1 Современное состояние проблемы создания стендов радиационного нагрева для испытаний объектов аэрокосмической техники
1.1 Теплонагруженные композитные конструкции объектов аэрокосмической техники
В настоящее время ведется создание аэрокосмической техники многократного использования: многоразовых космических аппаратов (суборбитальных и орбитальных), многоразовых ракет-носителей, а также гиперзвуковых летательных аппаратов. Режим полета таких аппаратов предусматривает участки со сверх- и гиперзвуковой скоростью в плотных слоях атмосферы, что приводит к интенсивному аэродинамическому нагреву (свыше 2000°С) (рисунок 1.1). Для защиты конструкций аэрокосмических систем многоразового использования от воздействия аэродинамического нагрева при полете в атмосфере Земли применяют специальные теплозащитные покрытия (ТЗП) с различными принципами действия: пленочное охлаждение, пористое, заградительное, конвективное, радиационное, абляционное и др.
В зависимости от скорости полета аппарата в плотных слоях атмосферы изменяются и максимальные температуры на поверхности аппарата. Так, для суборбитальных МКА характерны скорости от 3 до 4 М, и как следствие температуры не превышают 700°С. Для орбитальных аппаратов скорости полета могут достигать 28 М, а температуры – соответственно 2000°С. Скорости ГЛА превышают 5 М, а температуры могут достигать 1000°С [3].
Рисунок 1.1 – Типы ТЗП для ракетно-космической техники различного назначения [3]
1.1.1 Суборбитальные мка
X-33, NASA и Lockheed Martin, США, 1995-2001.
Суборбитальный МКА X-33 (рисунок 1.2) разрабатывался компанией Lockheed Martin по заказу НАСА в 90-х годах прошлого столетия в рамках программы Venture Star. Аппарат задумывался как малоразмерный прототип для демонстрации технологии и испытаний материалов одноступенчатого орбитального МКА Venture Star [4].
Рисунок 1.2 – Одноступенчатый суборбитальный МКА X-33, Lockheed Martin, 1995-2001 гг. [5]
Длина МКА Х-33 составляла 20,4 м, ширина – 20,7 м, сухая масса – 28 500 кг, а стартовая масса – 124 000 кг. Предполагалось, что данный МКА будет оснащен двумя ЖРД J-2S Liner Aerospike (Rocketdyne) и сможет достигать высоты 96 км, а максимальная скорость полета составит 15 М.
Температуры, возникающие на поверхности МКА Х-33 во время полета, превышают 1100°С (рисунок 1.3). Предполагалось, что в данном аппарате будут применены следующие типы теплозащитных покрытий (ТЗП): углерод-углеродное (для температур свыше1100°С на носовом обтекателе), хромо-никелевый сплав MA 754 (для температур от 900 до 1100°С), сплав на основе никеля, хрома, кобальта и молибдена Inconel 617 (для температур от 700 до 900°С) и титановый сплав (для температур от 500 до 700°С) [6].
Рисунок 1.3 – ТЗП МКА Х-33 [7]
X-34, NASA и Orbital Science Corporation, 1996.
Суборбитальный МКА X-34 (рисунок 1.4) разрабатывался компанией Orbital Science Corporation по заказу НАСА как демонстратор ключевых технологий в рамках программы Reusable Launch Vehicle в период с 1996 по 2001 гг [4].
Рисунок 1.4 – МКА X-34, NASA и Orbital Science Corporation,
1996-2001 гг.
Аппарат имел длину 17,7 м, размах крыльев – 8,5 м, сухая масса – 8 164 кг. Максимальная высота полета, на которую поднимался МКА Х-34 составляла 80,5 км, при этом он развивал скорость 8 М.
Теплозащита МКА Х-34 была схожа с теплозащитой SpaceShuttle. Так, ТЗП включала: высокотемпературную подложку, способную выдерживать температуры до 1100°С, ткань из керамических волокон Nextel 440 (максимальная температура эксплуатации до 1370°С). Для носового обтекателя, а также защиты кромок крыльев использовались черные керамические плитки (такие же, как на SpaceShuttle) [8-10].
Cosmopolis C-XXI, ЭМЗ им. В.М. Мясищева, Россия, 2002.
МКА Cosmopolis C-XXI разрабатывался в 2002 году ЭМЗ им. В.М. Мясищева. Данный МКА (рисунок 1.5) принимал участие в международном конкурсе AnzariXPrize. Аппарат был рассчитан для полета одного пилота и двух пассажиров по суборбитальной траектории с максимальной высотой 100 км. При этом сухая масса МКА составляла всего 3 500 кг, стартовая масса – 5 500 кг [11].
Рисунок 1.5 – МКА Cosmopolis C-XXI, ЭМЗ им. В.М. Мясищева, 2002 [11]