Отзыв оппонента1 (Тепло-массообмен на поверхности элементов конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов самолетных схем при полете в атмосфере)

отзыв официального оппонента, доктора технических наук, профессора., заведующего кафедрой «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ имени !-!.3. Баумана Резника Сергея Васильевича на диссертационную работу Пашкова Олега Анатольевича «'Гепло-массообмен на поверхности элементов конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов самолетных схем при полете в атмосфере»„представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности О!.04.!4 — «Теплофизика и теоретическая теплотехника» Актуальность темы диссертации. В последние годы в нашей стране и за рубежом активизировались работы„направленные на создание гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА). Такие работы начались более 50 лет назад и тормозились из-за больших трудностей в обеспечении заданного теплового режима конструкции. Вероятные причины нового повышенного интереса к ГЛА вызваны существенным прогрессом в деле теоретического и экспериментального исследования сложных теплофизических процессов, сопровождаюгцих полет ГЛА, а также новыми достижениями в области термомеханики и технологии производства высокотемпературных композиционных материалов.

Физическая природа аэродинамического нагрева Г.!!А при полете в атмосфере обусловлена их высокой скоростью. Вблизи аппарата гиперзвуковой поток вследствие вязкости газа тормозится, и его кинетическая энергия переходит в теплоту, Величина тепловой энергии столь высока, что температура поверхности аппарата превышает допустимый предел и при отсутствии специальной тепловой защиты теплонапряженные элементы конструкции подвергаются термохимическому и механическому разрушению, что недопустимо.

В связи с этим при проектировании ГХ!А с надежной тепловой защитой необходимо с высокой достоверностью знать параметры термо-газодинамики и тепло-массообмена, реализуемые в полете. С учетом недостаточной изученности этих параметров актуальность диссертационной работы Пашкова О.А. не вызывают сомнения, Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа включает 157 страниц основного текста и выводы, 65 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 72 наименований. Во ввег)епии дана характеристика актуальности выбранной темы, сформулированы цель и задачи рабогы, приведена информация о научной новизне и практическая значимости, достоверности и обоснованности результатов.

В первой гливе выполнен анализ основных закономерностей физико- химических процессов, происходящих у поверхности ГЛА в полете. Проведен критический обзор используемых в настоящее время методик исследования этих процессов. В результате анализа аэродинамических компоновок возвращаемых космических аппаратов и ГЛА сделан вывод о том, что самолетная схема имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими схемами. Рассмотрены особенности построения тепловой защиты многоразовых ГЛА самолетных схем и отмечено, что их тепловая защита должна быть многофункциональной.

Сложность проектирования тепловой гащиты привела автора к заключению о необходимости использования методов вычислительной математики для определения параметров термо-газодинамики и тепломассообмена на поверхности ГЛА. Во второй лаве представлена' математическая модель процессов термогазодинамики и тепло-массообмена на поверхности ГЛА, включающая систему уравнений Навье — Стокса, дополнительные уравнения переноса компонент газовой смеси, излучения и химической кинетики.

В рамках этой модели используются только геометрические характеристики ЛА, параметры набегаюн1его потока, а также возможные вариаций траектории полета. Третья алии посвящена выбору инструментов для численных моделирования. В пей представлены результаты исследования влияния структуры расчетной сетки на получаемые результаты. На примере решения тестовой задачи показано влияние сеточного разрешения (количество расчетных ячеек на поверхности анализируемого элемента конструкции планера) на получаемые результаты.

Обоснован выбор расчетной сетки определенной размерности. В четвертой лаве сообщается о верификация математической модели, представленной в главе 2. Автор использовал традиционный подход, сопоставляя результаты численного решения тестовых задач с данными других авторов. В итоге было установлено, что представленная в главе 2 математическая модель пригодна для определения плотностей тепловых потоков и температурных полей на поверхности теплонапряженных элементов конструкции, а также для выявления характерных и аномальных зон гиперзвукового течения. Тем не менее, был сделан вывод о целесообразности модификации модели. Следует отметить непривычность такого подхода„так как обычно творческий процесс разработки конкретных предметно-ориентированных математических моделей заканчивается до написания диссертации.

В диссертации приводят математическую модель или модели, совершенство которой!которых не подвергается сомнению„ напротив„она!они обладают преимуществами по сравнению с другими известными моделями. В илий:лаве излагается модифицированная математическая модель, которая является результатом доработки модели ~лавы 2. Модифицированная модель дополнена шестью реакциями ионизации, введена дополнительная полуэмпирическая модель турбулентности, основанная на осреднении по Рейнольдсу. Кроме того, с учетом влияния турбулентности модифицировано соотношение для вычисления диффузионных потоков всех ~'-ых компонент, основанное на законе Фика.

Проведено обоснованное уточнение теплофизических свойств ряда компонент высокотемпературной химически активной газовой среды. Й!если~я,же посвящена автором верификации модифицированной модели главы 5. Однако лишь один параграф 6.1 явно можно отнести к процедуре верификации. Остальные 4 параграфа (6.2-6.51, по-существу, содержат весьма интересные и полезные результаты прикладных расчетно- теоретических исследований в области термогазодинамики затупленных тел и моделей ГЛА и сравнение этих результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов.

Объектами исследований служили: сфера, модель марсианского зонда, модель спускаемого аппарата сегментально-конической формы, затупленный по сфере цилиндр„ малоразмерный крылатый возвращаемый аппарат ЦАГИ. Все это указывает, что главу 6 можно было назвать иначе, например, «Прикладные исследования в области гиперзвуковой термо-газодинамики». В целом после знакомства с содержанием глав возникло ощущение, что без потери качества работы автор мог объединиты лавы 2 и 5 в одну главу 2, главы 3, 4 и параграф 6.1 в одну главу 3.

При этом глава 6 стала бы главой 4. Цель диссертации заключалась в разработке полной математической модели процессов термогазодинамики и тепло-массообмена при полете ГЛА на высотах, удовлетворяющих модели сплошной среды. Хотя в такой формулировке речь идет лишь о создании нового инструмента сложных теплофизических исследования, но на самом деле автором решается проблема повышения точности и глубины этих исследований, которые не менее важны. Достоверность. В диссертации использована комплексная методология, которая сочетает математическое моделирование с последующим сопоставлением резульгатов с данными летных испытаний натурных объектов, а также тестовых испытаний моделей на газодинамических стендах. Математическое моделирование базируется на построении связанной системы дифференциальных уравнений, включающей уравнения Навье-Стокса, энергии, диффузии, переноса изучения и уравнений неравновесной химической кинетики компонентов для случаев как ламинарного, так и турбулентного химически активного пограничного слоя.

В этой связи достоверность представленных в работе результатов подтверждаются тем, что при математическом моделировании автором использованы фундаментальные положения механики сплошной среды, термодинамики, теории тепло-и массообмена с учетом физико-химических процессов, протекающих в многокомпонентном пограничном слое. Для получения конкретно-числовых результатов по предложенным математическим моделям использованы численные методы решения. Тестовые проверки полученных в работе результатов показали их удовлетворительное соответствие с экспериментальными и расчетными данными других авторов, опубликованными в открытой печати.

Новизна полученных в работе резулыатов состоит в следующем: разработана многопараметрическая мачематическая модель, описывающая процессы термо-газодинамики и тепло-массообмена на поверхностях теплонапряженных элементов конструкции ГЛА; - математическая модель включает совокупность относительно простых математических моделей процессов термо-газодинамики, тепломассообмена, переноса излучения и химической кинетики, однако позволяет при этом достоверно и с минимальными временным и затратами рассчитывать теплообмен на поверхности ГЛА.

Практическая значимость результатов работы проявляется: в практическом использовании предложенного метода математического моделирования ламинарных и турбулентных химически активных пограничных слоев, реализуемых на гюверхности ГЛА, в целях повышения достоверности и эффективности экспериментальных исследований; в разработке эффективного метода прогнозирования газодинамики высокоскоростных течений и теплообмена па поверхностях элементов конструкции ГЛА при различных режимах полета; в сокращении обьемов научно-исследовательских и опытно- конструкторских работ при проектировании, производстве и эксплуатации изделий высокоскоростной авиации и ракетно-космической техники нового поколения; в прогнозировании методов и средств тепловой защиты высокоскоростных ЛА. Таким образом, научная и практическая значимость квалификационной работы выражается: - в создании научно обоснованной математической модели, средств ее численного решения и программного обеспечения, позволяющих на этапе проектирования изделий получать достоверные параметры процессов термогазодинамики и тепло-массообмена на поверхности ГЛА.