Опубликовано: 03.03.2021, 12:19
 

Ученые МАИ создают цифровые модели тепловой защиты при гиперзвуке


[image]

Весь мир с ожиданием смотрит в будущее, рисуя себе картины гиперзвуковых пассажирских перевозок, регулярных туристических полетов к околоземной орбите и освоения различных планет нашей солнечной системы. Но не все так просто. Чтобы это будущее состоялось, ученые должны решить несколько непростых задач. Одна из них - тепловая защита гиперзвуковых летательных аппаратов, ведь преодоление сопротивления атмосферы при гиперзвуковом полете 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 счет различных физико-химических превращений.

Чтобы понять, как тот или иной композиционный материал будет вести себя при выше указанной эксплуатации, коллективом ученых Московского авиационного института при поддержке Российского научного фонда ведется 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 Федоровича Формалева ведет коллектив специалистов института №8 "Информационные технологии и прикладная математика" и института №9 "Общеинженерной подготовки" МАИ.

"Проект посвящен разработке комплексных механико-математических моделей при напряженно-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 Федорович.

Проект был начат в 2016 году. За прошедшее время в нем приняло участие порядка 15 человек из числа докторов и кандидатов наук, а также аспирантов и студентов. Научный коллектив разделен 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 надежности 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 сопряженного 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 ученых 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 полете функционировать в условиях отсутствия уноса массы.

 
Ссылки по теме: Другие пресс-релизы «МАИ» | Все пресс-релизы
Дайджест прессы за 3 марта 2021 года | Дайджест публикаций за 3 марта 2021 года
Авторские права на данный материал принадлежат организации «МАИ». Цель включения данного материала в дайджест - сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.

Комментарии к новости