Численное моделирование тепловых режимов передней кромки крыла возвращаемого космического аппарата

Обложка

Цитировать

Полный текст

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.

Об авторах

Иван Сергеевич Бодня

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: ivanbodnya@gmail.com

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

Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5/1

Валерий Павлович Тимошенко

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: moltim@yandex.ru

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

Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5/1

Список литературы

  1. Dumbacher 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/10.2514/6.2002-3613
  2. 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.
  3. Johnson S.M. Thermal Protection Materials: Development, Characterization and Evaluation. Munich, Germany. 2012.
  4. 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.
  5. Nanowick L., Flow C. Lightweight Thermal Protection System for Atmospheric Entry. NASA Tech Briefs. 2007; (October 2007): 20–21.
  6. Desarrollo y Defensa [Internet]. [cited 2017 Oct 13]. Available from: http://desarrolloydefensa. blogspot.ru/2017_07_09_archive.html (accessed: 05.10.2017).
  7. 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.
  8. Gofin M. Thermal protection and hot structures of reusable space vehicles. Moscow: MIR publ. 2003. 637. (In Russ.).
  9. Glass D.E. Ceramic Matrix Composite (CMC) Thermal Protection Systems (TPS) and Hot Structures for Hypersonic Vehicles. Seminar. 2008; 2682(May): 1—36.
  10. Jenkins D.R., Landis T., Miller J. American X-Vehicles: An Inventory-X-1 to X-50. Monographs in Aerospace History. 2003. 65.
  11. Palmer G., Polsky S. Aerothermal Analysis of the X-34 Vehicle. Access in Space. 1998;(January 2014): 84—86.
  12. 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.
  13. 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).
  14. Ralf R., I-Wei C. Ceramics Science and Technology. Volume 1: Structures. In Wiley-VCH; 2008. p. 565—566.
  15. European Space Agency. Skylon Assessment Report. Noordwijk, Netherlands; 2011.
  16. 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).
  17. Rufolo G., Roncioni P., Marini M. USV FTB-1 Reusable vehicle aerodatabase development. 2007.
  18. NASA, SNC. Photo of Dream Chaser [Internet]. Available from: https://www.nasa.gov/sites/ default/files/2013-3230_0.jpg (accessed: 05 Oct 2017).
  19. 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.
  20. Viviani A., Pezzella G. Heat Transfer Analysis for a Winged Reentry Flight Test Bed. International Journal of Engineering. 2009; 3(3): 329—345.
  21. 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.
  22. Tatsuki O., Mrityunjay S. Engineered Ceramics: Current Status and Future Prospects. New Jersey: John Wiley & Sons; 2015. 232 p.
  23. 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.
  24. 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.).
  25. Stewart D.A., Leiser D.B. Toughened Uni-piece, Fibrous, Reinforced, Oxidization-Resistant Composite. Vol. 1. USA; 7314648, 2008.
  26. Kostylev V.M. Thermal conductivity of dispersed bodies at different atmospheric pressure. Thermal physics of high temperatures. 1964. 2(1), 1—18. (In Russ.).
  27. 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.).
  28. 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.).
  29. 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).
  30. 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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».