Диссертация (Высокоточные методы экспериментального и математического моделирования процессов теплообмена в слоях высокопористых теплозащитных покрытий летательных аппаратов), страница 2

Доказана достоверность и обоснованностьрезультатовдиссертационнойработы.Краткоохарактеризованыметодытеоретического и экспериментального исследования, а так же доказана научнаяценность и значимость работы.В первой главе диссертационной работы рассмотрены некоторые вопросыпроектированиятеплозащитныхпокрытийЛАивопросывыбораконструкционных материалов. Приведен краткий анализ влияния методическихпогрешности термопарных измерений на достоверное определение температуры вобразцах исследуемых теплозащитных материалов во время проведения тепловыхисследований.Во второй главе рассмотрена постановка физической задачи исследования.Выбран определенный класс теплозащитных материалов для проведениятеоретическогоиэкспериментальногоисследования–высокопористыетеплозащитные материалы на неметаллической основе.

Доказано, что длякомплексногоисследованиятеплозащитныхматериалов,теплофизическихособенноплохосвойствизученных,высокопористыхцелесообразноразработать методологию прогнозирования свойств таких материалов с учетомрезультатовэкспериментальныхисследований.Данные,полученныепорезультатам совместного математического и экспериментального исследования,могут использоваться, как и при последующем решении соответствующихобратных задач, так и для определения ТФХ подобных материалов безпроведения экспериментальных исследований.В третьей главе рассмотрен метод математического моделированиякомбинированного теплообмена в образце исследуемого материала. Разработанаматематическаяисследуемогомодельобразцарасчетаматериала,радиационно-кондуктивногореализованнаянапрогревапрограммномязыкеMATLAB.

Проведена проверка численного алгоритма на некоторых точныханалитических решениях. Представлен вариант решения уравнения переноса10излучения на кинетическом уровне в рамках трехшагового метода расщепления«по физическим процессам». Для описанного метода также написана программав рабочей среде MATLAB.Вчетвертойисследованияглавеобразцовпредставленывысокопористогорезультатыэкспериментальноговолокнистогокомпозиционногоматериала ТЗМК-10, подвергаемого нестационарному нагреву.В пятой главе проведен сравнительный анализ результатов численного иэкспериментального исследования образцов материала ТЗМК-10.

Выявленыосновные механизмы, влияющие на величину методической погрешностиВ заключении обобщены результаты диссертационного исследования ипредставлены выводы по работе.11Глава 1. Проблема точности при идентификации и исследовании физическихсвойств теплозащитных материалов и покрытий. Аналитический обзор1.1. Системы тепловой защиты космических летательных аппаратов.Вопросы проектирования и материалыС интенсивным развитием ракетно-космической отрасли все острее встаетпроблема защиты конструкций летательных аппаратов от нагрева во время полетав атмосфере со скоростями, значительно превышающими скорость звука.Современные космические аппараты при возвращение на поверхность планеты вовремя полета в верхних слоях атмосферы могут достигать скоростей в 25÷30 разпревышающие скорость звука, а температура газа за фронтом ударной волныможет достигать значений в десятки тысяч градусов.

Как следствие, конструкцияаппарата подвергается не только мощному конвективному нагреву, но ивоздействию излучения. В таких условиях, традиционно используемые в техникежаропрочные материалы не применимы. Проблема защиты космическихлетательных аппаратов остается одной из наиболее значимых в программахосвоения космоса. Для разработки надежной тепловой защиты нужно знать иучитывать природу всех нагрузок, действующих на космический аппарат во времяполета, в том числе механических, тепловых и газодинамических.

В настоящеевремя система тепловой защиты – многопараметрическая система, выполняющаякомплекс разных функций [1,2].Основными задачами тепловой защиты, используемой на космическихлетательных аппаратах, является не только защита конструкций, систем иагрегатов оборудования от перегрева на этапах выведения или спуска, но иобеспечение необходимого теплового режима в процессе функционирования,особенно у пилотируемых аппаратов.

Кроме того, материалы, используемые длятепловой защиты космических аппаратов, должны обладать не только хорошимитеплоизоляционными и теплозащитными свойствами, но и быть такжемаксимально легкими и технологичными. В связи с этим в настоящее время12ведутся активные разработки перспективных теплозащитных материалов,обладающими необходимыми прочностными и массовыми характеристиками.И все же одной из ключевых задач при создании, внедрении ииспользовании новых теплозащитных материалов и изделий остается определениетеплофизическиххарактеристик(ТФХ)такихматериалов.ЗнаниеТФХиспользуемых теплотехнических материалов во всем диапазоне изменениязначений температуры позволяет решать задачи оптимального проектированиятеплозащитных и теплоизоляционных конструкций (особенно многослойных),создает«реперные»точкидляпоследующейнастройкирасширенныхматематических моделей, позволяющих исследовать широкий спектр физическихсвойств.Во многом необходимости в определении ТФХ вызваны большойноменклатурой теплоизоляционных материалов.

Это приводит к тому, что длямногих материалов, особенно новых и перспективных, значения ТФХ не известныс требуемой точностью. Часто они отличаются у различных разработчиков ипроизводителей, что приводит к определенным затруднениям в процессевнедрения перспективных материалов и изделий, увеличению стоимости и сроковсоздания изделий. С учетом вышеизложенного, можно сделать вывод, что внастоящее время остается актуальной задача достаточно точного определенияТФХ огнеупорных и теплоизоляционным материалов и изделий на их основе вшироком диапазоне изменения значений температуры с использованиемсовременных и наиболее эффективных методов и технических средств.Широко применяемыми и весьма перспективными для решения целого рядатеплотехнических задач являются высокоплотные композиционные материалы наоснове углеродной матрицы: углерод-углерод, углерод-керамика, углерод-стекло;высокопористые теплоизоляционные материалы на основе микронных волокон;высокотемпературная керамика и металлокерамика, углепластики, а такжеразличные теплозащитные и теплоизоляционные покрытия и изделия на основеэтих материалов [3-5].13Внастоящееперспективныхвремядлятеплозащитныхопределенияматериаловтеплофизическихактивносвойствсовершенствуетсяиэффективно используется экспериментально-расчетная методология, основаннаяна применении результатов теории обратных задач теплообмена [6-9].

Методы,основанные на решении обратных задач теплообмена, позволяют увеличитьинформационныйвыхододногоэксперимента, получатьзначениясразунескольких теплофизических характеристик и существенно сократить стоимостьисследования.идентификацииПриэтомтакжетеплофизическихповышаетсядостоверностьхарактеристик,и,икакточностьследствие,математического описания теплового состояния проектируемого теплозащитногопокрытия летательного аппарата. Но такой результат может быть получен тольков том случае, если для решения соответствующих обратных задач используютсядостаточноточныеэкспериментальныеданныеовременнойэволюциитемпературы в определенных точках исследуемого образца, данные, не имеющиесущественных систематических погрешностей.В ходе теплофизических экспериментов достаточно часто измерениятемпературы проводятся с помощью контактных датчиков - термопар.

Посколькупоказания термопар определяются их собственным тепловым состоянием, а нелокальным тепловым состоянием исследуемого образца, в средах с сильнойпространственной неоднородностью тепловых свойств интерпретация показанийтермопар может быть затруднена. Нестационарная постановка тепловогоэксперимента в значительной степени усугубляет эту проблему. При такомподходе разные компоненты неоднородного материала, да и сама термопара сразличной скоростью реагируют на внешнее тепловое воздействие, поэтому ихтемпературы могут значительно отличаться. Вместе с тем тепловые экспериментыименно в нестационарной постановке позволяют подключать для решенияпроблемы идентификации эффективный, достаточно хорошо развитый аппаратобратных задач теплообмена.На протяжении целого ряда лет сотрудниками тепловой лабораториикафедры 601 МАИ создавались и продолжают совершенствоваться комплексные14экспериментально-теоретических методы исследования свойств материалов.