Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка элементов конструкций и лабораторных технологий их изготовления для создания эффективной тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем.

Номер контракта: 14.577.21.0099

Руководитель: Резник Сергей Васильевич

Должность: заведующий кафедрой, профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
гиперзвуковые летательные аппараты, тепловая защита, углерод-керамические материалы, моделирование структуры и свойств композиционных материалов, моделирование процессов комбинированного теплообмена, тепловые испытания.

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на решение задачи по разработке методов получения пористых и градиентных керамических композиционных материалов. Цель проекта заключается в обеспечении работоспособности неохлаждаемых теплонапряженных элементов конструкций ракетно-космической техники из керамических и углерод-керамических композиционных материалов с помощью организации эффективной многоуровневой защиты их поверхности.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами ПНИ станут:
– Анализ научно-технической литературы и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме, и обоснованные направления исследований, методов и средств создания термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов.
– Результаты патентных исследований по технологиям изготовления термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов.
– Математическая модель для прогноза теплофизических и термомеханических свойств высокопористых и градиентных термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов и покрытий.
– Прототип системы компьютерного моделирования теплофизических и термомеханических свойств высокотемпературных композиционных материалов и покрытий.
– Результаты математического моделирования температурного и напряженно-деформированного состояния элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов.
– Лабораторный технологический регламент получения экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов и покрытий.
– Экспериментальные образцы и типовые элементы конструкций РКТ на основе теплозащитных пористых и градиентных керамических и углерод-керамических композиционных материалов и покрытий.
– Программы и методики проведения лабораторных и стендовых испытаний экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ.
– Экспериментально подтвержденные результаты прогнозирования теплофизических и термомеханических свойств и математического моделирования прогрева и деформирования элементов конструкций РКТ из теплозащитных пористых и градиентных керамических и углерод-керамических композиционных материалов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Создание новых УККМ является сложной и дорогостоящей научно-технической задачей решение которой должно базироваться на результатах большого комплекса теоретических исследований и быть подтверждено тепловыми испытаниями образцов материалов и элементов конструкций. В рамках ПНИ необходимо решить целый ряд новых теоретических задач, в частности должна быть: – создана математическая модель для прогноза теплофизических и термомеханических свойств УККМ; – проведено математическое моделирование процесса прогрева и деформации элемента конструкции из УККМ; – выполнено моделирование и оптимизация технологии получения разрабатываемых УККМ с целью разработки методов повышения их эксплуатационных характеристик за счет подбора оптимальной
структуры и состава.
На основании теоретических исследований необходимо разработать лабораторный технологический регламент получения экспериментальных образцов и элементов конструкций. Для проверки работоспособности созданных УККМ, верификации математических моделей теплопереноса, определения характеристик теплопереноса должны проводиться наземные тепловые испытания с использованием различных лабораторных установок и стендов радиационного нагрева и газодинамических стендов. На данном этапе необходимо обосновать условия проведения тепловых испытаний, выбрать методы, средства и построить планы температурных измерений, а также разработать методики обработки полученных экспериментальных данных.

Новизна заключается в том, что: будут разработаны математические модели для исследования температурного и напряженно- деформированного состояния пористых и градиентных термостойких УККМ, позволяющие прогнозировать теплофизические и термомеханические характеристики материалов в условиях импульсного и периодического нагрева; – будет проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких УККМ; – будут разработаны новые методики тепловых испытаний элементов конструкций ГЛА из УККМ с использованием широкого спектра экспериментального оборудования (стенды радиационного нагрева и газодинамических испытаний); – для верификации прогнозирования теплофизических и термомеханических характеристик материалов будут созданы методы обработки экспериментальных данных, получаемых при тепловых испытаниях образцов УККМ, позволяющие определять характеристики теплопереноса на основе аппарата нелинейных многомерных обратных задач.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты при реализации проекта обеспечат создание теоретического фундамента для создания нового поколения термостойких УККМ, не уступающих зарубежным аналогам. Будет отработана лабораторная методика получения экспериментальных образцов и элементов кон-струкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких керамических и углерод-керамических композиционных материалов и методики проведения лабораторных и стендовых ис-пытаний экспериментальных образцов и элементов конструкций. Данные о характеристиках новых термостойких УККМ могут быть использованы разработчиками перспективных образцов новой техники.
Для обеспечения работоспособности и требуемой надежности отечественных космических ап-паратов, пилотируемых летательных аппаратов и спускаемых модулей необходимы и актуальны ра-боты направленные на рациональное проектирование и изготовление теплонагруженных элементов конструкций из УККМ. Зачастую, в настоящее время данные задачи решаются путем изготовления многочисленных модельных и натурных элементов конструкций, образцов, с последующими испы-таниями, что значительно увеличивает время выбора рационального конструктивного решения, КМ и его структуры, а также приводит к существенным финансовым затратам. Очевидно, что рацио-нальное и эффективное проектирование и изготовление теплонагруженных элементов из УККМ не-возможно без детального математического моделирования и прогнозирования теплофизических и термомеханических характеристик. При внедрении методик проектирования и изготовления тепло-нагруженных элементов объектов ракетно-космической техники из УККМ с заранее прогнозируемой микроструктурой и комплексом теплофизических, термомеханических характеристик ожидается уменьшение затрат на испытания, а соответственно и себестоимость выполнения работ будет ниже.

Текущие результаты проекта:
На основе проведенного структурного анализа пористых и градиентных термостойких УККМ получены данные по особенностям расположения углеродных волокон, распределения матрицы и пористой структуры по толщине материала.
Установлено, что: поверхность углеродного волокна в структуре материала имеет уровень шероховатости не более 12 нм, поэтому в математической модели волокно можно моделировать в виде цилиндра с гладкими поверхностями; пористый и градиентный термостойкий УККМ на основе нетканого армирующего каркаса имеет слоистую структуру с хаотичным расположением углеродных волокон в слое, слои связаны между собой посредством прессования, в связи с чем, поперечно расположенных углеродных волокон в слое не более 8 %. Данная структура материала позволяет применять теоретические подходы механики композитных сред для прогнозирования теплофизических и термомеханических свойств.
Разработаны математические модели для прогнозирования теплофизических и термомеханических свойств пористых и градиентных термостойких УККМ, которые позволяют учитывать структурные особенности градиентного материала и анизотропию свойств.
Проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния образцов на основе пористых и градиентных УУКМ с различной комбинацией слоев.
Проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных УУКМ и установлено, что:
1) цилиндрический элемент конструкции из градиентного УККМ обладает массой 1,88 кг, а конический элемент конструкции из УККМ − 0,76 кг;
2) для цилиндрического элемента конструкции из градиентного и термостойкого УККМ: при действии эксплуатационных нагрузок (температура на фронтальной поверхности) наибольший температурный градиент по высоте достигает 2080 К, что свидетельствует о хороших теплоизоляционных свойствах материала; максимальные нормальные напряжения около 19 МПа возникают на стыке слоев термостойкого плотного материала со слоями нетканого материала с остаточной пористостью 20 %, уровень напряжений на отрыв (перпендикулярно слоям) слоев не более 3,5 МПа. Уровень возникающих напряжений, более чем, в 4 раза ниже прочностных характеристик материала;
3) для конического элемента конструкции из градиентного и термостойкого УККМ: при действии эксплуатационных нагрузок (температура на фронтальной поверхности) наибольший температурный градиент по толщине у тыльной поверхности достигает 1400 К, что свидетельствует о хороших теплоизоляционных свойствах материала; максимальные нормальные напряжения около 22 МПа возникают на стыке слоев термостойкого плотного материала со слоями нетканого материала с остаточной пористостью 20 %, уровень напряжений на отрыв (перпендикулярно слоям) слоев не более 3,5 МПа. Уровень возникающих напряжений, более чем, в 4 раза ниже прочностных характеристик материала.
С учетом полученных результатов расчета и данных по массе установлено, что выбранный градиентный и термостойкий УККМ позволяет создавать эффективную тепловую защиту объектов ракетно-космической техники.
В качестве образцов элементов конструкций из пористых и градиентных термостойких УККМ рассматриваются элементы конструкций конической формы диаметром 100 мм и высотой 200 мм и элементы конструкций цилиндрической формы диаметром до 100 мм и высотой до 200 мм. На основе параметрических расчетов установлено, что элементы конструкций из УККМ должны обладать следующей комбинацией структуры: 1-ый и 2-ой слой толщиной 5 мм из УККМ на основе тканого каркаса без остаточной пористости; 3-ий и 4-ый слой толщиной 5 мм УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 20 %; 5-ый и 6-ой слой толщиной 5 мм УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 25 %; 7-ой и 8-ой слой толщиной 5 мм УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 40 %; 9-ый и 10-ый слой и последующие слои толщиной 5 мм УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 50 %.
Разработаны технологические схемы изготовления экспериментальных образцов элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких УККМ с необходимой рациональной структурой спрогнозированной на основе параметрических расчетов и программа и методика исследовательских испытаний.