Математическое моделирование нового способа тепловой защиты носовых частей гиперзвуковых летательных аппаратов

Аннотация

Приведена математическая модель нового способа тепловой защиты наиболее теплонагруженных носовых частей высокоскоростных (гиперзвуковых) летательных аппаратов на основе использования анизотропных теплозащитных материалов с высокой степенью продольной анизотропии (отношение продольного коэффициента теплопроводности к поперечному 100--200). Математическая модель описывает сопряженный теплоперенос между теплогазодинамическим пограничным слоем в переменных Дородницына --- Лиза и анизотропным затупленным конусом. За счет высокой степени продольной анизотропии тепловые потоки "канализируются" от окрестности передней критической точки в хвостовую часть затупленного конуса, существенно снижая температуру окрестности передней критической точки и значительно нагревая боковую поверхность, что приводит к уменьшению тепловых потоков к боковой поверхности. В результате теплозащитное покрытие носовой части летательного аппарата функционирует в условиях отсутствия уноса массы, т. е. сохраняет геометрическую форму. Получены приближенно-аналитические решения для конвективных и диффузионных тепловых потоков на поверхности затупленного конуса с учетом коэффициента каталитической рекомбинации, которые использованы в качестве граничных условий при численном решении двумерной нестационарной задачи анизотропной теплопроводности. Результаты моделирования подтверждают высокую эффективность предлагаемой системы тепловой защиты

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант РНФ № 22-19-00420)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Формалев В.Ф., Гарибян Б.А., Колесник С.А. Математическое моделирование нового способа тепловой защиты носовых частей гиперзвуковых летательных аппаратов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 4 (115), с. 77--92. EDN: ZNQBZA

Литература

[1] Дорренс У.Х. Гиперзвуковые течения вязкого газа. М., Мир, 1966.

[2] Формалев В.Ф., Колесник С.А. Математическое моделирование сопряженного теплообмена между вязкими газодинамическими течениями и анизотропными телами. М., Ленанд, 2022.

[3] Кузенов В.В., Рыжков С.В. Численное моделирование взаимодействия мишени магнитно-инерциального термоядерного синтеза с плазменным и лазерным драйверами. ТВТ, 2021, т. 59, № 4, с. 492--501. EDN: MSHQPZ. DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364421040141

[4] Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N., Savelyeva I.Y. Two-sided thermal resistance estimates for heat transfer through an anisotropic solid of complex shape. Int. J. Heat Mass Transf., 2018, vol. 116, pp. 833--839. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.054

[5] Formalev V.F., Kolesnik S.A. Temperature-dependent anisotropic bodies thermal conductivity tensor components identification method. Int. J. Heat Mass Transf., 2018, vol. 123, pp. 994--998. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.014

[6] Формалев В.Ф., Колесник С.А., Гарибян Б.А. Теплоперенос с поглощением в анизотропной тепловой защите высокотемпературных изделий. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2019, № 5 (86), c. 35--49. EDN: RQSEAQ. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2019-5-35-49

[7] Ryzhkov S.V., Kuzenov V.V. Analysis of the ideal gas flow over body of basic geometrical shape. Int. J. Heat Mass Transf., 2019, vol. 132, pp. 587--592. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.032

[8] Ryzhkov S.V., Kuzenov V.V. New realization method for calculating convective heat transfer near the hypersonic aircraft surface. Z. Angew. Math. Phys., 2019, vol. 70, no. 2, art. 46. DOI: https://doi.org/10.1007/s00033-019-1095-1

[9] Формалев В.Ф., Колесник С.А., Гарибян Б.А. Математическое моделирование тепломассопереноса при аэродинамическом нагреве носовых частей гиперзвуковых летательных аппаратов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 1 (107), с. 107--121. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2022-1-107-121

[10] Ho C.Y., Powell R.W., Liley R.E. Thermal conductivity of selected materials. Part 2. National Bureau of Standards, 1968.

[11] Формалев В.Ф. Теплоперенос в анизотропных твердых телах. М., ФИЗМАТЛИТ, 2015.

[12] Суржиков С.Т. Расчетное исследование аэротермодинамики гиперзвукового обтекания затупленных тел на примере анализа экспериментальных данных. М., ИПМех РАН, 2011.

[13] Зотов А.А., Пашков О.А., Волков А.Н. Концепция системы активной тепловой защиты трехслойной конструктивно-силовой схемы гиперзвукового летательного аппарата с дискретным заполнителем. Деформация и разрушение материалов, 2022, № 3, c. 2--9. EDN: DFPZYX

[14] Формалев В.Ф., Колесник С.А., Кузнецова Е.Л. Тепломассоперенос на боковых поверхностях затупленных носовых частей гиперзвуковых летательных аппаратов. ТВТ, 2021, т. 59, № 5, с. 797--800. EDN: IAIFSF. DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364421050069

[15] Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В. и др. Равновесная температура поверхности затупления баллистической капсулы при возвращении на Землю с параболической скоростью. Тепловые процессы в технике, 2021, № 11, с. 482--487. EDN: KIBNFQ. DOI: https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-11-482-487

[16] Формалев В.Ф., Колесник С.А., Кузнецова Е.Л. Влияние компонентов тензора теплопроводности теплозащитного материала на величину тепловых потоков от газодинамического пограничного слоя. ТВТ, 2019, т. 57, № 1, с. 66--71. EDN: ZACZCX. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040364419010083

[17] Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. М., Машиностроение, 1975.

[18] Bulychev N.A. Preparation of stable suspensions of ZnO nanoparticles with ultrasonically assisted low-temperature plasma. Nanosci. Technol.: An Int. J., 2021, vol. 12, iss. 3, pp. 91--97. DOI: https://doi.org/10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2021038033

[19] Bulychev N.A. Obtaining of gaseous hydrogen and silver nanoparticles by decomposition of hydrocarbons in ultrasonically stimulated low-temperature plasma. Int. J. Hydrog. Energy, 2022, vol. 47, iss. 50, pp. 21323--21328. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.04.288

[20] Bulychev N.A. Synthesis of gaseous hydrogen and nanoparticles of silicon and silicon oxide by pyrolysis of tetraethoxysilane in an electric discharge under the action of ultrasound. Int. J. Hydrog. Energy, 2022, vol. 47, iss. 84, pp. 35581--35587. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.163