Специалисты из Московского авиационного института разрабатывают цифровые модели дтепловой защиты летательных аппаратов при гиперзвуке.  

Во время преодоления сопротивления атмосферы при гиперзвуковом полёте внешняя оболочка гиперзвуковых летательных аппаратов нагревается. И поэтому важно создать защиту. Для этого в ракетно-космической технике используют композиционные материалы. Они умеют поглощать достаточно тепловой энергии при аэродинамическом нагреве через физико-химические превращения. 

Для того, чтобы спрогнозировать поведение композиционных материалов при такой эксплуатации, учёные из Московского авиационного института при поддержке Российского научного фонда разрабатывают комплексные механико-математические модели. Они помогут исследовать процессы деградации механических и теплофизических свойств композиционных материалов во время высокоинтенсивного аэрогазодинамического нагрева гиперзвуковых летательных аппаратов. 

Проект ведут специалисты двух институтов: институт № 8 «Информационные технологии и прикладная математика» и институт № 9 «Общеинженерной подготовки» МАИ. А руководитель научного коллектива - доктор физико-математических наук, профессор кафедры 806 «Вычислительная математика и программирование» Владимир Фёдорович Формалёв

«Проект посвящён разработке комплексных механико-математических моделей при напряжённо-деформированном состоянии композиционных материалов, как конструкционных, так и теплозащитных, в условиях совместного силового и теплового воздействия при аэродинамическом нагреве гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА), а также исследованию процессов деградации механических и теплофизических свойств композиционных материалов», — говорит Владимир Фёдорович.  

Владимир Фёдорович Формалёв 
Владимир Фёдорович Формалёв
 
Проект начался в 2016 году. Всего в нем приняли участие около 15 человек из числа докторов и кандидатов наук, а также аспирантов и студентов. Научный коллектив, который состоит из двух групп: представители первой занимаются созданием математических моделей задач тепломассоомена, численных методов и программных комплексов и решением обратных задач по идентификации различных свойств композиционных материалов, а специалисты второй группы исследуют механические свойства композиционных материалов и проводят эксперименты. 

«В настоящее время разрабатывается и внедряется в практику проектирования энергетического и транспортного машиностроения значительное количество конструкционных и теплозащитных композиционных материалов с различными наполнителями (кремниевые, углеродные, асбестовые, алюминиевые, титановые, базальтовые и др. волокна) с органическими и неорганическими связующими. Ключевыми вопросами при их разработке и эксплуатации являются проблемы надёжности в условиях высоких механических, газодинамических нагрузок, поскольку композиты подвержены значительным деструктивным изменениям, как в процессе знакопеременных циклических механических, так и в условиях высоких тепловых нагрузок, характерных при аэрогазодинамическом нагружении гиперзвуковых летательных аппаратов, поскольку температура в ударном слое может достигать 20 000 градусов по шкале Кельвина «и выше», — говорит основной исполнитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры 806 Сергей Александрович Колесник. 

В 2016 году ученый защитил докторскую диссертацию по математическому моделированию совместных задач теплогазодинамики и анизотропной теплопроводности в условиях аэрогазодинамического нагрева и обратным задачам теплопереноса в анизотропных телах, которая стала вкладом в проект. 

В основе проекта исследователей лежит разработка универсального закона разложения связующих теплозащитных композиционных материалов при высоких температурах. Он универсален, потому что не использует трудно формализуемую химическую кинетику разложения. Ученые вывели закон на основе известных (паспортных) значений плотностей и температур начала и окончания разложения связующих теплозащитных композиционных материалов, а также экспоненциального характера разложения связующих композиционных материалов. 

Затем на базе такого закона разработали физико-математическую модель тепломассопереноса в теплозащитных композиционных материалах, которая учитывает процессы разложения связующих, фильтрацию пиролизных газов, тепломассопереноса, уноса массы и его влияние на нестационарное температурное поле, вдува пиролизных газов в газодинамический пограничный слой и уменьшения тепловых потоков к наружной границе. Модель также учитывает явления, которые могут привести к существенной нелинейности и нестационарности математических моделей при высоких температурах. Например, излучение, зависимость теплофизических характеристик материалов от температуры их разрыва, анизотропию и многомерность распространения тепла. 

«Сформулированные задачи в каждой отдельной области исследуемой проблемы (прогноз свойств композитов, определение температурных полей в теплозащитном материале в условиях уноса массы, определение фазового состава, оценка параметров сопряжённого тепломассопереноса между вязкими газодинамическими течениями и анизотропными телами, обратные задачи, получение и испытание экспериментальных образцов керамики, металлокомпозитов, углеродных композитов) в значительной степени являются новыми, но именно комплексная постановка проблемы является совершенно новой и неисследованной. Некоторые результаты, полученные в рамках проекта, позволили оценить степень «связанности» исследуемых процессов и возможность их достоверного теоретического описания «и оптимизации», — говорит Сергей Александрович. ​

Такой проектный опыт поможет учёным МАИ продолжить работу над новым способом тепловой защиты носовых частей гиперзвуковых летательных аппаратов, который состоит из композиционных материалов с большой степенью продольной анизотропии, что позволит при длительном гиперзвуковом полёте функционировать в условиях отсутствия уноса массы.

Источник: МАИ

Автор: Евгения Черноскулова.

Источники

Летательные аппараты под защитой науки
Научная Россия (scientificrussia.ru), 04/03/2021

Похожие новости

  • 02/03/2021

    Ученые НГТУ НЭТИ и ИХТТМ СО РАН создали стенд для испытаний деградации аккумуляторов электромобилей

    Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создали лабораторную установку для испытаний литиевых аккумуляторов (ЛИА) для электромобилей с целью определения деградационной стойкости аккумуляторов.
    863
  • 06/07/2021

    ТГУ разрабатывает концепцию НЦМУ по государственной безопасности

    В рамках экспертного форума U-NOVUS 2021 при координации Томского государственного университета прошло обсуждение перспектив создания Центра развития науки, технологий и образования в области обеспечения безопасности государства.
    1079
  • 20/02/2021

    На российско-британском форуме эксперт ТПУ рассказал о сотрудничестве с Университетом Heriot-Watt

    ​Директор Центра Heriot-Watt ТПУ Валерий Рукавишников принял участие в российско-британском форуме по транснациональному образованию. В своем выступлении он рассказал о 20-летнем опыте сотрудничества Томского политеха и Heriot-Watt University.
    917
  • 20/10/2020

    Более 15 млн участников: XV юбилейный Всероссийский фестиваль NAUKA 0+ завершился рекордами

    ​18 октября в Москве завершился столичный этап юбилейного Всероссийского фестиваля NAUKA 0+, который в этом году прошёл онлайн и за 5 дней собрал рекордное количество участников – более 15 млн пользователей со всего мира стали гостями крупнейшего научно-популярного события.
    1224
  • 20/02/2021

    Ведущие аэрокосмические вузы заключили соглашение о сотрудничестве в рамках участия в Программе «Приоритет-2030»

    19 февраля состоялся визит делегации БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова в Университет Решетнёва. От ВОЕНМЕХа делегацию возглавил С.А. Матвеев - проректор по научной работе и инновационному развитию, в состав делегации вошли С.
    782
  • 17/02/2021

    О 14-м национальном проекте по развитию атомной науки и технологий

    8 февраля — официальный старт Года науки и технологий в России. «Росатом» на новый тематический год получил большой подарок, впрочем, предполагающий большую ответственность: утвержден паспорт комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ на период до 2024 года» (РТТН).
    625
  • 01/03/2021

    Статья о беспилотной системе для электромагнитных зондирований опубликована в журнале Applied Sciences (Q1)

    Сотрудники ИРНИТУ совместно с коллегами из Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) и Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья им. Н.М. Федоровского (ВИМС) опубликовали статью в высокорейтинговом журнале Applied Sciences (Q1, Scopus).
    502
  • 17/03/2021

    «Начинку» датчиков для беспилотников и высокочувствительный прибор для измерения разности напряжений разработали в ТПУ аспиранты из Вьетнама

    Электронные компоненты датчиков для автономной навигации беспилотников и высокочувствительный прибор для измерения разности напряжений разработали в Томском политехническом университете молодые ученые из Вьетнама Ло Ван Хао и Буй Дык Бьен.
    573
  • 13/04/2021

    Алтайский государственный университет участвует в «мегасайенс»-исследованиях космоса в составе международной астрофизической коллаборации TAIGA

    В конце марта 2021 года успешно завершилась командировка молодых ученых АлтГУ в Тункинскую долину (Бурятия). Здесь, в 50 км от озера Байкал, расположен пилотный комплекс гамма-астрономической обсерватории TAIGA.
    453
  • 15/06/2021

    Образовательная школа «Численное моделирование задач специальных разделов гидро- и газовой динамики (ПК ANSYS)» пройдёт на базе НГАСУ (Сибстрин)

    ​Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН и научно-образовательный центр компьютерного моделирования и проектирования НГАСУ (Сибстрин) в рамках мероприятий XVII Всероссийского семинара с международным участием «Динамика многофазных сред (ДМС-2021) приглашают к участию в Образовательной школе «Численное моделирование задач специальных разделов гидро- и газовой динамики (ПК ANSYS)».
    978