material of the support structure is heat-resistant carbon fiber reinforced polymer (CFRP). Due to the porous nature of such thermal protection system (TPS), it is necessary to consider the effect of air pressure on the thermal conductivity of the material. Therefore, a computational mathematical model is proposed that allows one to take into account this dependence of thermal conductivity on temperature and pressure for the wing edge porous TPS of an aerospace vehicle, during its re-entry in the atmosphere. Based on the temperature field inside the leading edge, the minimum thickness of the thermal protection coating was determined so that the support structure temperature stays within its maximum permissible operating range. It is shown that the Al2O3 heat-resistant porous ceramic can provide the required thermal protection, so that the maximum temperature of the composite support structure does not exceed 250 °C on the entire re-entry flight path.

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.

mathematical modelingwing leading edgecomposite materialporous ceramicsAl2O3 fibersthermal protectionsmall-size aerospace vehicleheat flowматематическое моделированиепередняя кромка крылакомпозитный материалпористая керамикаволокна Al2O3тепловая защитамалоразмерный аэрокосмический аппараттепловой потокDumbacher D. NASA’s Second Generation Reusable Launch Vehicle Program Introduction, Status and Future Plans. In: 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit [Internet]. Huntsville, Alabama: AIAA; 2002. Available from: http://dx.doi. org/10.2514/6.2002-3613Dumbacher 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, 1(38), 45—57.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.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; 345: 2011.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): 20–21.Nanowick L., Flow C. Lightweight Thermal Protection System for Atmospheric Entry // NASA Tech Briefs. 2007. № October 2007. С. 20-21.Desarrollo y Defensa [Internet]. [cited 2017 Oct 13]. Available from: http://desarrolloydefensa. blogspot.ru/2017_07_09_archive.html (accessed: 05.10.2017).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”. In: Proceedings of the 3rd European Symposium on Aerothermodynamics for space vehicles. ESTEC; 1999. Pp. 9.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.Gofin M. Thermal protection and hot structures of reusable space vehicles. Moscow: MIR publ. 2003. 637. (In Russ.).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; 2682(May): 1—36.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. American X-Vehicles: An Inventory-X-1 to X-50. Monographs in Aerospace History. 2003. 65.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): 84—86.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. In: A. Wilson, editor. Hot Structures and Thermal Protection Systems for Space Vehicles, Proceedings of the 4th European Workshop. Palermo, Italy: European Space Agency; p. p. 169.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 D.A., Leiser D.B., DiFiore R.R., Katvala V.W. High efficiency tantalum-based ceramic composite structures [Internet]. Vol. 1. 2010. Available from: http://www.google.com/patents/ US7767305%5Cnhttp:// patentimages.storage.googleapis.com/pdfs/US7767305.pdf (accessed: 25.09.2017).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. In Wiley-VCH; 2008. p. 565—566.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.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).Kuczera H., Sacher P.W. Reusable Space Transportation Systems [Internet]. Berlin: Springer Berlin Heidelberg; 2011. Available from: http://www.springer.com/us/book/9783540891802 (accessed: 01 Oct 2017).Rufolo G., Roncioni P., Marini M. USV FTB-1 Reusable vehicle aerodatabase development. 2007.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).NASA, SNC. Photo of Dream Chaser [Internet]. Available from: https://www.nasa.gov/sites/ default/files/2013-3230_0.jpg (accessed: 05 Oct 2017).Pezzella G. и др. Hypersonic Aerothermal Environment Preliminary Definition of the Cira Ftb-X Reentry Vehicle // Environment. 2007. № November. С. 1-25.Pezzella G., Battista F., Schettino A., Marini M., Matteis P.De. Hypersonic Aerothermal Environment Preliminary Definition of the Cira Ftb-X Reentry Vehicle. Environment. 2007; (November): 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.Viviani A., Pezzella G. Heat Transfer Analysis for a Winged Reentry Flight Test Bed. International Journal of Engineering. 2009; 3(3): 329—345.Ii F. и др. a Study of a High Lift Wing-Body Configuration for Low Earth Orbit Re-Entry. С. 140.Ii F., Ingegneria F.DI, Di D., In R., Aerospaziale I. a Study of a High Lift Wing-Body Configuration for Low Earth Orbit Re-Entry. 140.Tatsuki O., Mrityunjay S. Engineered Ceramics: Current Status and Future Prospects. New Jersey: John Wiley & Sons, 2015. 232 с.Tatsuki O., Mrityunjay S. Engineered Ceramics: Current Status and Future Prospects. New Jersey: John Wiley & Sons; 2015. 232 p.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.Gribkov B.N., Mizurina G.T., Shetanov B.V., Lyapin V.V. Possibilities of fibrous thermal protection. In: Proceedings of the First International Aviation Conference ‘Man-Earth-Space’. Moscow: Russian Engineering Academy. Sec. ‘Aerospace’; 1995. p. 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.Shalin R.E., Zinoviev S.N., Pomerantsev K.P., Moiseev E.B., Shepeleva L.I. Thermostable carbon plastic KMU-8. Aviation industry, 1987, (5), 53—55. (In Russ.).Stewart D.A., Leiser D.B. Toughened Uni-piece, Fibrous, Reinforced, Oxidization-Resistant Composite: пат. 7314648 USA. USA, 2008. Т. 1. № 12.Stewart D.A., Leiser D.B. Toughened Uni-piece, Fibrous, Reinforced, Oxidization-Resistant Composite. Vol. 1. USA; 7314648, 2008.Костылев В.М. Теплопроводность дисперсных тел при различной величине атмосферного давления // Теплофизика высоких температур. 1964. Т. 2. № 1. С. 21-28.Kostylev V.M. Thermal conductivity of dispersed bodies at different atmospheric pressure. Thermal physics of high temperatures. 1964. 2(1), 1—18. (In Russ.).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.Surzhikov S.T., Shuvalov M.P. Analysis of radiation-convective heating of four types of descent space vehicles. Physico-chemical kinetics in gas dynamics. 2014. 15(4). 1—18 (in Russ.).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.Bobylev A.V., Vaganov A.V., Dmitriev V.G., Zadonsky S.M., Kireev A.Y., Skuratov A.S., et al. Development of aerodynamic configuration and research of aerothermodynamic characteristics of a small-sized winged space vehicle. Scientific notes TsAGI. 2009, XL(3), 3—15. (In Russ.).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).Denisov O., Minakov D., Kirbay A. Methodical Specifics of Thermal Experiments with Thin Carbon Reinforced Plates. Science and Education of the Bauman MSTU [Internet]. 2015. (7). 171—184. Available from: http://technomag.bmstu.ru/doc/781946.html (accessed: 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.Nguyen V., Poladian D., Falangas E., Chaudhary A., Tran H. Dynamics and stability and control characteristics of the X-37. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2001; 1—10.