Оптимизация тепловой защиты гиперзвуковых космических летательных аппаратов путем вариации каталитических излучательных свойств

Дальнейшее развитие ракетно-космической техники (РКТ) будет связано с созданием изделий нового поколения. Можно прогнозировать, что к таким изделиям будут относиться, прежде всего, гиперзвуковые летательные аппараты (ГЛА), способные осуществлять маневренный полет как в условиях космического пространства, так и в плотных слоях атмосферы. Можно ожидать, что тактические характеристики таких ГЛА будут таковыми, чтобы в рамках данного полета их скорость может изменяться в десятки раз, т. е. соответствовать числу Маха, значительно превышающего М=5. В таких условиях полета конструкция аппарата подвергается интенсивному аэродинамическому нагреву и требует специальной тепловой защиты. Кроме того, на завершающей стадии полета такие ГЛА должны надежно выполнить поставленную задачу в экстремальных условиях, когда аппарату придется преодолевать участки атмосферы с большим содержанием естественных (облачность) и искусственных (пылевая облачность и др.) образований. В таких условиях интенсивного аэродинамического нагрева и одновременного эрозионного воздействия, резко возрастают требования к защите конструкции аппарата от термоэрозии /51/, /52/.

Обоснованное научное прогнозирование показывает, что сегодня эту проблему можно успешно решить только с использованием новых структур углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). УУКМ нашли широкое применение в изделиях ракетно-космической техники в качестве материалов теплозащитного назначения. Многолетний опыт их надежной эксплуатации в составе РКТ, а также широкий спектр теплофизических, механических и других свойств, которыми обладают эти материалы, позволяют утверждать, что этот класс материалов непременно будет востребован конструкторами и в дальнейшем, при разработке РКТ нового поколения.

Однако при всех многочисленных достоинствах УУКМ обладают некоторыми недостатками и, прежде всего, низкой термостойкостью в окислительной среде. Например, уже при температуре Тп, > 500К любой углеродный материал начинает окисляться, гореть, т. е. заметно терять свою массу. Задача защиты УУКМ от термохимической эрозии многократно усложняется, если термохимическое разрушение сопровождается механической эрозией, возникающей в результате воздействия на материал высокоскоростным гетерогенным потоком.

Как видно, проблема защиты УУКМ стоит весьма остро и требует своего решения. Решению этой проблемы уделялось недостаточное внимание. Например, сегодня в производстве РКТ нет надежных покрытий, способных длительно защитить УУКМ от термохимического воздействия при температуре поверхности Т1У «25(ШГи более.

Поэтому разработка научных основ технологии формирования таких покрытий является весьма перспективной НИР для РКТ нового поколения.

Одной из задач таких исследований является научный поиск и разработка рецептуры композиционных термостойких покрытий с повышенными каталитическими и излучательными свойствами. Такая задача в первую очередь должна быть решена для ГЛА планирующего класса.

Траекторные параметры при полете в атмосфере гиперзвуковых летательных аппаратов планирующего класса (самолетные схемы КЛА типа «Шаттл» и «Буран») существенно разнятся от аналогичных параметров космических аппаратов баллистического класса /1/. Это объясняется, прежде всего, разным стратегическим назначением аппаратов, а, следовательно, разным временем полета в атмосфере. Например, время полета в атмосфере аппарата планирующего типа может в сотни и тысячи раз превосходить время полета баллистического ГЛА. Это, в свою очередь, однозначно отражается на разных уровнях теплового и силового воздействия на элементы конструкции аппаратов, что выдвигает разные требования к системам тепловой защиты каждого из указанных классов аппаратов.

Особенности теплосилового воздействия на тепловую защиту аппаратов баллистического1 класса подробно проанализированы в работах разных ОКБ и НИИ. Поэтому в диссертационной работе основное внимание уделено особенностям работы тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов планирующего класса.

Прежде всего, следует отметить, что главная особенность теплообмена на поверхности аппаратов такого класса заключается в том, что, практически, по всей траектории полета реализуется тепло — и массообмен между поверхностью аппарата и химически активным пограничным слоем. Интенсивность теплообмена-в таком пограничном слое всецело зависит как от параметров состояния газа, так и от химического состояния смеси компонентов высокотемпературного воздуха. Эти две особенности, в конечном счете, определяют тип пограничного слоя: равновесный, неравновесный или «замороженный». Указанное, является важным обстоятельством, поскольку в зависимости от типа пограничного слоя выбирается тот или иной класс теплозащитного материала.

Проведенные различными авторами исследования теплообмена в неравновесных потоках диссоциированного газа /1/./10/, /57/, /82/ показали, что при полете аппарата на высотах выше 60 км, параметры состояния высокотемпературного воздуха таковы, что молекулы, проходя через ударную 'волну и сжатый слой, диссоциируют на атомы. В свою очередь, атомарный газ, не достигнув химического равновесия, попадает в зону пограничного слоя, диффундирует к поверхности и рекомбинирует на ней. В результате реализации всего этого комплекса физико-химических процессов, значительно увеличиваются тепловые потоки в конструкцию КЛА. Интенсивность теплообмена в этом случае сильно зависит от каталитической активности материалов тепловой защиты по отношению к реакции поверхностной рекомбинации атомов.

Таким образом, на поверхности КЛА протекают химические реакции рекомбинации и, очевидно, скоростями этих реакций можно управлять, применяя материалы, обладающие свойствами катализаторов или ингибиторов. Итак, в том случае, когда на поверхности КЛА применяется материал, обладающий свойством катализатора, реакция поверхностной рекомбинации атомов в молекулы интенсифицируется, а, следовательно, увеличивается тепловой поток в стенку. Если же использованный материал обладает свойством ингибитора, то реакция рекомбинации замедляется, и тепловой поток в стенку уменьшается. Понятно, что при проектировании КЛА, такими свойствами должны обладать теплозащитные материалы, которые используются в конструкции тепловой защиты аппарата. Эти ТЗМ получили наименование материалов с каталитической активностью поверхности.

Исследование степени влияния на теплообмен каталитических свойств ТЗМ очень важно, поскольку известно, что каталитическая активность теплозащитных материалов различных классов может меняться в пределах нескольких порядков. Вопрос влияния каталитической активности теплозащитных материалов на теплообмен особенно остро проявляется для космических аппаратов планирующего класса. Как отмечалось, орбитальные аппараты этого класса характеризуются длительным временем полета в верхних слоях атмосферы и выбор материалов тепловой защиты, обладающих свойствами каталитической активности, может в несколько раз снизить интенсивность теплообмена в конструкцию аппарата, а, следовательно, существенно, на 20.30% уменьшить массу тепловой защиты аппарата.

Каталитические и излучательные свойства материалов неразрывно связаны с составом, физико-химическими характеристиками, кристаллической структурой, пористостью, напряженным состоянием, глубиной пробега излучения и другими характеристиками поверхностного слоя. В процессе работы материала в результате нагрева эти свойства могут в.

10 значительной степени изменяться. Процессы химического взаимодействия между газовым потоком и поверхностным слоем материала также оказывают влияние на каталитические и излучательные свойства. В силу этого простой набор сведений по каталитическим и излучательными свойствам отдельных элементов и соединений не может дать гарантии, что их применение даст воспроизведение их свойств в композиции материала или покрытия. Все это предполагает проведение специальных теоретических и экспериментальных исследований по изучению каталитических и излучательных свойств теплозащитных материалов и покрытий в процессе их создания и доводки с целью реализации заданных характеристик.

Для практически не разрушаемой тепловой защиты многоразовых космических летательных аппаратов с высоким аэродинамическим качеством каталитические свойства поверхности теплозащитных материалов оказываются единственным фактором, способным уменьшить подвод тепла к поверхности, а излучательные свойства и максимально допустимая рабочая температура поверхности материала являются основными факторами, способными увеличить отвод подведенного к поверхности материала тепла в окружающее пространство /60.62/. В связи с этим научное прогнозирование каталитических и излучательных свойств и разработка методов экспериментальной отработки высокотемпературных материалов и защитных покрытий с целью улучшения этих свойств является актуальной задачей при разработке перспективных космических аппаратов и аэрокосмических систем. Таким образом, можно отметить, что для обеспечения необходимых параметров, позволяющих защитить космический летательный аппарат от экстремальных тепловых нагрузок, следует немалое внимание уделять не только к изучению и определению свойств материалов, обладающих каталитическими свойствами, но и, соответственно, излучательными свойствам материалов /68/.

Таким образом, проектирование тепловой защиты орбитальных спускаемых космических аппаратов планирующего класса следует проводить.

11 с учетом каталитической активности используемых материалов тепловой защиты.

Целью данной диссертационной работы являлось:

— определение каталитических и излучательных свойств теплозащитных покрытий с целью оптимизации тепловой защиты КЛА планирующего класса.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

1. Проведен анализ теплои массообмена в химически активном пограничном слое на каталитически активной поверхности. На базе анализа выведено критериальное соотношение для расчета теплообмена;

2. Предложены методы по улучшению каталитических и излучательных свойств углерод-углеродных композиционных материалов путем формирования на их поверхности тонких композиционных термостойких покрытий.

3. На базе низкотемпературного газодинамическогометода разработана технология нанесения на твердую поверхность тонких термостойких композиционных покрытий.

4. Разработана математическая модель и составлен алгоритм-экспериментального определения каталитических и излучательных свойств, теплозащитных покрытий.

5. С целью исследования каталитических и излучательных свойств разработаны, реализованы-и апробированы методы и средства диагностики высокотемпературных потоков на газодинамических стендах.

6. Проведены экспериментальные исследования по определению каталитических и излучательных свойств теплозащитных покрытий на газодинамических стендах, воспроизводящих необходимые траекторные параметры космических летательных аппаратов планирующего класса.

7. Проведено экспериментальное исследование теплообмена на поверхностях с разной каталитической активностью. Результаты, эксперимента сопоставлены с расчетными данными данной работы и других авторов.

Выводы.

1. Проведен анализ процессов тепло-массообмена на поверхности ГЛА с учетом влияния каталитической активности поверхности материала тепловой защиты. Показано, что путем вариации типов ТЗМ в системе тепловой защиты КЛА планирующего на высотах, превышающих 50 км, влияние степени каталитической активности материала можно до двух раз снизить уровень теплового потока в конструкцию КЛА.

2. Проведен анализ возможности улучшения каталитических и излучательных свойств УУКМ. Показано, что свойства материалов можно существенно улучшить посредством обоснованного подбора специальных химических элементов, способных снизить каталитическую активность поверхности УУКМ, kw~> 0 и одновременно повысить степень черноты поверхности до уровня ew «0,92.0,95 Показано-. также, что весьма перспективными, в этом плане могут оказаться синтезированные композиции типа: Si-Ti-Mo-Cr, Si-Ti-Mo B-Y, Si-Ti—Mo—Cr-B—AI, Si-Ti-Mo-Cr-Y-H/и др.

3.' На базе теории тепло-массообмена в химически активном пограничном слое получено критериальное уравнения (2.35) для расчета плотности, теплового потока в конструкцию КЛА с учетом каталитической активности ТЗМ. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало удовлетворительную корреляцию результатов — (относительная: погрешность ± 7%, см. рис. 2.3а).

4. С использованием уравнения (2.35) проведен анализ влияния физических факторов (высоты и скорости полета КЛА, его геометрической формы, температуры поверхности и др.) на теплообмен при наличии каталитической активности материалов тепловой защиты. Показано, что все рассмотренные физическиефакторы могут оказывать заметное влияние на теплообмен. Поэтому при проектировании тепловой защиты КЛА необходимо устанавливать их оптимальное сочетание, что. в значительной степени позволит уменьшить массу тепловой защиты аппарата.

5. Предложена технология формирования теплозащитных покрытий на поверхности силицированных УУКМ с использованием низкотемпературного газодинамического метода. Надежность технологии проверена экспериментально, путем получения разных композиционных покрытий на поверхности силицидных УУКМ с планируемыми «к]У — % свойствами».

6. Разработана методика и составлен алгоритм экспериментального определения коэффициента скорости каталитической рекомбинации. к1У на вакуумном высокотемпературном газодинамическом стенде, в условиях близких к натурным. Надежность и достоверность методики подтверждена тестовыми испытаниями.

7. Разработана методика и составлен алгоритм экспериментального определения степени черноты % на высокотемпературном газодинамическом и вакуумном стендах. Надежность и достоверность методики проверена при проведении специальных тестовых испытаний.

8. Проведено сравнение экспериментальных данных настоящей работы при к%у = оо м/сек (теплоприемный элемент калориметра из меди) с результатами расчетов по уравнению Фея-Ридделла /10/, при прочих равных условиях. Показано удовлетворительное соответствие результатов с погрешностью ±5. 7%;

9. Проведено сопоставление расчетных данных по уравнению Гуларда (2.17) с экспериментальными и расчетными данными полученными в настоящей работе (уравнению (2.35)). Показано значительное до 40% несоответствие результатов. Это указывает на тот факт, что допущения, сделанные Гулардом при выводе уравнения (2.17), слишком далеки от реальных процессов.