Альтернатива применение экспериментально-расчетных методов на основе решения

Альтернатива – применение экспериментально-расчетных методов на основе решения обратных задач Экспериментальная установка Моделирование условий теплообмена Испытуемый образец Тепловое состояние образца Решение обратной задачи Искомые теплофизические характеристики Коэффициентная обратная задача теплообмена Температуры, измеренные в образце материала Математическая модель теплопереноса Восстановление «причин» по «следствию» Теплофизические характеристики материала

Основные типы спускаемых аппаратов “Бор” 1 5 «Буран» , «Спейс Шаттл» , Х-37

Траектории и коридор спуска в атмосфере Граница атмосферы Траектории спуска межпланетного аппарата: а—с последовательными погружениями в атмосферу; б— с однократным промежуточным выходом из атмосферы (1) и при «прямом» спуске (2) Возможные траектории спуска ор битальных осмических к аппаратов в атмо сфере Земли : 1 – баллистический спуск; 2 – скользящий спуск; 3 – планирующий спуск; 4 – спуск с «отражениями» Верхняя граница Нижняя граница да Недостаточное сопротивление р до и ор о вх К Чрезмерные перегрузки Земля К определению коридора входа космического аппарата в атмосферу

Траектории скользящего спуска Коридор входа Условная граница атмосферы Двойное погружение в атмосферу 8 6 СА 4 2 Зонд 6 4 2

Атмосфера Земли T, K Плотность: H, км min max nominal Температура: max x x min nominal

Реальные свойства газа при гиперзвуковых скоростях полета

Энергоемкость физико-химических превращений (ФХП) за ударной волной Идеальный газ

Идеальный газ Влияние давления на температуру равновесного воздуха за прямым скачком уплотнения

Свободномолекулярное обтекание й ны ль ита турбулентное б Ор Неравновесное течение Параболический Равновесное течение самолеты Физические и химические процессы вдоль траекторий движения СА обтекание Замороженное течение Переходный режим Непрерывное Ионизация Колебательные степени ламинарное

Летные эксперименты H, км Возвраще ние с Марса 105 Буран, Шатлл 90 75 Гиперзвук. самолеты X 30 Ионизация 60 0 Зонд 30 0 Чешский метеорит (1959 г. ) Неравновесная термохимия Аполлон 45 15 От далеких планет СС Челябинский метеорит Максимум нагрева ТУ 144, Конкорд 3 Эффекты реального газа: более 10% диссоц. молекул 6 9 12 15 18 20 Траектории спуска КА в атмосфере Земли и термохимические эффекты за ударной волной гиперзвукового потока

Перегрузки и тепловые потоки при баллистическом спуске в атмосфере Земли Высота, м 6 км/сек 8 км/сек 10 км/сек Перегрузка Высота, м Перегрузка

Общая тепловая нагрузка для разных скоростей входа в атмосферу Поиск компромисса при проектировании Параметр Точность Коридор входа Одинаковая Высокая Низкая Узкий Широкий Низкая Большая Высокая Низкая Узкий Широкий Большая Малая Одинаковая Большой Малый Большая Малая Низкая Большая Большой Малый

Распределение тепловых нагрузок по поверхности СА Пример

Модельные тепловые эксперименты Подготовка исходных данных для оптимизации Полномасштабное моделирование тепловых условий Стендовые испытания. Коррекция тепловых моделей Летные испытания «Высшей истинностью обладает то, что является причиной следствий, в свою очередь истинных» (Аристотель, 384— 322 до н. э. )

Теплозащитные системы – принципы функционирования Внешний нагрев Излучение Теплопроводность Изоляция ПАССИВНЫЕ: Конструкция ТЕПЛОПОГЛОТИТЕЛИ ГОР. КОНСТРУКЦИИ Внешний нагрев ПОЛУАКТИВНЫЕ: ТЕПЛОИЗОЛ. КОНСТРУКЦИИ Излучение Газ. поток Охлаждающая жидкость АКТИВНЫЕ: Разрушающийся материал Конструкция ТЕПЛОВАЯ ТРУБА АБЛЯЦИЯ Внешний нагрев Газ. поток Излучение Газ. поток Охлажд. поток ПОРИСТОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ Охлажд. поток ПЛЁНОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ Охлажд. поток КОНВЕКТИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Тепловая защита с использованием пассивных теплопоглотителей Теплопоглощающий материал q Защищаемая конструкция Свойства Алюминий Молибден Вольфрам Бериллий Графит 1370 950 2990 3640 1640 3770 450 Медь 650 980 1800 3700 9600 160 000 (сублимирует) W 120 000 Mo Cu 80 000 Be 40 000 0 2 4 6 8

Сублимирующие теплозащитные материалы Внешний поток Сублимация (испарение) Пары

Деполимеризующиеся при аэродинамическом нагреве материалы Внешний поток Температура Теплота горения, частицы сажи Блокирование теплового потока вдувом газов

Оплавляющиеся материалы Аморфные материалы пары Пленка расплава Жидкий слой Условная граница пленки Исходный материал Линии тока Схема абляции спеченной керамики, металлокерамики Граница плавления Граница испарения пары Газовый погранслой Схема абляции стеклообразного материала

Деструктирующий материал Силовая конструкция Исходный материал Кокс Зона пиролиза Теплоизоляция Уравнение теплового баланса: внутренняя конвекция тепловые эффекты ФХП Абляционная теплозащита (коксообразующий материал)

Начальная температура Толщина ТЗП Температура пиролиза Исходный материал (Начало Пиролиза) (Начало нагрева) Внутренняя сторона Температура Возможная пленка расплава Начальная температура Толщина ТЗП Max толщина кокса Зона пиролиза Температура Схема работы абляционного теплозащитного покрытия

Фторопласт

12 Кварц 8 Фен. нейлон 4 0 Стекло + 30% фен. см 8 16 24 Оценки значений эффективной энтальпии для турбулентного обтекания

Выбор теплоизоляционного материала 0, 16 0, 12 0, 08 0, 04 0 80 160 240

Теплоизоляционные материалы

Высокотемпературные теплоизоляционные материалы для многоразовой теплозащиты Характеристики Теплоизоляционный материал ТЗМК 10 Li 900(США) ТЗМК 25 Li 2200(США) 0, 144 0, 25 0, 35 до 1250 до 1260 0, 05 0, 06 Предел прочности при растяжении, МПа I* 0, 20 II** 0, 35 0, 08 0, 32 I* 0, 40 II** 1, 0 0, 40 1, 0 Предел прочности при сжатии, МПа I* 0, 40 II** 0, 60 0, 40 0, 60 I* 1, 20 II** 1, 80 1, 20 1, 80 Коэффициент температурного расширения, 10 -7 град-1 5, 5+1, 5 5, 5 I* 20. . . 110 II** 120. . . 320 50. . . 100 150. . . 300 60. . . 270 300. . . 600 100. . . 250 350. . . 650 Плотность, г/см 3 Рабочая температура, ºС Теплопроводность, Вт/(Мх. К) (Р=1 атм, Т=20ºС) Модуль упругости, МПа Примечание: *I перпендикудярно плоскости **II параллельно плоскости Исходные волокна (х2000) После диспергации и формирования (х2000) х15000), После термообработки (х5000)

Теплозащита корабля «Буран» Гибкая ТЗ Белые плитки У-У Черные плитки

Плиточная тепловая защита Бурана и Space Shuttle Межплиточный зазор Черное боросиликатное покрытие Уплотненный слой плитки Антикоррозионное адгезионное покрытие Фетровый наполнитель Фетровый тепловой компенсатор Клеевые слои

Основная сборочная единица ведущей кромки крыла Панель доступа Изоляция Усиленная C – C панель Узел крепления Усиленная C – C торцевая перемычка Панель доступа Узел крепления

Тепловая конвекции в теплоизоляционных покрытиях 1 Уплотнитель для герметизации зазора между плитками 1 2 2 Возникновение вынужденной конвекции в слое пористого материала (1 -проницаемая поверхность; 2 - непроницаемое покрытие) 1 2 Клей 1 -керамическая ткань; 2 волокнистый материал Тепловые барьеры в зоне щели 1 ТЗМК клей изоляция 2 ткань 3 Конструктивные схемы уменьшения интенсивности конвекции в ТИП 1, 3 -тепловые барьеры; 2 -стрворка

Материал RVC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Излучательная способность Температура разрушения (в вакууме) [K] Тип материала Марка материала Кажущаяся плотность [кг/м 3] 1 ETTI-CF-ULT 42 0. 9 3000 2 ETTI-CF-ERG 48 0. 9 3000

Структура ячеистых пеноматериалов Образец 30× 35× 43 мм вспененного углерода

Сэндвич-панели 30 мм 1, 7 мм Внешняя поверхность Образец теплозащиты на основе У У и углеродной пены 4 мм

Углерод-углеродные материалы 1 см Образец 1 см Поверхность образца (увеличено) 1 мм Поверхность образца (х10) 1 мм Торцевая поверхность образца (х10)

Перспективные материалы на основе пеноуглерода 1. Плотные пеноуглеродные материалы CFOAM Свойство Плотность Предел прочности на сжатие Модуль упругости на сжатие Предел прочности на растяжение Модуль Юнга Предел прочности при сдвиге Коэффициент теплового расширения Коэффициент теплопроводност и Максимальная рабочая температура Разм-ть кг/м 3 МПа CFOAM-17 270 >4, 8 CFOAM-25 400 >15 МПа 200 830 МПа >1, 7 >3, 5 МПа 200 1, 4 830 2, 1 10 -6/K 5, 0 5, 8 Вт/м. K 0, 25 25 K 3300

Высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе пенотехнологий Первичная пена Пена карбида кремния с открытыми ячейками - равномерная пористая структура Отдельный элемент (связка) пены с равномерным покрытием из карбида кремния ( серые области ) по основному углероду ( черные треугольные области ) Вторичная пена (с покрытием) Поперечное сечение связки Пена Рения

Химическое осаждение из высокотемпературной паровой фазы Ядро из пены сэндвич-структуры, в которой полностью плотные внешние поверхности из карбида кремния неразрывно связаны с до 80% по объему пористой пеной карбида кремния с открытыми порами. Возможны также композиции из пены тугоплавких металлов / внешние поверхности из тугоплавких металлов

Теплопроводность перспективных термостойких материалов 2, 5 Пеноуглерод без аэрогеля Волокнистая термостойкая композиционная теплоизоляция на основе Al 2 O 3 2, 0 Пеноуглерод, наполненный аэрогелем 0 205 427 649 872 1094 1317 1539 1761 1984 2206 1, 5 Temperature, ºС 1595ºС 1) 2) 3) 4) 1, 0 0, 5 Тепловой барьер для теплоизоляции на основе Al 2 O 3 0 200 500 1000 1500

Перспективная многоразовая теплозащита Теплозащитная плитка из пеноуглерода, наполненного аэрогелем C-C оболочка с противоокислительным покрытием или композиционная керамическая оболочка Конструкция КА или дополнительная теплоизоляция

Влияние неопределенностей теплофизических свойств Марс Земля Венера Юпитер

Разработка тепловых математических моделей – структурная идентификация Параметрическая идентификация Подготовка исходных данных для оптимизации проектных параметров Привлечение методов идентификации на основе решения коэффициентных обратных задач теплообмена

Исследование теплофизических характеристик материалов, подвергающихся тепловой деструкции

Вт/м. K Температурная зависимость теплопроводности ТЗМК-10 и ее радиационной и кондуктивной компонент (Р=1 атм)

Варианты крепления теплозащитных панелей 1 2 1 I 2 3 4 II 5 5 1 3 4 «Ласточкин хвост» : I термостойкая панель; II основная конструкция, 1 ТЗП; 2 подкладная панель; 3 клиновидные выступы; 4 панель основной конструкции 4 2 6 Скользящий пластинчатый замок: 3 1 ТЗП; 2 стеклосоты; 3 панель основной конструкции; 4 стопор; 5 пластинчатый замок; 6 отверстия для стопора

ТЗП с углерод-углеродным наружным покрытием: 1. – C-C экран; 2. Опорный стержень; 3. Волокнистая теплоизоляция; 4. Уплотнительная ткань; 5. Шарнирная опора; 6. Обшивка КА

Схемы «горячих» металлических конструкций Место I Теплозащитная панель из многослойных титановых плиток Вариант I I Вариант II 1 -прокладка из войлока; 2 -две нижние кромки; 3 -боковая стенка; 4 -две верхние кромки; 5 -штырь замка А-А условно повернуто

Другие примеры конструктивных решений ТЗП Многослойное металлическое ТЗП: 1 - наружный экран; 2 - гофрированная панель; 3 - вставка; 4 - волокнистая теплоизоляция; 5 - внутренний экран; 6 - подложка-компенсатор; 7 - замок (задвижка) замка крепления к обшивке; 8 - обшивка КА Теплозащитные плитки с внешними сотовыми панелями: 1 - пластина; 2 - сотовый наполнитель; 3, 4 - волокнистая теплоизоляция; 5 - сотовая конструкция из Ti, Al; 6 - подложка-компенсатор; 7 - замок (задвижка) замка крепления к обшивке; 8 - обшивка КА

Абл иру ю щие ТЗМ 10000 Теп лоп огл оти Apollo Зонд Теплорассеивающие СТЗ тел и Высокотемпературные абляционные материалы Низкотемпературные абляционные материалы Space Shuttle 25 50 100 t, с Границы применимости пассивных СТЗ Пропитанные керамики Армированные металлы Удельная масса различных СТЗ в зависимости от максимальной плотности теплового потока и аккумулированного количества тепла на единицу площади поверхности