Тепловое состояние аэродинамического профиля летательного аппарата, обтекаемого высокоскоростным потоком воздуха

Особенностью высокоскоростных атмосферных летательных аппаратов является наличие тонких профилей с кромками малого радиуса затупления, подвергаемых высокотемпературному аэродинамическому нагреву при уровне температур до 2000...2500 °C. Работа тяговой силовой установки таких аппаратов, в качестве которой предполагается прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением, и аэродинамических органов управления обусловливает необходимость стабильности геометрической формы элементов, обтекаемых высокоскоростным воздушным потоком. Обеспечение их работоспособности связано с применением материалов, стойких к воздействию высоких температур в окислительной атмосфере, методов и средств тепловой защиты, а одним из перспективных направлений является использование термостойких оксидных материалов, таких как оксиды алюминия, циркония, гафния. Поскольку материалы этого класса имеют малую теплопроводность, то в окрестности нагреваемой поверхности реализуются большие температурные градиенты, а следовательно, и температурные напряжения, что следует учитывать в проектных работах. На модели острого клина с малым радиусом затупления из оксида циркония проведен анализ температурного состояния при обтекании высокоскоростным потоком воздуха. Для уменьшения температуры кромки и температурных градиентов конструктивно предложено использовать теплопроводный сердечник, облицованный тонким слоем оксида циркония. В качестве материалов сердечника рассмотрены оксид алюминия и борид гафния

Литература

[1] DARPA Falcon HTV-2 experimental hypersonic test vehicle. militaryfactory.com: веб-сайт. URL: https://www.militaryfactory.com/aircraft/detail.asp?aircraft_id=885 (дата обращения: 15.02.2021).

[2] Hope D. DARPA readies hypersonic aircraft for Mach 20 launch test. space.com: веб-сайт. URL: https://www.space.com/12601-darpa-falcon-hypersonic-aircraft- launch-test-htv-2.html (дата обращения: 15.02.2021).

[3] Гиперзвуковой летательный аппарат FALCON HTV-2. dogswar.ru: веб-сайт. URL: www.dogswar.ru/oryjeinaia-ekzotika/aviaciia/5135-giperzvykovoi-letate.html (дата обращения: 15.02.2021).

[4] Анцупов О.И., Ищук П.Л., Косяк И.В. Гиперзвуковые летательные аппараты: реальна ли опасность. Воздушно-космическая сфера, 2016, № 2, с. 96--105.

[5] Военная четырехступенчатая ракета-носитель легкого класса Minotaur IV (Peacekeeper SLV, OSP-2 PK, Минотавр-4). vpk.name: веб-сайт. URL: https://vpk.name/library/f/minotaur-iv.html (дата обращения: 15.02.2021).

[6] X-51A Waverider. af.mil: веб-сайт. URL: https://www.af.mil/About-Us/Fact-Sheets/Display/Article/104467/x-51a-waverider (дата обращения: 15.02.2021).

[7] Мозговой А. С гиперзвуком наперевес. Национальная оборона, 2020, № 11.URL: https://oborona.ru/includes/periodics/armament/2013/0523/122910743/detail.shtml (дата обращения: 15.02.2021).

[8] Кондратюк Е.Л. Исследования, проводимые в США в области создания гиперзвуковых летательных аппаратов. Двигатель, 2013, № 1, с. 8--11.

[9] Бузулук В.И., Лазарев В.В., Плохих В.П. Концепция летающей лаборатории-демонстратора гиперзвуковых технологий. В: Проблемы создания перспективной авиационно-космической техники. М., ФИЗМАТЛИТ, 2005, с. 519--537.

[10] Sziroczak D., Smith H. A review of design issues specific to hypersonic flight vehicle. Prog. Aerosp. Sc., 2016, vol. 84, рр. 1--28. DOI: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2016.04.001

[11] "Холод" --- гиперзвуковая летающая лаборатория. testpilot.ru: веб-сайт. URL: http://testpilot.ru/russia/tsiam/holod (дата обращения: 15.02.2021).

[12] Vachon M.J., Grindle T.J., St. John C.W., et al. X-43A fluid and environmental systems: ground and flight operation and lessons learned. URL: https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20050182779 (дата обращения: 15.02.2021).

[13] Moses P.L. X-43C flight demonstrator project overview. URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20040042495/downloads/20040042495.pdf (дата обращения: 15.02.2021).

[14] The Hyper-X program. 14th Ann. Therm. Fluids Anal. Workshop, 2003.URL: https://tfaws.nasa.gov/TFAWS03/lunch_speakers/hyper-x_tfaws03_lunch _speaker.pdf (дата обращения: 15.02.2021).

[15] Report of findings X-43A mishap. nasa.gov: веб-сайт.URL: https://www.nasa.gov/pdf/47414main_x43A_mishap.pdf (дата обращения: 15.02.2021).

[16] Баула Г.Г., Краснокутская А.Н., Пластинин Ю.А. и др. Анализ характеристик гиперзвукового аппарата при тестовых его испытаниях. Космонавтика и ракето-строение, 2014, № 6, с. 42--48.

[17] Чжан В., Сян Ш., Го Ч. и др. Система для тепловой защиты и уменьшения лобового сопротивления сверхвысокоскоростного летательного аппарата. Патент РФ 2671064. Заявл. 06.02.2016, опубл. 29.10.2018.

[18] Носачев Л.В. Устройство активной теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления гиперзвукового БПЛА. Патент РФ 2558525. Заявл. 31.07.2014, опубл. 10.08.2015.

[19] Голованов А.Н., Рулёва Е.В., Зима В.П. Способ охлаждения головной части летательного аппарата. Патент РФ 2463209. Заявл. 17.05.2011, опубл. 10.10.2012.

[20] Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. На пути к созданию модели виртуального ГЛА. М., ИПМех РАН, 2013.

[21] Гунько Ю.П., Мажуль И.И. Анализ возможностей улучшения характеристик разгона высокоскоростного воздушно-реактивного летательного аппарата. Теплофизика и аэромеханика, 2008, т. 15, № 3, с. 453--469.

[22] Коробков А.А. Методическое обеспечение расчета характеристик тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов. Труды МАИ, 2011, № 45. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=25417

[23] Зарубин В.С., Леонов В.В., Зарубин В.С. мл. Температурное состояние анизотропного шарового слоя при конвективном теплообмене с окружающей средой. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2019, № 4, с. 40--55. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2019-4-40-55

[24] Домбровский Л.А., Кокурин Л.А., Полежаев Ю.В. Способ неразрушающейся тепловой защиты передней кромки летательного аппарата от воздействия интенсивного теплового потока и передняя кромка летательного аппарата с неразрушающейся тепловой защитой. Патент РФ 2149808. Заявл. 08.06.1999, опубл. 27.05.2000.

[25] Шестаков А.А., Горяев А.Н., Смирнов А.С. и др. Передняя кромка летательного аппарата в условиях ее аэродинамического нагрева. Патент РФ 2613190. Заявл. 04.12.2015, опубл. 15.03.2017.

[26] Керножицкий В.А., Колычев А.В. Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева. Патент РФ 2572009. Заявл. 05.11.2014, опубл. 27.12.2015.

[27] Керножицкий В.А., Колычев А.В., Охочинский Д.М. Термоэмиссионный способ тепловой защиты частей летательных аппаратов при их аэродинамическом нагреве. Патент РФ 2404087. Заявл. 03.11.2009, опубл. 20.11.2010.

[28] Колычев А.В. Активная термоэмиссионная тепловая защита элементов конструкции гиперзвукового летательного аппарата при их аэродинамическом нагреве и границы ее применимости. Труды МАИ, 2013, № 68. URL: http://www.trudymai.ru/published.php?ID=41732

[29] Кащеев И.Д., Земляной К.Г., Дзержинский Р.В. и др. Исследование термостойкости огнеупоров для импульсных высокотемпературных установок. Новые огнеупоры, 2016, № 7, с. 43--47.

[30] Сорокин О.Ю., Гращенков Д.В., Солнцев С.Ст. и др. Керамические композиционные материалы с высокой окислительной стойкостью для перспективных летательных аппаратов (обзор). Труды ВИАМ, 2014, № 6. URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=675

[31] Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. М., ФИЗМАТЛИТ, 2007.

[32] Товстоног В.А., Томак В.И., Ягодников Д.А. и др. О некоторых особенностях температурных режимов при тепловых испытаниях высокотемпературных керамических материалов в высокоскоростных газовых потоках. Высокотемпературные керамические композиционные материалы и защитные покрытия. Материалы IV Всерос. науч.-техн. конф. М., ВИАМ, 2020, с. 113--125.

[33] Прямилова Е.Н., Пойлов В.З., Лямин Ю.Б. Термохимическая стойкость керамики на основе боридов циркония и гафния. Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология, 2014, № 4, с. 55--67.

[34] Севастьянов В.Г., Симоненко Е.П., Гордеев А.Н. и др. Получение сверхвысокотемпературных композиционных материалов HfB₂--SiC и исследование их поведения под воздействием потока диссоциированного воздуха. Журнал неорганической химии, 2013, т. 58, № 11, с. 1419--1426.

[35] Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М., Атомиздат, 1975.