Экспериментально-теоретическая отработка тепловой защиты элементов конструкций высокоскоростных летательных аппаратов в условиях аэрогазодинамического нагрева

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-19-00684

НазваниеЭкспериментально-теоретическая отработка тепловой защиты элементов конструкций высокоскоростных летательных аппаратов в условиях аэрогазодинамического нагрева

Руководитель Тушавина Ольга Валериановна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Композиционные материалы, тепломассоперенос, уравнения динамического, теплового и диффузионного пограничных слоев, тепловые потоки, температура, химические реакции диссоциации и рекомбинации, катализ, излучение, компоненты тензора теплопроводности, термическая и эрозионностойкое пленочное покрытие

Код ГРНТИ89.25.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
При разработке современных высокоскоростных летательных аппаратов (ВЛА), функционирующих на скоростях, соответствующих числам Маха не ниже 5, в плотных слоях атмосферы, проектировщики сталкиваются с одной из основных проблем – проектированием надежной тепловой защиты в условиях аэрогазодинамического нагрева ВЛА. Уровень аэродинамического нагрева существенно ограничивает тактико-технические требования (ТТТ), предъявляемые к ВЛА и требует для защиты от него широких научно-исследовательских и экспериментальных исследований в таких областях, как аэрогазодинамика, тепломассоперенос, теплозащитные и конструкционные материалы, теория теплопроводности, в том числе в анизотропных материалах и в условиях уноса массы при термохимическом и эрозионном разрушении. При этом теплозащитные материалы должны функционировать в тяжелых условиях теплового и динамического ударов. При проектировании тепловой защиты ВЛА необходимо решать комплекс следующих проблем, каждая из которых имеет самостоятельное научное значение: – математической формулировки вязкой теплогазодинамики на основе уравнений Навье-Стокса или уравнений пограничного слоя с определением тепловых потоков и температур в корпусе ВЛА; – разработке численных или приближенно-аналитических методов решения существенно нелинейных задач тепломассопереноса в динамических, температурных и диффузионных пограничных слоях по определению тепловых, диффузионных и лучистых тепловых потоков к стенкам ВЛА; – формированию и численному решению задач теплопереноса в теплозащитных, в том числе анизотропных материалах; – разработке методов численного решения сопряженных задач тепломассопереноса между вязкими газодинамическими течениями и анизотропными телами; – выбору теплозащитного материала (ТЗМ) из существующей номенклатуры или разработке собственных ТЗМ; – планированию стендовых и возможно натурных (летных) испытаний по определению тепловых потоков и температур в ТЗМ на физических моделях ВЛА; – проведению стендовых теплофизических и огневых экспериментов для получения характеристик теплостойкости ТЗМ. Таким образом, разработка тепловой защиты современных ВЛА является чрезвычайно сложной, комплексной и в то же время актуальной научной проблемой. В рамках данного научного исследования будут проведены следующие работы: – широкий обзор литературных источников по методам решения задач тепломассопереноса при полете ВЛА с учетом химических реакций, гетерогенной рекомбинации, излучения, теплоотвода внутрь корпуса ВЛА, теплопроводности и сопряжения на границе «газ-твердое тело» теплопереноса в газе и в теле; – разработка математических моделей и проведение широких численных экспериментов по определению тепловых потоков и температур в корпусе ВЛА; – проведение анализа возможностей существующих стендов для моделирования газодинамических и теплофизических испытаний ТЗМ для ВЛА; – разработка новых математических моделей и методов решения тепломассопереноса в ТЗМ в условиях фазовых превращений связующих композиционных ТЗМ; – сравнение с результатами теоретических и экспериментальных исследований других авторов; – предложение и обоснование по эффективности нового незатратного способа тепловой защиты путем использования анизотропных ТЗМ с большой степенью продольной анизотропии; – разработка и апробация экспериментальных составов жаростойких пленок для защиты от окисления и увеличения ресурса углеродсодержащих ТЗМ ; – разработка методики комплексных экспериментальных и теоретических исследований тепломассообмена и характеристик ТЗМ на малогабаритных высокоэнтальпийных сверхзвуковых стендах; – проведение огневых газодинамических испытаний образцов углеродсодержащих ТЗМ с нанесенными жаростойкими пленками, выбор оптимального состава. Таким образом, научная новизна заключается в комплексном проведении вышеперечисленных исследований, включая научную новизну в каждом исследовании.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.Л. Кузнецова, О.В. Тушавина Экспериментальная отработка антиокислительного и антиэрозионного покрытия для углерод-углеродных и углерод-керамических теплозащитных материалов СТИН, № 10, с. 11-14 (год публикации - 2023)

2. О.В. Тушавина, П.Ф. Пронина, С.С. Лопатин Подходы к моделированию изменения физико-механических свойств и напряженно-деформированного состояния многослойных покрытий при циклическом нагреве СТИН, № 10, с. 21-23 (год публикации - 2023)

3. П.Ф. Пронина, О.В. Тушавина ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНОК С МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫМ ПОКРЫТИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ Инновационное развитие транспортного и строительного комплексов : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию БелИИЖТа – БелГУТа (Гомель, 16–17 ноября 2023 г.), Часть 2, стр. 137 (год публикации - 2023)

4. М.С. Егорова, О.В. Тушавина МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ВНУТРИ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ С УЧЕТОМ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА ВНУТРИ СЛОЕВ Инновационное развитие транспортного и строительного комплексов : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию БелИИЖТа – БелГУТа (Гомель, 16–17 ноября 2023 г.), Часть 2, стр. 84-85 (год публикации - 2023)

5. О.В. Тушавина ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Инновационное развитие транспортного и строительного комплексов : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию БелИИЖТа – БелГУТа (Гомель, 16–17 ноября 2023 г.), Часть 2, стр. 160 (год публикации - 2023)

6. Егорова М.С., Тушавина О.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА Материалы XXIX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. Т.1. – М.: ООО "ТРП", 2023. –237 с, том 1, стр. 112-113 (год публикации - 2023)

7. Пронина П.Ф., Тушавина О.В., Бабайцев А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКРАНО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКРАНО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ Материалы XXIX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. Т.2. – М.: ООО "ТРП", 2023. –153 с., том 2, стр. 36 (год публикации - 2023)

8. Тушавина О.В., Пронина П.Ф., Егорова М.С. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ И ТЕМПЕРАТУР ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ПРИ ОБТЕКАНИИ ДИССОЦИИРУЮЩИМ ПОТОКОМ ГАЗА СТИН, №12, с. 37-40 (год публикации - 2023)

9. Тушавина О.В. Экспериментально-теоретическое определение каталитических и излучающих характеристик антиокислительных и антиэрозионных покрытий высокоскоростных летательных аппаратов УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ (год публикации - 2024)

10. Тушавина О.В., Егорова М.С. ЗАДАЧИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ХИМИЧЕСКИ РЕАГИРУЮЩИХ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЯХ НА ЗАТУПЛЕННЫХ ТЕЛАХ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ, УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА.СЕРИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ 2023, Т. 165, кн. 3 С. 294–306 (год публикации - 2023)
10.26907/2541-7746.2023.3.294-306

11. Тушавина О.В., Егорова М.С., Пронина П.Ф. Modeling of Heat Transfer in a Plate Made of Composite Material in the Presence of a Thermal Energy Sink LOBACHEVSKII JOURNAL OF MATHEMATICS, Lobachevskii Journal of Mathematics, 2024, Vol. 45, No. 5, pp. 2403–2409. (год публикации - 2024)
10.1134/S1995080224602509

12. Пронина П. Ф., Тушавина О. В. Теплоперенос в средах с конечной скоростью распространения тепловых возмущений СТИН, СТИН. 2024. № 12, 44-47 (год публикации - 2024)

13. Тушавина О.В. WAVE HEAT TRANSFER IN SHIELDING UNDER INTENSE HEATING RUSSIAN ENGINEERING RESEARCH, Russian Engineering Research. 2025. Т. 45. № 4. С. 542-545. (год публикации - 2025)
10.3103/S1068798X25700418

14. Тушавина О.В. MATHEMATICAL MODELING OF THERMAL PROTECTION FOR ORBITAL SPACECRAFT LOBACHEVSKII JOURNAL OF MATHEMATICS, Lobachevskii Journal of Mathematics, 2025, Vol. 46, No. 6, pp. 2935-2941. (год публикации - 2025)
10.1134/S1995080225608318

15. Астапов А.Н., Тушавина О.В. Heat-Resistant ZrSi2–MoSi2–ZrB2–ZrC/SiC Coating for Carbon–Carbon Composites RUSSIAN ENGINEERING RESEARCH, Russian Engineering Research. 2025. Т. 45. № 4. С. 526-529. (год публикации - 2025)
10.3103/S1068798X25700364

16. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС НА ЗАТУПЛЕННЫХ НОСОВЫХ ЧАСТЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС НА ЗАТУПЛЕННЫХ НОСОВЫХ ЧАСТЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНИКЕ, Тепловые процессы в технике. 2025. Т. 17. № 4. С. 171-178. (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Получены следующие научные результаты 1. Сформулированы задачи теплопроводности в анизотропных теплозащитных материалах с граничными условиями различных родов. Получен ряд новых аналитических решений. 2. Сформулирована задача теплопроводности в композиционной анизотропной тепловой защите, материал которой имеет сток тепловой энергии, позволяющей поглощать тепловую энергию. Получено новое аналитическое решение, показавшее волновой характер теплопереноса с различной скоростью распространения тепловой волны в различных направлениях. 3. Поставлена и аналитически решена задача теплопроводности в теплозащитном материале, теплопроводность которого является экспоненциальной функцией температуры. Численные результаты показали волновой характер теплопереноса из-за существенной нелинейности и эффект «запирания» тепловых потоков и температур на определенной глубине, несмотря на то, что температура или тепловые потоки на границе нагрева могут быть как угодно большими. Таким образом, возникает предельная изотерма на глубине, зависящей от степени нелинейности, после которой тело остается холодным (идеальный материал для тепловой защиты). 4. Разработана математическая модель и метод численного решения задач аэродинамического нагрева в виде совместных задач пограничного слоя и теплопроводности в анизотропном теле. По разработанным алгоритмам и программам получены новые результаты совместного теплопереноса при различных значениях компонентов тензора теплопроводности в широком диапазоне их изменения. Исследовано взаимное влияние на теплообмен газа и тела через границу «газ – тело», где принималась непрерывность тепловых потоков и температур. 5. Предложен новый способ тепловой защиты и описана его математическая модель в виде использования теплозащитного материала с высокой степенью продольной анизотропии, позволяющей получить значительный отток теплоты от области передней критической точки в хвостовую часть носового конуса, что позволяет функционировать ВЛА в отсутствие фазовых превращений (уноса массы) и резкого уменьшения тепловых потоков к боковой поверхности носового конуса. 6. При проведении стендовых экспериментов получены теплофизические характеристики анизотропного тела, а именно продольный и поперечный коэффициенты теплопроводности в условиях стационарного и нестационарного нагрева. Получены механические характеристики (модули упругости и сдвига, а также коэффициент линейного и объемного расширения) при неизотермическом изгибе и растяжении со снятием характеристик с тензодатчиков в трех точках.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На этапе 2025 года был проведен синтез и проведены огневые испытания антиокислительных и антиэрозионных пленочных покрытий для углерод/углеродных и углерод/кремниевых теплозащитных материалов для существующих и перспективных высокоскоростных летательных аппаратов (ВЛА). Для этого были проведены следующие работы и получены новые результаты. 1. Для планирования экспериментов были проведены теоретические работы по определению тепловых потоков и температур поверхности ВЛА для передней критической точки (ПКТ) и боковых поверхностей затупленных носовых частей ВЛА. Для этого приближенно-аналитическим методом была решена полная система существенно нелинейных уравнений динамического, теплового и диффузионного пограничных слоев в переменных Дородницына-Лиза и получено явное выражение для теплового потока в ПКТ, зависящее от коэффициента каталитической рекомбинации, являющегося искомой величиной и отношения суммы энтальпий образования атомов кислорода и азота к энтальпии торможения газодинамического потока. С помощью переменной Авдуевского В.С. эффективной длины полученная формула для ПКТ распространена на боковую поверхность затупленного конуса ВЛА для градиентного газодинамического потока. 2. На основе баланса конвективно-кондуктивных тепловых потоков, лучистых и тепловых потоков, отводимых внутрь элементов конструкции ВЛА, получено нелинейное соотношение относительно температур поверхности в каждой точке затупленного конуса ВЛА, которое решалось численно итерационным методом. 3. В результате предварительного анализа было установлено, что для антиокислительных и антиэрозионных свойств наиболее пригодны силициды и бориды элементов IV-й группы таблицы элементов Менделеева Д.И. Поэтому для испытаний проведен синтез смесевых (или химических) соединений из следующих составов элементов: 1) чистый углерод; 2) смесь «кремний-титан-молибден-хром»; 3) смесь «кремний-титан-молибден-бор»; 4) смесь «кремний-титан-молибден-бор-иридий-алюминий»; 5) смесь «кремний-титан-молибден-бор-иридий-гафний». Эти смеси напылением поочередно наносились на теплоприемный элемент – калориметр для измерения теплового потока при наличии защитных пленок. Таким образом, для испытаний изготовлены пять различных образцов. 4. Подготовлен теплогазодинамический стенд на экспериментальной базе МАИ для газодинамических продувок образцов. Для этого в ресивере газодинамического сопла создавалась полностью диссоциированная смесь атомов кислорода и азота воздуха, а испытуемые образцы в виде пластин калориметра с напыленным составом располагались под углом атаки в 900 (перпендикулярно потоку) на расчетном расстоянии от среза газодинамического сопла. Это расстояние определялось из условия того, что на образец будет набегать чисто диссоциировнная смесь атомов кислорода и азота без реакций рекомбинации атомов в молекулы из-за охлаждения струи. Считалось, что в ресивере воздух находится при температуре не ниже 5000 по шкале Кельвина, так как кислород полностью диссоциирован при температуре 4000К, а азот – при температуре 6000К. 5. В продувках на газодинамическом стенде снимались тепловые потоки и пирометром – температура поверхности пленки. Подстановка экспериментально снятых конвективно-диффузионных тепловых потоков в теоретически определенные тепловые потоки по п. 1 дает возможность получить коэффициент каталитической рекомбинации, от величины которого существенно зависят тепловые потоки в реальных условиях полета ВЛА. Однако при этом неизвестно отношение энтальпий образования кислорода и азота к энтальпии торможения газодинамического потока, входящего в формулу по п. 1. 6. Для определения этого отношения были проведены дополнительные продувки образца с известной каталитической активностью, но с теми же характеристиками теплогазодинамического потока, что и для искомых образцов. Таким материалом и одновременно калориметром является чистая электролитическая медь, для которой коэффициент каталитической активности считается равным бесконечности, то есть все атомы кислорода и азота полностью рекомбинируют в молекулы с выделением огромного количества теплоты, равного количеству теплоты, поглощенному при диссоциации молекул кислорода и азота. Подстановка в формулу по п. 1 снятых тепловых потоков на медном калориметре с теми же газодинамическими характеристиками и бесконечным коэффициентом каталитической рекомбинации позволяет получить отношение энтальпий образования атомов кислорода и азота к энтальпии торможения газодинамического потока. 7. Подстановка тепловых потоков полученных на образцах с испытуемыми пленками по п. 5 и отношение энтальпий, полученные по п. 6, подставляются в явную формулу для тепловых потоков по п. 1, из чего наконец находится искомый коэффициент каталитической рекомбинации антиокислительного и антиэрозионного покрытия. Коэффициент излучительной способности (степень черноты) определялась по экспериментальным лучистым тепловым потокам и температурам поверхности из закона Стефана-Больцмана. 8. Полученные результаты сведены в итоговую таблицу, из которой сравнением определено покрытие с наименьшей каталитической рекомбинацией и наибольшей степенью черноты. Такими материалами оказались смесь «кремний-титан-молибден-бор-иридий-алюминий», для которого степень черноты равна 0,91, а коэффициент каталитической рекомбинации равен 0,38, и смесь «кремний-титан-молибден-бор-иридий-гафний», для которого степень черноты оказалась равной 0,925, а коэффициент каталитической рекомбинации равным 0,35. Эти материалы для изготовления защитных пленок от окисления и эрозии можно рекомендовать для защиты теплозащитных материалов ВЛА, содержащих углерод. Кроме этого, находящийся в рекомендованных составах защитных пленок, кремний при высоких температурах расплавляется и «залечивает» (закупоривает) поры, неизбежно образуемые при газации композиционных теплозащитных материалов, ограничивая доступ кислорода воздуха в углеродный материал.

Публикации