Главная Препринты Определение напряженно-деформированного состояния анизотропного теплозащитного покрытия спускаемого аппарата, возвращающегося с орбиты искусственного спутника Земли

Определение напряженно-деформированного состояния анизотропного теплозащитного покрытия спускаемого аппарата, возвращающегося с орбиты искусственного спутника Земли

Язык труда и переводы:
УДК:
536.2
Дата публикации:
17 апреля 2023, 15:15
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Зарубин Владимир Сергеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Леонов Виктор Витальевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрено определение напряженно-деформированного состояния многослойного теплозащитного покрытия спускаемого аппарата. Внешний слой теплозащиты выполнен из материала с высокой степенью анизотропии теплопроводности для снижения уровня температуры внешней поверхности в зонах наиболее интенсивного подвода тепловой энергии. Полученные результаты позволяют оценить работоспособность выбранной схемы теплозащиты для аппарата, возвращающегося с орбиты искусственного спутника Земли.
Ключевые слова:
баллистическая капсула, анизотропный теплозащитный материал, напряженно-деформированное состояние, многослойное теплозащитное покрытие, пирографит
Основной текст труда

При возвращении на Землю космические аппараты испытывают высокие тепловые нагрузки. Эти нагрузки из-за неравномерности их распределения могут привести к повреждению внешней поверхности и даже к разрушению теплозащитного покрытия с последующим выходом из строя космического аппарата. Для предотвращения указанных последствий возможно применение теплозащитных покрытий, выполненных из материалов с высокой степенью анизотропии их характеристик, в частности теплопроводности [1].

В данной работе рассмотрено влияние тепловых нагрузок, воздействующих на спускаемый аппарат на участке траектории спуска в атмосфере с орбиты искусственного спутника Земли, на напряженно-деформированное состояние многослойного теплозащитного покрытия, выполненного с применением анизотропных материалов. Теплозащитное покрытие состоит из внешнего анизотропного слоя пиролитического графита марки УПВ-1Т, покрытого тонким слоем высокотемпературного антиокислительного покрытия [2], и внутреннего теплоизоляционного слоя из керамического материала на основе кварцевых волокон ТЗМК-10 [3]. Теплозащитное покрытие нанесено на силовую оболочку выполненную из титановый сплав марки ОТ-4.

Задача решена в осесимметричной постановке. Расчетная схема представляет собой сферический сегмент многослойного теплозащитного покрытия внешним радиусом 4,27 м с толщинами 24, 16 и 4 мм для слоев УПВ-1Т, ТЗМК-10 и ОТ-4 соответственно. Внутренняя граница слоя ОТ-4 принята теплоизолированной. На внешнюю поверхность теплозащиты воздействует тепловой поток, плотность которого рассчитана по формулам (1)–(7) на основе данных о траектории спуска аппарата. Параметром, определяющим режим обтекания, является число Кнудсена Kn [4].

При \mathrm {Kn} >10 :

q_{\text{к}}^{'}=0,5\rho V^{3}cos^{3}\theta ,                                                                      (1)

где θ — угол между векторами скорости спускаемого аппарата и внешней нормали к поверхности в рассматриваемой точке; ρ — плотность воздуха, кг/м3; V — скорость аппарата, м/с.

При \mathrm {Kn} <0,01   [4, 5]:

q_{\text{л}}(\theta )=3,3\cdot 10^{-5}V^{3,2}(\rho /r)^{0,5}\cdot \left(0,1+0,9\cos ^{2}\theta \right);                                (2)

q_{\text{т}}(\theta )=1,06\cdot 10^{-4}V^{3,19}\left(\rho ^{4}/r\right)^{0,2}\left(15\sin ^{2}\theta -14\sin ^{4}\theta \right);                           (3)

q_{\text{к}}^{*}(\theta )=q_{\text{л}}(\theta )  при q_{\text{л}}(\theta )\geq q_{\text{т}}(\theta );                                                      (4)

q_{\text{к}}^{*}(\theta )=q_{\text{т}}(\theta )  при q_{\text{т}}(\theta )>q_{\text{л}}(\theta ),                                                     (5)

где q_{\text{л}}(\theta ) и q_{\text{т}}(\theta ) — плотности теплового потока при ламинарном и турбулентном режимах соответственно; r  — внешний радиус сферического сегмента.

При 0,01\leq {\text{Kn}}\leq 10 :

q_{\text{к}}(\theta )=\left(q_{\text{к}}^{*}(\theta )+\mathrm {Kn} \cdot q_{\text{к}}^{\prime }(\theta )\right)/(1+\mathrm {Kn} ).                                    (6)

Плотность лучистого теплового потока, приходящего на поверхность аппарата:

q_{\text{к}}^{\circ }(\theta )=2,195\cdot 10^{-22}V^{7,9}\rho ^{1,2}r^{0,49}.                                         (7)

Суммарная плотность теплового потока q(t,\theta )  определяется суммированием q_{\text{к}}^{*}(\theta ) и q_{\text{к}}^{\circ }(\theta ).

На основе расчетной схемы построена конечноэлементная модель, описывающая нестационарное температурное поле и напряженно-деформированное состояние рассматриваемого многослойного теплозащитного покрытия. В процессе расчета определено температурное поле для указанного сферического сегмента на всем протяжении траектории спуска. Полученные результаты вместе с распределениями по внешней поверхности покрытия давления и касательного напряжения трения далее использованы в качестве исходных данных для определения напряженно-деформированного состояния многослойного теплозащитного покрытия.

Результаты проведенного расчета температурного состояния многослойного теплозащитного покрытия являются исходными данными для количественного анализа его напряженно-деформированное состояния, что дает возможность оценить вероятность нарушения структурной целостности слоев покрытия при различных режимах спуска и характеристиках спускаемого аппарата. Полученная информация позволяет в итоге оценить работоспособность выбранной схемы теплозащиты и возможные способы ее улучшения.

Литература
  1. Леонов В.В., Зарубин В.С. Оценка эффективности теплозащиты возвращаемой баллистической капсулы, выполненной из анизотропного композиционного материала. XLVI Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых — пионеров освоения космического пространства: сб. тез. в 4 т. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2022, т. 1, с. 106–108.
  2. Соседов В.П. (ред.). Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Москва, Металлургия, 1975, 336 с.
  3. Сорокин О.Ю., Гращенков Д.В., Солнцев С.Ст., Евдокимов С.А. Керамические композиционные материалы с высокой окислительной стойкостью для перспективных летательных аппаратов. Труды ВИАМ, 2014, № 6, 8 с.
  4. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В., Зарубин В.С. 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.
  5. Землянский Б.А. (ред.). Конвективный теплообмен летательных аппаратов. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2014, 380 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.