Моделирование теплопереноса в слое разлагающегося материала теплозащитного покрытия спускаемого аппарата

Выполнено математическое моделирование теплопереноса в элементе теплозащитного покрытия спускаемого космического аппарата. Элемент состоял из трех слоев: разлагающегося материала, волокнистого теплоизоляционного материала и металлической силовой оболочки. Сформулированы физическая и математическая модели процесса тепло- и массообмена в элементе тепловой защиты. С использованием метода конечных элементов в программном комплексе MSC Software Marc рассчитаны температурные поля в элементе теплозащитного покрытия при спуске аппарата на Землю. Выявлены глубина прококсованного слоя и температурная граница начала пиролиза. Исследовано влияние таких параметров, как степень черноты поверхности элемента теплозащитного покрытия, теплопроводность разлагающегося материала в области средних и высоких температур, энергия активации материала на температурное состояние покрытия и температуру силовой конструкции.

Литература

[1] Никитин П.В. Тепловая защита. М.: Изд-во МАИ, 2006. 512 с.

[2] Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976. 392 с.

[3] Crouch R.K., Walberg G.D. An investigation on ablation behavior of AVCOAT 5026/39M over a wide range of thermal environments // NASA Technical Memorandum. 1969. No. X-1778. 36 p.

[4] Идентификация математических моделей теплопереноса в разлагающихся материалах / О.М. Алифанов, С.А. Будник, А.В. Ненарокомов, А.В. Нетелев // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3. № 8. С. 338-347.

[5] Никитин П.В., Сотник Е.В. Особенности механизма разрушения стеклопластических теплозащитных материалов при переменных параметрах теплового воздействия // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3. № 8. С. 348-359.

[6] Chen Y.-K., Milos F.S. Ablation and thermal response program for spacecraft heatshield analysis // Journal of Spacecraft and Rockets. 1999. Vol. 36. No. 3. P. 475-483. DOI: 10.2514/2.3469

[7] Dec J.A., Braun R.D., Lamb B. Ablative thermal response analysis using the finite element method // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2012. Vol. 26. No. 2. P. 201-212. DOI: 10.2514/1.T3694

[8] Землянский Б.А., Лунев В.В., Тимошенко В.П. и др. Некоторые проблемы теплообмена гиперзвуковых летательных аппаратов планирующего спуска // Труды НПО "Молния". 1985. № 1. С. 34-61.

[9] Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Ненарокомов А.В. Обратные задачи в исследовании сложного теплообмена. М.: Янус-К, 2009. 300 с.

[10] Исаев К.Б. Теплофизические характеристики материалов в широких диапазонах температур и скоростей нагрева. Киев: Куприянова, 2008. 240 с.

[11] MSC Marc Volume A: Theory and user information. MSC Software Corporation, 2013. 876 p.

[12] Wertheimer T.B., Laturelle F. Thermal decomposition analysis of rocket motors and other thermal protection systems using MSC. Marc-ATAS // Proc. 14-th Thermal & Fluid Analysis Workshop, 2003. 16 p.

[13] Davis B.A. International Space Station (ISS) Soyuz vehicle descent module evaluation of thermal protection system (TPS) penetration characteristics // NASA Technical Report. 2013. JSC-66527. 396 p.

[14] ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. М.: Изд-во стандартов, 1981. 180 с.