Учёные МАИ создают цифровые модели тепловой защиты при гиперзвуке
Весь мир с ожиданием смотрит в будущее, рисуя себе картины гиперзвуковых пассажирских перевозок, регулярных туристических полётов к околоземной орбите и освоения различных планет нашей солнечной системы. Но не всё так просто. Чтобы это будущее состоялось, учёные должны решить несколько непростых задач. Одна из них – тепловая защита гиперзвуковых летательных аппаратов, ведь преодоление сопротивления атмосферы при гиперзвуковом полёте неизбежно приводит к нагреву их внешней оболочки.
В качестве теплозащитных материалов в ракетно-космической технике широко применяются композиционные материалы. Это связано с их уникальным свойством поглощать значительное количество тепловой энергии при аэродинамическом нагреве за счёт различных физико-химических превращений.
Чтобы понять, как тот или иной композиционный материал будет вести себя при выше указанной эксплуатации, коллективом учёных Московского авиационного института при поддержке Российского научного фонда ведётся разработка комплексных механико-математических моделей, позволяющих исследовать процессы деградации механических и теплофизических свойств композиционных материалов при высокоинтенсивном аэрогазодинамическом нагреве гиперзвуковых летательных аппаратов.
Работы над проектом под руководством доктора физико-математических наук, профессора кафедры 806 «Вычислительная математика и программирование» Владимира Фёдоровича Формалёва ведёт коллектив специалистов института №8 «Информационные технологии и прикладная математика» и института №9 «Общеинженерной подготовки» МАИ.
«Проект посвящён разработке комплексных механико-математических моделей при напряжённо-деформированном состоянии композиционных материалов, как конструкционных, так и теплозащитных, в условиях совместного силового и теплового воздействия при аэродинамическом нагреве гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА), а также исследованию процессов деградации механических и теплофизических свойств композиционных материалов», – говорит Владимир Фёдорович.
Проект был начат в 2016 году. За прошедшее время в нём приняло участие порядка 15 человек из числа докторов и кандидатов наук, а также аспирантов и студентов. Научный коллектив разделён на две группы. Первая занимается разработкой математических моделей задач тепломассоомена, численных методов и программных комплексов, а также решением обратных задач по идентификации различных свойств композиционных материалов. Вторая – работает над исследованием механических свойств композиционных материалов и проведением экспериментов.
«В настоящее время разрабатывается и внедряется в практику проектирования энергетического и транспортного машиностроения значительное количество конструкционных и теплозащитных композиционных материалов с различными наполнителями (кремниевые, углеродные, асбестовые, алюминиевые, титановые, базальтовые и др. волокна) с органическими и неорганическими связующими. Ключевыми вопросами при их разработке и эксплуатации являются проблемы надёжности в условиях высоких механических, газодинамических нагрузок, поскольку композиты подвержены значительным деструктивным изменениям, как в процессе знакопеременных циклических механических, так и в условиях высоких тепловых нагрузок, характерных при аэрогазодинамическом нагружении гиперзвуковых летательных аппаратов, поскольку температура в ударном слое может достигать 20 000 градусов по шкале Кельвина «и выше», – говорит основной исполнитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры 806 Сергей Александрович Колесник. В 2016 году он защитил докторскую диссертацию по математическому моделированию совместных задач теплогазодинамики и анизотропной теплопроводности в условиях аэрогазодинамического нагрева и обратным задачам теплопереноса в анизотропных телах. Эта диссертация дала значительный задел для работы над проектом.
В рамках проекта был разработан универсальный закон разложения связующих теплозащитных композиционных материалов при высоких температурах. Закон имеет универсальный характер, так как не использует трудно формализуемую химическую кинетику разложения. Он был выведен на основе известных (паспортных) значений плотностей и температур начала и окончания разложения связующих теплозащитных композиционных материалов, а также экспоненциального характера разложения связующих композиционных материалов.
На основе данного закона разработана физико-математическая модель тепломассопереноса в теплозащитных композиционных материалах, учитывающая процессы разложения связующих, фильтрацию пиролизных газов, тепломассопереноса, уноса массы и его влияние на нестационарное температурное поле, вдува пиролизных газов в газодинамический пограничный слой и уменьшения тепловых потоков к наружной границе. При этом учитываются различные явления, приводящие к существенной нелинейности и нестационарности математических моделей при высоких температурах, такие как излучение, зависимость теплофизических характеристик материалов от температуры их разрыва, анизотропию и многомерность распространения тепла.
«Сформулированные задачи в каждой отдельной области исследуемой проблемы (прогноз свойств композитов, определение температурных полей в теплозащитном материале в условиях уноса массы, определение фазового состава, оценка параметров сопряжённого тепломассопереноса между вязкими газодинамическими течениями и анизотропными телами, обратные задачи, получение и испытание экспериментальных образцов керамики, металлокомпозитов, углеродных композитов) в значительной степени являются новыми, но именно комплексная постановка проблемы является совершенно новой и неисследованной. Некоторые результаты, полученные в рамках проекта, позволили оценить степень «связанности» исследуемых процессов и возможность их достоверного теоретического описания «и оптимизации», – говорит Сергей Александрович.
Используя накопленный опыт работы над проектом, коллектив учёных МАИ планирует продолжить работу над новым способом тепловой защиты носовых частей гиперзвуковых летательных аппаратов, состоящем из композиционных материалов с большой степенью продольной анизотропии, что позволит при длительном гиперзвуковом полёте функционировать в условиях отсутствия уноса массы.
Источник: Отдел по связям с общественностью МАИ