Система теплозащитного покрытия пилотируемого спускаемого аппарата марсианской экспедиции, входящего в атмосферу Земли с большими сверхзвуковыми скоростями

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7.023.22
Дата публикации:
24 января 2022, 19:39
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Столярова Нина Анатольевна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Миненко Виктор Елисеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрена система теплозащитного покрытия спускаемого аппарата класса «несущий корпус». В статье приведены основные зависимости, которые используются в инженерной практике для расчета конвективных радиационных тепловых потоков в точке притупления спускаемого аппарата. Показано, что при определенном радиусе притупления можно создать реальную конструкцию системы теплозащитного покрытия с небольшим уносом покрытия. В статье приводятся массовые характеристики теплозащитного покрытия с ориентацией на традиционные применяемые материалы теплозащитного покрытия, а также показана величина уноса теплозащитного покрытия в лобовой части.
Ключевые слова:
теплозащитное покрытие, спускаемый аппарат, гиперболические скорости входа, несущий корпус
Основной текст труда

Наиболее сложной проблемой в создании пилотируемого спускаемого аппарата (СА) марсианской экспедиции, входящего в атмосферу Земли, является именно система теплозащитного покрытия (ТЗП).

Расчет баллистических характеристик показывает, что вход в атмосферу Земли осуществляется со скоростями, существенно превышающими вторую космическую скорость, порядка 13–18 км/с. Наиболее приемлемой для проектирования основного варианта полагается скорость входа 15 км/с, так как для скоростей входа, превышающий 15 км/с, коридор входа становится настолько узким, что любые погрешности в информации об угле входа, высоте и скорости, полученной бортовыми средствами, могут привести к серьезным затруднениям при удержании аппарата внутри коридора даже в том случае, когда с помощью предварительной коррекции было обеспечено попадание аппарата в заданный коридор.

Система теплозащитного покрытия спускаемого аппарата рассматривалась для аппаратов класса «несущий корпус», так как подобные аппараты могут быть признаны как универсальные для всех скоростей входа в атмосферу Земли, а с другой стороны у них имеются определенные преимущества при входе в атмосферу Земли именно с гиперболическими скоростями [1–4]. Известно, что при таких скоростях входа в атмосферу Земли превалирует уже не конвективные, а лучистые (радиационные) тепловые потоки. Лучистый тепловой поток может превосходить конвективный до 10-ти раз. Для решения задачи создания теплозащитного покрытия требуется, в отличие от традиционных схем типа «Союз» и «Апполон» с большим радиусом притупления лобового щита, небольшие радиусы притупления носовой части для уменьшения именно лучистых тепловых потоков. Требуется оптимизация характеристик в части теплозащитного покрытия, так как имеет место тенденция возрастания, как лучистых тепловых потоков, так и конвективных. В статье приведены основные зависимости, которые используются в инженерной практике для расчета конвективных и радиационных тепловых потоков в точке притупления спускаемого аппарата. Показано, что при определенном радиусе притупления можно создать реальную конструкцию системы теплозащитного покрытия с небольшим уносом покрытия. Это говорит о том, что аэродинамика и массово-центровочные характеристики такого аппарата не будут нарушаться в процессе прохождения атмосферы Земли, что очень важно для системы управления такими аппаратами.

В статье приводятся массовые характеристики теплозащитного покрытия с ориентацией на традиционные применяемые материалы. Для покрытия сегментально-конической поверхности аппарата используются материалы, близкие к капронофенольным (ПКТ-11КФЛ — композиция на основе прошивной кремнеземно-капроновой ткани марки ПВП-КТК и фенольно-формальдегидного связующего). Также показана величина уноса теплозащитного покрытия в лобовой части.

Литература
  1. Миненко В.Е., Агафонов Д.Н., Якушев А.Г., Елисеев А.Н. Проектный, аэродинамический и термобаллистический анализ спускаемого аппарата класса «несущий корпус» // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. № 10. С. 88–125. DOI: 10.7463/1015.0815132
  2. Бут Д.К., Миненко В.Е., Якушев А.Г., Столярова Н.А. Панельная теплозащитная система пускаемого аппарата класса «несущий корпус» для орбитальных и межпланетных экспедиций // Будущее машиностроения России: сборник докладов: в 2 т. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. С. 6–8.
  3. Суржиков С.Т., Шувалов М.П. Анализ радиационно-конвективного нагрева четырёх типов спускаемых космических аппаратов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15, № 4. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-4/articles/237/
  4. Никитин П.В., Сотник Е.В. Воспроизведение конвективно-лучистого теплообмена, сопутствующего входу космических аппаратов в атмосферы планет со второй космической скоростью // Труды МАИ. 2011. № 42. URL: http://www.trudymai.ru/published.php?ID=24309
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.