Методика расчета абляции углерода в струе продуктов сгорания жидкостного ракетного двигателя

В настоящее время углеродные материалы широко используются в качестве абляционной тепловой защиты для высокотемпературных элементов конструкции изделий авиационной и ракетно-космической техники. Прогнозирование изменений формы внешних поверхностей указанных элементов, обусловленных обгаром тепловой защиты, неотделимо от использования расчетно-теоретических методик, описывающих физико-химические и механические процессы, сопутствующие рассматриваемому явлению. При этом обязательным является апробация таких методик на результатах экспериментальных исследований, проведенных в условиях, реализуемых в процессе отработки тепловой защиты в струях аэродинамических установок. К числу основных элементов абляции углеродных материалов относится их эрозия (механический унос массы) в высоконапорных газовых потоках. В процессе экспериментальной отработки необходимо проводить исследование на крупномасштабных моделях, что обусловило широкое использование для моделирования процесса эрозии тепловой защиты недорасширенных струй продуктов сгорания жидкостного ракетного двигателя. Расчетно-теоретическая модель абляции тепловой защиты в таких струях требует учета сложного химического состава газовой смеси, натекающей на модель; физико-химического взаимодействия этого газа с тепловой защитой, вызывающего ее газификацию; использования математических моделей, описывающих процесс эрозии материала за счет силового воздействия на модель со стороны высоконапорной газовой струи. Сформирована расчетно-теоретическая модель абляции для углеродного материала, пригодная для установления характеристик эрозии материала на базе решения комплексной задачи об обтекании, нагреве, прогреве и уносе массы тепловой защиты

Работа поддержана грантом РФФИ № 17-08-01468a

Литература

[1] Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М., Энергия, 1976.

[2] Никитин П.В. Тепловая защита. М., МАИ, 2006.

[3] Горский В.В. Теоретические основы расчета абляционной тепловой защиты. М., Научный мир, 2015.

[4] Анфимов Н.А. Горение графита в потоке воздуха при высоких температурах. Изв. АН СССР. ОТН. Механика и машиностроение, 1964, № 5, с. 3--11.

[5] Пчелкин Ю.Д. Приближенный метод расчета уноса массы углеродных материалов в высокотемпературном потоке. Космонавтика и ракетостроение, 2014, № 2, с. 19--24.

[6] Мур Дж.А, Злотник М. Горение углерода в потоке воздуха. Ракетная техника, 1961, т. 1, № 10, с. 35--45.

[7] Рознер Д.Е., Аллендорф Г.Д. Сравнительное исследование окисления пиролитического и изотропного графита под воздействием атомарного и молекулярного кислорода при высоких температурах. Ракетная техника и космонавтика, 1968, т. 6, № 4, с. 91--96.

[8] Полежаев Ю.В. Сублимация. Физический энциклопедический словарь. Т. 5. М., Советская энциклопедия, 1966, с. 101.

[9] Власов В.И., Залогин Г.Н. Численное моделирование термохимического разрушения углеродосодержащих материалов тепловой защиты. Космонавтика и ракетостроение, 2015, № 2, с. 84--90.

[10] Бояринцев В.И., Звягин Ю.В. Исследование разрушения углеродографитовых материалов при высоких температурах. АН СССР. Теплофизика высоких температур, 1975, т. 4, № 5, с. 1045.

[11] Горский В.В., Ковальский М.Н., Оленичева А.А. Определение кинетических констант окисления углеродных материалов на базе анализа абляционных экспериментов. Инженерно-физический журнал, 2017, т. 90, № 1, с. 133--141.

[12] Горский В.В., Гордеев А.Н., Дмитриева А.А. и др. Методика решения обратных задач математической физики по определению эффективных физических свойств углеродных материалов абляционной тепловой защиты. Инженерный журнал: наука и инновации, 2018, № 8. DOI: 10.18698/2308-6033-2018-8-1789

[13] Горский В.В., Дмитриева А.А. Определение кинетических констант гетерогенного окисления углерода на сублимационном режиме его абляции по результатам суммарных абляционных экспериментов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2017, № 12. DOI: 10.18698/2308-6033-2017-12-1708

[14] Горский В.В., Гордеев А.Н., Дмитриева А.А. и др. ВЧ-плазматрон ВГУ-4 ИПмех РАН как инструмент для исследования кинетики гетерогенных химических реакций, протекающих на поверхности углеродного материала. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2017, т. 18, № 2.

[15] Маас Х.Г., Шрайдер Д.Р. Унос частиц при абляции искусственного графита. Ракетная техника и космонавтика, 1969, т. 7, № 11, с. 155--160.

[16] Gorsky V.V., Resh V.G. The study of carbon matherial’s aerothermochemical destruction in combustion products of liquid-propellant rocket engines. 29-th Cong. Of the Int. Council of the Aeronautical Sciences. URL: http://www.icas.org/ICAS_ARCHIVE/ICAS2014/data/papers/2014_0619_paper.pdf

[17] Горский В.В., Ковальский М.Г. Методика численного моделирования обтекания осесимметричного затупленного тела в недорасширенной струе продуктов сгорания жидкостного ракетного двигателя. Математическое моделирование и численные методы, 2017, № 2, c. 65--80. DOI: 10.18698/2309-3684-2017-2-6580

[18] Глушко В.П., ред. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Т. II. Кн. 2. М., Наука, 1979.