Оценка эффективности теплозащиты возвращаемой баллистической капсулы, выполненной из анизотропного композиционного материала

Язык труда и переводы:
УДК:
536.2
Дата публикации:
21 января 2022, 01:17
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Леонов Виктор Витальевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Зарубин Владимир Сергеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрена оценка эффективности применения материалов, обладающих высокой степенью анизотропии теплопроводности, для баллистических возвращаемых капсул, входящих в состав автоматических межпланетных станций. Показана возможность возвращения на Землю с лунной орбиты беспилотной баллистической капсулы без разрушения ее поверхности в случае использования траекторий с многократным входом в плотные слои атмосферы и анизотропного композиционного теплозащитного покрытия.
Ключевые слова:
баллистическая капсула, анизотропный теплозащитный материал, композиционный материал, стеклоуглерод, пирографит, многократный вход в плотные слои атмосферы
Основной текст труда

На заключительном, т. е. атмосферном участке траектории возвращения на Землю, спускаемые аппараты, в частности, баллистические капсулы автоматических межпланетных станций (АМС) испытывают высокие тепловые нагрузки, которые могут вызвать повреждение их поверхности или даже разрушение аппарата. В отличие от орбитальных аппаратов АМС подходят к границе атмосферы Земли с местными параболическими или даже гиперболическими скоростями.

Уменьшить тепловую нагрузку на поверхности аппарата можно снизив скорость его входа в плотные слои атмосферы. Без использования тормозных двигательных установок это возможно сделать, например, с помощью реализации траекторий с многократным входом в атмосферу. В этом случае получается, что после первого прохождения атмосферы орбита представляет собой эллипс, апогей которого быстро понижается при повторных входах. Непродолжительное время и небольшая глубина погружения аппарата в верхние слои атмосферы позволяют поэтапно снизить его скорость и уменьшить интенсивность нагрева [1].

Относительно низкая теплопроводность традиционных теплозащитных материалов и неравномерность распределения тепловых нагрузок по внешней поверхности спускаемого аппарата приводят к тому, что даже при использовании описанных выше траекторий в наиболее нагруженных точках поверхности возможно разрушение поверхностного слоя. Повысить равномерность распределения тепловых нагрузок можно, например, если выполнить внешний слой теплозащиты из анизотропного теплозащитного материала, т. е. материала, имеющего значительно более высокий коэффициент теплопроводности в тангенциальном направлении по отношению к поверхности покрытия по сравнению с коэффициентом теплопроводности в направлении нормали к этой поверхности.

В рамках данной работы рассмотрены вопросы, связанные с оценкой эффективности применения анизотропных теплозащитных композиционных материалов. В качестве примера предложен материал, состоящий из перемежающихся тонких слоев анизотропного пирографита и изотропного стеклоуглерода. Эти материалы сохраняют работоспособность примерно до температуры 2500 K [2], но при этом подвержены интенсивному окислению в среде кислорода. Окисление можно предотвратить нанесением на внешнюю поверхность термостойкого антиокислительного покрытия [3, 4].

Для предварительного анализа и выбора приемлемых траекторий проведены расчеты изменения равновесной температуры [5]. Рассмотрены точки внешней поверхности лобового сферического затупления аппарата, подверженные наиболее интенсивному нагреву [4]. Для выбранных траекторий и параметров теплозащитного покрытия проведены расчеты его нестационарного температурного состояния, включая стадию охлаждения после приземления.

Результаты математического моделирования позволяют сделать вывод о возможности вернуть на Землю с лунной орбиты беспилотную баллистическую капсулу без разрушения ее поверхности при использовании траекторий с многократным входом в плотные слои атмосферы и теплозащитного покрытия, внешний слой которого выполнен из стеклоуглерод-пирографитового композиционного материала. Для этого материала даны оценки влияния объемной концентрации компонентов на его свойства и показано преимущество перед изотропными материалами.

 

Грант
Грант Министерства науки и высшего образования России (проект № 0705-2020-0047).
Литература
  1. Леонов В.В., Зарубин В.С., Айрапетян М.А. Анализ эффективности применения анизотропных теплозащитных материалов при реализации траекторий с многократным входом в атмосферу // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 2. С. 56–68. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-2-56-68
  2. Соседов В.П. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: справочник. М.: Металлургия, 1975. 336 с.
  3. Ваганов А.В., Дмитриев В.Г., Задонский С.М., Киреев А.Ю., Скуратов А.С., Степанов Э.А. Оценки теплового режима малоразмерного крылатого возвращаемого аппарата на этапе его проектирования // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007. Т. 5. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2007-5/articles/51/ (дата обращения 12.11.2021).
  4. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В., Зарубин В.С. мл. Анализ теплового режима теплозащиты с применением анизотропного материала при спуске на Землю возвращаемой капсулы // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2021. № 2/52. С. 36–45. DOI: 10.26162/LS.2021.52.2.005
  5. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В., Зарубин В.С. мл. Равновесная температура поверхности затупления баллистической капсулы при возвращении на Землю с параболической скоростью // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13, № 11. С. 482–487. DOI: 10.34759/tpt-2021-13-11-482-487
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.