Композиты просят огня

Обеспечение тепловых режимов для космических аппаратов и многоразовых транспортных систем – один из важнейших разделов проектирования, определяющий основные проектно-конструкторские решения.

В тепловой лаборатории НИО-601 МАИ сегодня работают над тестированием и проектированием перспективных материалов для защиты космических аппаратов от высоких температур при входе и спуске в атмосфере.

В 1964 году на кафедре 601 «Космические системы и ракетостроение» была образована научно-исследовательская группа «Тепловое проектирование ЛА», в которую вошли молодые инженеры – выпускники кафедры. За период работы с 1964 по 2020 год группой «Тепловое проектирование ЛА» было решено множество прикладных задач для ракетно-космической отрасли, в том числе:

• разработаны и спроектированы уникальные экспериментальные стенды и методики моделирования нестационарных газодинамических и тепловых режимов гиперзвуковых летательных аппаратов;
• выполнены работы по аэродинамическому, баллистическому и тепломеханическому проектированию спускаемых капсул типа «Жизнь» и «Высота» для безопасного возвращения из космоса радиоизотопных генераторов;
• созданы комплексы средств измерений для диагностики высокоэнтальпийных газовых потоков, включая одномерные и двумерные датчики конвективных тепловых потоков, в том числе охлаждаемые датчики;
• разработаны приближённо-аналитические и численные методы для решения обратных задач теплопереноса, для различных классов теплозащитных материалов, в том числе один из наиболее эффективных и универсальных методов решения некорректных обратных задач различных типов (не только задач теплообмена) – метод итерационной регуляризации;
• спроектированы, изготовлены и введены в эксплуатацию тепловакуумные стенды ТВС-1 и ТВС-2 для исследования характеристик различных типов теплозащитных материалов (в том числе разрушающихся) и конструкций на их основе;
• проведены исследования свойств теплозащитных материалов для перспективных космических летательных аппаратов: «Бор», «Энергия – Буран», «Марс-96», «Марс-грунт», BepiColombo (Евро- пейское космическое агентство).

В 2018 году в тепловой лаборатории под руководством академика РАН, доктора технических наук, профессора Олега Алифанова стартовали работы, финансируемые Российским научным фондом, по исследованию и прогнозированию свойств высокотемпературных композиционных материалов. Благодаря проведённым исследованиям были получены математические модели, позволяющие не только анализировать процессы теплопереноса в материалах с достаточной точностью, но и прогнозировать свойства материалов при изменении параметров их макро- и микроструктуры.

Решение этой задачи позволило объединить математические модели теплопереноса в теплозащитных материалах с алгоритмами оптимального проектирования конструкций. В качестве проектных параметров рассматриваются не только геометрические характеристики элемента конструкции, но и характеристики структуры материала (например, диаметр волокон, длина волокон, форма пор и т.д.). Такой подход позволяет создавать надёжные конструкции минимальной массы, ориентируясь на оптимальную структуру материала. Например, был разработан алгоритм оптимального проектирования теплозащитного экрана космического аппарата с учётом числа пор и их структуры в объёме материала.

Полученные результаты исследований будут использованы при разработке теплонагруженных конструкций с учетом расчётно-экспериментального уточнения используемых математических моделей для широкого класса теплозащитных материалов и вариантов теплового нагружения.