Стр. 1 - Ю.Б. Дылько, П.В. Просунцов - Применение моделей комбинированного теплообмена для проектирования теплозащитных покрытий многоразовых космических аппаратов

50

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2012

УДК 536.2:536.33

Ю.Б. Дылько, П.В. Просунцов

ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ

КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА

ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ

ПОКРЫТИЙ МНОГОРАЗОВЫХ

КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Проведено сравнение моделей эффективной теплопроводности и

радиационно-кондуктивного теплообмена при проектировании

теплозащитных покрытий многоразовых космических аппаратов.

Показано, что использование модели эффективной теплопровод-

ности приводит к завышению значений температур в волокни-

стом материале по сравнению с моделью радиационно-кондуктив-

ного теплопереноса и, как следствие, к увеличению необходимой

толщины теплоизоляционного материала.

E-mail:

prosuntsov@tochka.ru

Ключевые слова:

многоразовые космические аппараты, теплозащит-

ные покрытия, волокнистые теплоизоляционные материалы, комбини-

рованный теплообмен, модель эффективной теплопроводности, мо-

дель радиационно-кондуктивного теплопереноса, оптимальное тепло-

вое проектирование.

В настоящее время создаются и совершенствуются многоразовые

космические аппараты (МКА), такие как Х-33, Venture Star, Х-37,

Х-43 [1]. Для аппаратов данного класса важной задачей является

обеспечение эффективной тепловой защиты силовой конструкции в

условиях интенсивного аэродинамического нагрева. В теплозащит-

ных покрытиях (ТЗП) современных МКА для блокирования переноса

теплоты от нагретой фронтальной поверхности используют высоко-

температурные теплоизоляционные материалы из волокон SiO

2

и

Al

2

O

3

[2]. Ввиду частичной прозрачности волокон и высокой пори-

стости материалов перенос теплоты происходит одновременно и вза-

имосвязанно несколькими механизмами: теплопроводностью по

твердому каркасу и газовой среде в порах, конвективным путем в

объеме материала и за счет энергии излучения [3].

Существует два основных подхода к математическому описанию

процесса теплопереноса в частично прозрачных волокнистых мате-

риалах.

Первый из них основан на понятии эффективной теплопроводно-

сти. В данном случае все механизмы переноса энергии в материале

суммарно описываются одним параметром — эффективной тепло-

проводностью. Основными преимуществами этого подхода являются

простота программной и алгоритмической реализации и возможность