Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0099

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0099
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка элементов конструкций и лабораторных технологий их изготовления для создания эффективной тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем.
Докладчик
Резник Сергей Васильевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель работы: Обеспечение работоспособности неохлаждаемых теплонапряженных элементов конструкций ракетно-космической техники из керамических и углерод-керамических композиционных материалов с помощью организации эффективной многоуровневой защиты их поверхности.
Основные задачи исследования:
1. Обоснование возможности создания и эффективности применения градиентных пористых углерод-керамических материалов для создания тепловой защиты элементов конструкций ракетно-космической техники.
2. Выбор оптимального распределения пористости по толщине слоя углерод-керамического материала, обеспечивающего эффективную защиту поверхности аппарата, низкий уровень термических напряжений при минимальном весе.
3. Отработка технологического процесса изготовления пористого углерод-керамического материала.
4. Изготовление экспериментальных образцов пористых углерод-керамических материалов материалов и элементов конструкций из них.
5. Разработка программ и методик испытаний образцов материалов и элементов конструкций в условиях конвективного нагрева на высокотемпературных газодинамических стендах.
6. Проведение испытаний образцов материалов и элементов конструкций в условиях конвективного нагрева на высокотемпературных газодинамических стендах.
7. Обработка результатов испытаний и подтверждение прогнозов характеристик материалов.
Актуальность и новизна исследования
Для перспективных аэрокосмических летательных аппаратов (ЛА) актуально создание теплозащитных покрытий (ТЗП), стойких к действию знакопеременных силовых нагрузок, высокоскоростных, химически активных высокотемпературных потоков газа и эрозионных частиц. В этом плане интерес представляют углерод-керамические композиционные материалы (УККМ), которые обладают невысокой плотностью, приемлемыми прочностными и жесткостными характеристиками, малым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), способные работать при температурах превышающих 2000 К, при высоких темпах нагрева.
Для управления качеством конструкций из УККМ необходимо анализировать технологические особенности их производства, прогнозировать закономерности формирования матричного материала в поровом пространстве углерод-углеродных заготовок. Для прогнозирования теплофизических и термомеханических характеристик УККМ необходимо проводить параметрическое моделирование внутренней микроструктуры, оценивать влияние пористости и ее распределение по толщине материала.
Объектом прикладных исследований и разработок по проекту являются теплонагруженные неохлаждаемые элементы конструкций изделий ракетно-космической техники из углерод-керамических композиционных материалов с адаптированной схемой армирования и микроструктурой.
Описание исследования

В настоящей работе используется метод определения коэффициента теплопроводности монослоев УККМ на основе математического моделирования процесса теплопереноса в элементарной ячейке слоистого УККМ. В качестве элементарной ячейки УККМ рассматривается единичное углеродное волокно, окруженное комбинированной матрицей на основе карбида кремния и углеродной составляющей, к которой применяется принцип гомогенизации. Причем, элементарная ячейка строится для всех слоев градиентного УККМ, где происходит изменение объемной доли карбидокремниевой матрицей. Далее проводится моделирование процесса деформирования или теплопереноса в ячейке и определяются расчетные значения теплофизических и термомеханических характеристик УККМ. Полученные данные о характеристиках УККМ используются для проведения моделирования процесса прогрева и деформирования градиентного пористого материала. Инструментом для данного этапа исследований являются пакет конечно-элементного анализа Ansys 16. В итоге были  выявлены закономерности влияния типа УККМ на теплоизоляционные свойства и массовую эффективность экспериментальных образцов. Определено, что наименьшую массу и наибольшую теплоизоляционную способность обеспечивает УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 50 %, однако, данный материал обладает невысокими прочностными характеристиками, в сравнении с УККМ на основе тканого каркаса, который имеет наибольшую плотность. В связи с чем, для рационального и эффективного проектирования систем многоуровневой защиты неохлаждаемых теплонапряженных элементов конструкций ракетно-космической техники из УККМ необходимо осуществлять чередование слоев материала с разной плотностью для создания градиентных структур. По результатам расчетов выбран оптимальный вариант комбинации слоев УККМ с тканым и нетканым армирующим каркасом. Проведено моделирование  технологии получения термостойких УККМ с целью повышения их эксплуатационных характеристик за счет подбора оптимальной структуры и состава. Разработанный математико-алгоритмический аппарат для расчета технологических параметров процесса уплотнения позволяет отработать технологию так, чтобы возможно было получать УККМ с необходимой степенью структурной однородности. Отличительная особенность настоящей работы заключается в математическом моделировании на двух разномасштабных структурных уровнях – на макро и микро с учетом сложной внутренней иерархии порового пространства. На основе результатов математического моделирования и оптимизации технологии получения термостойких УККМ с целью повышения их эксплуатационных характеристик установлено, что при более высоких температурах (1080 К) скорость химической реакции значительно превышает скорость массопереноса. В результате монометилсилан не успевает проникнуть во внутренние области каркаса, практически полностью разлагаясь во внешних слоях. При понижении температуры скорости разложения ММС и его перенос становятся соразмерными. Определено, что при температуре 780 К процесс тепло- и массообмена протекает нестабильно в порах разного масштабного уровня и скорость осаждения различается более, чем в 12 раз в связи с чем для обеспечения равномерного уплотнения каркаса и уровня остаточной пористости в изготавливаемом пористом и градиентном УККМ необходимо процесс осаждения карбидокремниевой осуществлять при температуре 880 К. Длс разработки программы и методики испытаний в условиях конвективного нагрева на высокотемпературных газодинамических стендах проведено моделирование внешней аэродинамики экспериментальных образцов пористых и градиентных термостойких УККМ в условиях конвективного нагрева в высокочастотном индукционном плазмотроне  в трехмерной, нестационарной постановке. Выбраны основные режимные параметры эксперимента. Полученные данные о распределении энтальпии газового потока и коэффициента теплоотдачи по поверхности экспериментального образца пористого и градиентного термостойкого УККМ цилиндрической формы использовались как граничные условия для решения задачи абляции материала образца, которая решалась с использованием программного продукта MSC.Marc 2015. Следующим этапом, для выбранных параметров, производится расчет прогрева и возможной абляции экспериментальных образцов пористых и градиентных термостойких УККМ при испытаниях в условиях конвективного нагрева. В настоящее время проводятся экспериментальные исследования образцов пористых УККМ материалов и элементов конструкций из них.

 

Результаты исследования

В рамках выполнения работы на этапе 1 выполнен аналитический обзор научных и информационных источников, затрагивающих вопросы, связанные с технологией изготовления элементов конструкций эффективной тепловой защиты  аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем. Проведено параметрическое моделирование состава и структуры пористых и градиентных теплозащитных углерод-керамических композиционных материалов (УККМ) для теоретического обоснования возможности создания материалов с уровнем теплофизических и термомеханических свойств. Выполнено теоретическое обоснование возможности создания пористых и градиентных теплозащитных УККМ методом газофазного осаждения карбида кремния. 

В рамках выполнения работы на этапе 2 разработаны математические модели для прогнозирования теплофизических и термомеханических свойств пористых и градиентных термостойких УККМ, которые позволяют учитывать структурные особенности градиентного материала и анизотропию свойств и проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния образцов на основе пористых и градиентных УУКМ с различной комбинацией слоев, а также 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.

В рамках выполнения работы на этапе 3 разработана Программа и методики лабораторных исследований характеристик образцов пористых и градиентных термостойких УККМ.  В результате проведенных лабораторных исследований физико-механических и теплофизических характеристик пористых и градиентных термостойких УККМ установлено, что  они могут использоваться их для организации эффективной многоуровневой защиты поверхности неохлаждаемых теплонапряженных элементов конструкций . На основе выполненных исследовательских испытаний по отработке технологических схем получения экспериментальных образцов элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких УККМ обоснован процесс изготовления материала. Представленные технологические схемы позволяют изготавливать экспериментальные образцы элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких УККМ с необходимой рациональной структурой, технологическими параметрами подтвержденными экспериментальными исследованиями и математическим моделированием.

В рамках выполнения работы на этапе 4 разработан лабораторный технологический регламент получения экспериментальных образцов элементов конструкций РКТ на основе пористых и градиентных термостойких УККМ, который позволяет изготавливать 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. Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов и элементов конструкций из пористых и градиентных термостойких УККМ в условиях конвективного нагрева на высокотемпературных газодинамических стендах. Методами математического моделирования обоснованы параметры испытаний в условиях конвективного нагрева экспериментальных образцов и элементов конструкий из пористых и градиентных термостойких УККМ. 

Практическая значимость исследования
Результаты ПНИ будут востребованы для проведения опытно-конструкторских работ в области проектирования и создания теплонагруженных элементов конструкций из углерод-керамических композиционных материалов с требуемым уровнем теплофизических и термомеханических характеристик существующих и перспективных объектов ракетно-космической техники в обеспечение надежности, требуемой работоспособности в условиях воздействия силовых нагрузок и нестационарных тепловых потоков.