Математическое моделирование процессов сложного теплообмена и оптимизация параметров теплозащитного покрытия с системой радиационных э
Статья, 29 Мая 2013, автор: пользователь скрыл имя
Краткое описание
Главная задача многоразовых космических аппаратов – значительно уменьшить стоимость доставки полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту. Основной путь ее решения - снижения веса аппарата. Для этого теплозащитное покрытие (ТЗП) многоразового космического аппарата должно не только эффективно защищать поверхность конструкции от аэродинамического нагрева, но и быть легковесным [1]. Этим требованиям удовлетворяют теплозащитные покрытия на основе волокнистых материалов. Примерами подобных ТЗП могут служить жесткие керамические плитки и гибкие теплозащитные покрытия аппарата Space Shuttle [4], а также разрабатываемые покрытия с несущим корпусом для таких аппаратов как X33, Venture Star, X43 [1].
Прикрепленные файлы: 1 файл
Статья_Данилова_Var5.doc
— 1.74 Мб (Скачать документ)Таблица 1 – Максимальная температура на тыльной поверхности ТЗП для различных систем радиационных экранов
Расположение экранов |
max Tw2, К | |||
1 экран без покрытия |
1 позолоченный экран |
5 экранов без покрытия |
5 позолоченных экранов | |
Базовое |
427,75 |
422,21 |
421,96 |
409,54 |
Оптимальное |
427,76 |
422,83 |
422,07 |
412,96 |
ΔTw2, К |
0,01 |
0,62 |
0,11 |
3,42 |
С другой стороны, оптимизация расположения экранов позволяет значительнее уменьшить толщину волокнистого материала, и тем самым, больше снизить удельную массу ТЗП.
Далее никелевые экраны не рассматривались вследствие их низкой эффективности. Для определения максимальной экономии массы при использовании ТЗП с системой радиационных экранов рассмотрены модели ТЗП с 6, 7 и 8 позолоченными экранами. Дальнейшее увеличение количества экранов не позволяет уменьшить удельную массу покрытия из-за увеличения массы установленных экранов. Оптимальное расположение экранов и полученная в результате расчета минимальная толщина слоя волокнистого материала показаны на рисунке 11. Оценка экономии массы при применении этих моделей ТЗП приведена в таблице 2.
Рис. 11. Модели ТЗП с оптимальной системой радиационных экранов:
а – 6 экранов; б – 7 экранов; в – 8 экранов.
Таблица 2 – Оценка экономии массы покрытия при применении моделей ТЗП с 6, 7 и 8 экранами
Количество экранов |
6 |
7 |
8 |
Масса покрытия, кг |
6,546 |
6,527 |
6,508 |
Экономия массы относительно модели ТЗП без экранов, % |
9,08% |
9,35% |
9,61% |
Таким образом, применение ТЗП с системой радиационных экранов с отражающей способностью ниже 0,9 не дает возможности снизить удельную массу покрытия, тогда как применение ТЗП с системой радиационных экранов, отражающая способностью которых близка к 1, позволяет уменьшить удельную массу ТЗП без существенного изменения конструкции, только за счет уменьшение толщины слоя волокнистого материала. Так для данных условий теплового нагружения ТЗП с 8 позолоченными экранами, расположенными на оптимальном расстоянии друг от друга, на 9,61% легче аналогичного теплозащитного покрытия без экранов, что, с учетом теплоизолируемой площади аппарата в сотни квадратных метров, дает существенную экономию массы.
Литература
- Development of Metallic Thermal Protection Systems for the Reusable Launch Vehicle / K. Daryabeigi [et al] // NASA, Langley Research Center. – 2006. – No. 23681 – 8p.
- Heat Transfer in High Temperature Multilayer Insulation / K. Daryabeigi [et al] // NASA, Langley Research Center. – 2000. – No. 210289 – 48p.
- Opacification of High Temperature Fibrous Insulation/ W.C. Miiller [et al] // NASA-CR-166578 – 1984. –– 30 p.
- Parametric Weight Comparison of Advanced Metallic, Ceramic Tile, and Ceramic Blanket Thermal Protection Systems / D. Myers [et al] // NASA, Langley Research Center. – 2000. – No. 21018. – 49 p.
- Reflective Coating on Fibrous Insulation for Reduced Heat Transfer / Derec D. Hass [et al] // NASA, Langley Research Center. – 1997. – No. 201733 – 8p.
- Thermal Testing and Analysis of an Efficient High-Temperature Multi-screen Internal Insulation / S. Wieland [et al] // NASA, Langley Research Center. – 2007. – 12 p.
- Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем / О.М. Алифанов [и др.]. – М.: Логос, 2001. – 400 с.
- Суржиков С.Т. Тепловое излучение газов и плазмы – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 544 с.