Численный анализ термонапряженного состояния трансверсально-изотропного теплозащитного покрытия аэрокосмического летательного аппарата

Аннотация

Достоверность результатов математического моделирования термонапряженного состояния теплозащитного покрытия аэрокосмического летательного аппарата зависит от достоверности оценки тепловых и механических характеристик применяемых материалов, корректности выбранных математических моделей распределения тепловых потоков, полей температур и напряжений. На примере трансверсально-изотропного композитного теплозащитного материала, состоящего из изотропной матрицы, выполненной из стеклоуглерода, и включений из трансверсально-изотропного пирографита рассмотрены методы построения двусторонних (сверху и снизу) оценок характеристик этого материала. Для расчетов выбрана слоистая структура, формируемая чередующимися этапами высокотемпературного осаждения из газовой фазы слоев пирографита и нанесения слоев стеклоуглерода. На основе метода конечных элементов проведен численный анализ термонапряженного состояния теплозащитного покрытия спускаемого аппарата, возвращающегося на Землю по завершении лунной экспедиции. В качестве примера рассмотрен спускаемый аппарат класса "Аполлон". Для получения верхней оценки интенсивности тепловых нагрузок рассмотрен спуск аппарата с нулевым углом атаки, т.е. при нулевом аэродинамическом качестве. Показана эффективность применения слоя описанного композитного структурно чувствительного материала по сравнению с двухслойным пакетом, набранным из отдельных слоев тех же материалов

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (проект FSFN-2024-0004)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Леонов В.В., Зарубин Вл.С. Численный анализ термонапряженного состояния трансверсально-изотропного теплозащитного покрытия аэрокосмического летательного аппарата. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 1 (118), с. 30--45. EDN: DBNXSB

Литература

[1] Финченко В.С., Котляров Е.Ю., Иванков А.А. Системы обеспечения тепловых режимов автоматических межпланетных станций. Химки, НПО Лавочкина, 2018.

[2] Reznik S., Prosuntsov P. History and experience of overcoming thermal barriers in rocket and space technology: 2. Ballistic and sliding descent of spaceships. AIP Conf. Proc., 2022, vol. 2503, art. 020011. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0099420

[3] Землянский Б.А., ред. Конвективный теплообмен летательных аппаратов. М., ФИЗМАТЛИТ, 2014.

[4] Алифанов О.М., Иванов Н.А., Колесников В.А. и др. Определение температурных зависимостей теплофизических характеристик анизотропных материалов из решения обратной задачи. Вестник МАИ, 2009, т. 16, № 5, с. 247--254. EDN: KZSKER

[5] Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В. и др. Анализ теплового режима теплозащиты с применением анизотропного материала при спуске на Землю возвращаемой капсулы. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2021, № 2, с. 36--45. DOI: https://doi.org/10.26162/LS.2021.52.2.005

[6] Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В. и др. Тепловой режим двухслойного теплозащитного покрытия баллистической капсулы при ее возвращении на Землю с параболической скоростью. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 2022, № 3, с. 35--42. EDN: BMZARE

[7] Formalev V.F., Kolesnik S.A., Kuznetsova E.L. The effect of longitudinal nonisothermality on conjugate heat transfer between wall gasdynamic flows and blunt anisotropic bodies. High Temp., 2009, vol. 47, no. 2, pp. 228--234. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X09020138

[8] Формалев В.Ф., Колесник С.А., Селин И.А. О сопряженном теплообмене при аэродинамическом нагреве анизотропных тел с высокой степенью анизотропии. Тепловые процессы в технике, 2016, т. 8, № 9, с. 388--394. EDN: WNFDPL

[9] Zarubin V.S., Sergeeva E.S. Application of mathematical modeling to determine the thermoelastic characteristics of nano-reinforced composites. Math. Models. Comput. Simul., 2018, vol. 10, no. 3, pp. 288--298. DOI: https://doi.org/10.1134/S2070048218030134

[10] Резник С.В., Просунцов П.В., Михайловский К.В. Отработка элементов многоразового теплозащитного покрытия из углерод-керамического композиционного материала 1. Теоретический прогноз. Инженерно-физический журнал, 2019, т. 92, № 1, с. 93--99.

[11] Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математические модели механики и электродинамики сплошной среды. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.

[12] Черепанов В.В., Щурик А.Г., Миронов Р.А. Оптические свойства отечественного стеклоуглерода для тепловых приложений. Тепловые процессы в технике, 2018, т. 10, № 7-8, с. 317--324. EDN: YQKHRB

[13] Zarubin V.S., Zimin V.N., Kuvyrkin G.N., et al. Two-sided estimate of effective thermal conductivity coefficients of a textured composite with anisotropic ellipsoidal inclusions. Z. Angew. Math. Phys., 2023, vol. 74, no. 4, art. 139. DOI: https://doi.org/10.1007/s00033-023-02039-0

[14] Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Оценки эффективного коэффициента теплопроводности композита с пластинчатыми включениями. Тепловые процессы в технике, 2015, т. 7, № 7, с. 325--332. EDN: UGMCZJ

[15] Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В. и др. Двусторонние оценки характеристик теплопроводности анизотропных теплозащитных материалов. Тепловые процессы в технике, 2021, т. 13, № 8, с. 338--346. DOI: https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-8-338-346

[16] Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л., Энергия, 1974.

[17] Леонов В.В., Гришко Д.А., Айрапетян М.А. и др. Тепловой анализ траекторий возвращения от Луны с несколькими входами в атмосферу для баллистической капсулы и аппаратов скользящего спуска. Космические исследования, 2021, т. 59, № 3, с. 196--208. EDN: KHUEUO. DOI: https://doi.org/10.31857/S0023420621030079

[18] Walker S.P., Daryabeigi K., Samareh J.A., et al. Preliminary development of a multifunctional hot structure heat shield. Proc. 55th AIAA/ASMe/ASCE/AHS/SC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conf., AIAA 2014-0350, 2014. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2014-0350

[19] Гусарова И.А. Высокотемпературный теплоизоляционный материал на основе керамических волокон. Космическая наука и технология, 2017, № 2, с. 24--31.

[20] Сорокин О.Ю., Гращенков Д.В., Солнцев С.С. и др. Керамические композиционные материалы с высокой окислительной стойкостью для перспективных летательных аппаратов (обзор). Труды ВИАМ, 2014, № 6. DOI: https://doi.org/10.18577/2307-6046-2014-0-6-8-8

[21] Blakslee O.L., Proctor D.G., Seldin E.J., et al. Elastic constants of compression-annealed pyrolytic graphite. J. Appl. Phys., 1970, vol. 41, iss. 8, pp. 3373--3382. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1659428