Полеты в космос, как известно, дело непростое. Очень сложен запуск космического аппарата, но еще большие трудности возникают при его вхождении в атмосферу. Из-за трения температура достигает нескольких тысяч градусов. Даже самый стойкий и тугоплавкий сплав не выдерживает таких нагрузок. Поэтому для тепловой защиты летательных аппаратов ученые создают новые композиционные материалы. О преимуществах таких композитов и о своей работе в этом направлении рассказала заместитель заведующего кафедрой “Проектирование автоматических космических комплексов” Московского авиационного института доктор физико-математических наук Екатерина КУЗНЕЦОВА.
— Я математически моделирую, как работает тепловая защита у скоростных летательных аппаратов в условиях сильного аэрогазодинамического нагрева в атмосфере Земли и других планет, — вводит в курс дела Е.Кузнецова. — При гиперзвуковых скоростях (несколько километров в секунду) возникают высокие температуры и тепловые потоки, направленные к стенкам летательных аппаратов. При этом элементы конструкций нагреваются до 2-3 тысяч градусов. Такие условия, если они действуют в течение 20 минут, не выдержит никакой тугоплавкий материал. Поэтому необходимо защитить летательный аппарат материалами, способными поглотить большую часть аэродинамического тепла и справиться с подобными нагрузками. На эту роль подходят композиты, созданные из тонковолокнистых наполнителей, пропитанных различными смолами.
По сравнению с другими теплозащитными материалами, композиционные имеют целый ряд преимуществ. Их применение в авиации и ракетно-космической технике в качестве конструкционных и теплозащитных материалов обусловлено уникальными свойствами, вытекающими из технологии изготовления. Матрица из тонковолокнистых наполнителей, содержащих стеклянные, углеродные, асбестовые и другие волокна, пропитывается связующими (специальными органическими смолами). В результате получаются различные пластики из стекла, углерода, асбеста. При использовании таких материалов в качестве теплозащитных поглощаются тепловые потоки от высокотемпературных газодинамических пограничных слоев. Происходит это в силу нескольких факторов.
При температурах около 300 градусов композит отводит тепло в глубь материала за счет высокой теплопроводности и правильно подобранной объемной теплоемкости. Когда температура превышает 300 градусов, начинается разложение (пиролиз) органических смол. Эта химическая реакция потребляет большое количество внешнего тепла. Она заканчивается при температурах 600-800 градусов. При этом образуются так называемые пиролизные газы, которые вдуваются в высокотемпературный пограничный слой, оттесняя его от наружной границы. Наконец, при достижении 2-3 тысяч градусов остатки композиционного материала начинают плавиться, возгоняться, испаряться. Эти процессы также сопровождаются поглощением большого количества тепла. Полностью разрушаясь, композиционный материал успевает еще немного защитить летательный аппарат от перегрева. Состав композита специально подбирается так, чтобы за счет различных физико-химических реакций обеспечить либо отвод, либо поглощение большого количества тепловой энергии.
Итак, когда космический аппарат входит на скорости несколько километров в секунду в атмосферу Земли или другой планеты, он подвергается кратковременному высокотемпературному нагреву. Такой нагрев не может выдержать ни один тугоплавкий металл. Композитный материал также разрушается при высоких температурах. Но разрушаясь и испаряясь, он выполняет свою основную задачу — защищает аппарат от перегрева. Это позволяет летательному аппарату, несмотря на его высокую скорость, успешно выдержать полет сквозь плотные слои атмосферы.
Моделирование процессов тепло- и массопереноса в композиционных материалах представляет собой сложную комплексную проблему, которая в полной мере не решена до сих пор и которой уделяют значительное внимание теплофизики, аэродинамики, материаловеды, математики.
— В чем конкретно состоит ваша задача?
— Математически смоделировать тепловые потоки от газодинамического течения, рассчитать температурные поля в тепловой защите и конструкционных материалах, а также возможный унос массы с учетом разложения связующих композита. Математическое моделирование всех тепловых и физико-химических процессов, протекающих в теплозащитных композиционных материалах, — это довольно сложная, но актуальная проблема. Можно добавить, что в последнее время появились композиционные материалы на основе графитовых, базальтовых и других нановолокон.
— Что нужно просчитать при моделировании?
— Чтобы обеспечить максимальную тепловую защиту летательного аппарата, необходимо комплексно смоделировать следующие процессы: разложение связующих, сопровождающееся образованием пиролизных газов и пористого остатка; фильтрация пиролизных газов через пористый остаток и учет этой фильтрации в теплопереносе; тепломассоперенос в области разложения связующего; вдув пиролизных газов в газодинамический пограничный слой и уменьшение за счет этого тепловых потоков к наружной границе летательного аппарата; унос массы и его влияние на нестационарное температурное поле.
Наиболее сложная проблема — это моделирование разложения связующих композиционного материала, потому что в зоне пиролиза образуются различные фазы вещества: газы, пористый остаток, коксовый остаток, вкрапленный в пористый остаток, частично разложившееся связующее. И все это происходит в тонкой зоне, толщина которой зависит от перепада температур.
Моделирование процесса разложения связующих композиционных материалов с обходом химической кинетики и в то же время с соблюдением достоверности является перспективным направлением, что и будет реализовано в моей работе.
Нужно также учитывать различные явления, которые приводят к существенной нелинейности и нестационарности математических моделей при высоких температурах. Приходится учитывать излучение, зависимость теплофизических характеристик материалов от температуры, анизотропию и многомерность распространения тепла, другие факторы.
Математическое моделирование тепломассопереноса в композиционных материалах при высокоинтенсивном нагреве является актуальной проблемой на протяжении последних четырех десятилетий.
— Чем ваша работа отличается от других?
— До последнего времени моделирование тепломассопереноса проводилось для отдельных композиционных материалов с конкретными наполнителями и связующими. Математическая модель, которую я разрабатываю, будет пригодна для большинства теплозащитных композиционных материалов, так как использует схему теплового разрушения композита. Кроме этого, трудно формализуемая химическая кинетика разложения связующих моделируется с помощью новых разработанных нашим коллективом и мной, в частности, законов разложения связующих и нелинейной фильтрации.
Мы вывели универсальный закон разложения связующих композиционных материалов, который может быть пригодным не для отдельного композита, а для большинства теплозащитных материалов. Этот закон основан на известных экспериментальных данных о температурах и плотностях начала и окончания разложения связующих.
Также мы разработали новый закон нелинейной фильтрации пиролизных газов через пористый остаток. На основе всего этого создаем комплексную математическую модель тепло- и массопереноса в композиционных материалах при аэрогазодинамическом нагреве, пригодную для большинства теплозащитных конструкций. Так как эта модель в основном нелинейная, то для решения всех частных проблем будут использованы как традиционные численные методы, так и те, что мы сами сформулировали.
Комплексная физико-математическая модель будет пригодна для большинства теплозащитных композиционных материалов, и ее можно рекомендовать для использования в научно-исследовательских институтах и опытно-конструкторских бюро, занимающихся проектированием летательных аппаратов.
Также хочу отметить, что проект непосредственно касается создания ракетно-космической техники и поэтому многие предприятия данной направленности должны быть заинтересованы в результатах этой работы.
— Расскажите о вашей научной команде.
— У нас большой и дружный коллектив, в составе которого в основном доктора и кандидаты наук. Есть старшие преподаватели и, конечно, аспиранты и студенты. Многие из нас, как и я, попадают в команду еще студентами и потом продолжают научную деятельность, защищая кандидатские и докторские диссертации.
Все мы входим в профессорско-преподавательский состав института и читаем лекции студентам разных курсов и факультетов. Каждая отдельная группа людей у нас, как правило, занимается своими задачами, но все в целом они связаны общей тематикой. Мы активно участвуем в научной работе вуза. Публикуем большое количество статей с нашими результатами в высокорейтинговых научных журналах, в том числе зарубежных. Издаем различные учебники, учебные пособия и монографии. Участвуем во всероссийских международных конференциях как в России, так и за рубежом, сами выступаем организаторами таких мероприятий.
В прошлом году у нас два человека защитили кандидатские диссертации и один докторскую. Наши сотрудники являются победителями различных научных конкурсов, которые проводит государство. Также мы работаем по заключенным соглашениям в рамках Федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России”. Многие из нас имеют гранты РФФИ. На фотографии, которую вы видите, я с коллегами — молодыми кандидатами на вручении дипломов гранта Президента РФ для молодых ученых.
Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации предоставлены Е.Кузнецовой
Нет комментариев