Анализ комбинированного радиационно-кондуктивного теплообмена при деструкции пористого углерод-керамического композиционного материала тепловой защиты

Углерод-керамические композиционные материалы являются перспективными для применения в системе тепловой защиты создаваемых в настоящее время новых концепций спускаемых аппаратах. Отработка материала тепловой защиты сопряжена с необходимостью моделирования его температурно-фазового состояния в условиях эксплуатации. Предложены физическая и математическая модели для анализа деструкции и радиационно-кондуктивного теплопереноса в пористом углерод-керамическом композиционном материале, состоящем из углеродных волокон, покрытых карбидом кремния. Модели учитывают все основные физико-химические процессы прогрева и термохимической деструкции. Для решения задачи разработан программный комплекс DMA, основанный на методе конечных элементов. Проведено моделирование прогрева и деструкции материала. Установлено, что при температуре более 800 °С вклад радиационного теплообмена становится значительным. Сравнение микроструктур поверхности, полученных при моделировании и газодинамических испытаниях в плазмотроне, показало их качественное совпадение. При этом различие массового уноса не превысило 16 %.

Литература

[1] Walker S.P., Daryabeigi K., Samareh J.A., Armand S.C., Perino S.V. Preliminary Development of a Multifunctional Hot Structure Heat Shield. Proc. 55th AIAA/ASMe/ASCE/AHS/SC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2014, 13 p., doi: 10.2514/6.2014-0350

[2] Федеральная космическая программа России. URL: https://www.roscosmos.ru/22347/ (дата обращения 11 февраля 2020).

[3] Reznik S.V., Kolesnikov A.F., Prosuntsov P.V., Gordeev A.N., Mikhailovskii K.V. Development of elements of a reusable heat shield from a carbon–ceramic composite material. 2. Thermal tests of specimens of the material. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2019, vol. 92, no. 2, pp. 306–313, doi: 10.1007/s10891-019-01934-6

[4] Eekelen A.J., Lachaud J. Radiation heat-transfer model for the ablation zone of low-density carbon-resin composites. Proc. 10th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, 2010, doi: 10.2514/6.2010-4904

[5] Eekelen A.J., Lachaud J. Numerical Validation of an Effective Radiation Heat Transfer Model for Fiber Preforms. Journal of Spacecraft and Rockets, 2011, vol. 48, no. 3, pp. 534–537, doi: 10.2514/1.51865

[6] Leroy V., Lachaud J., Magin T. Quantitative Guidelines on Radiation Model Selection for Material Response Simulation. Proc. 14th International Planetary Probe Workshop, 12–16 June 2017, Hague, Netherlands, 2017, 21 p.

[7] Nouri N., Martin A. Three dimensional radiative heat transfer model for the evaluation of the anisotropic effective conductivity of fibrous materials. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, vol. 83, pp. 629–635, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.12.041

[8] Panerai F., Ferguson J., Lachaud J., Martin A., Gasch M.J., Mansour N.N. Analysis of fibrous felts for flexible ablators using synchrotron hard x-ray microtomography. Proc. 8th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles, 2015, doi: 10.13140/RG.2.1.2661.0084

[9] Panerai F., Ferguson J.C., Lachaud J., Martin A., Gasch M.J., Mansour N.N. Micro-tomography based analysis of thermal conductivity, diffusivity and oxidation behavior of rigid and flexible fibrous insulators. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, vol. 108, pp. 801–811, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.048

[10] Nouri N., Panerai F., Tagavi K.A., Mansour N.N., Martin A. Evaluation of the anisotropic radiative conductivity of a low-density carbon fiber material from realistic microscale imaging. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, vol. 95, pp. 535–539, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.12.004

[11] Горский В.В., Гордеев А.Н., Дудкина Т.И. Расчетно-теоретическая модель аэротермохимической деструкции карбида кремния, омываемого высокотемпературным потоком воздуха. Теплофизика высоких температур, 2012, т. 50, № 5, с. 692–699.

[12] Горский В.В. Теоретические основы расчета абляционной тепловой защиты. Москва, Научный мир, 2015. 687 с.

[13] Зигель Р., Хауэлл Д. Теплообмен излучением. Москва, Мир, 1975. 934 с.

[14] Баринов Д.Я., Просунцов П.В. Моделирование деструкции углерод-керамического композиционного материала. Тепловые процессы в технике, 2018, т. 10, № 5–6, с. 198–206.

[15] Barinov D.Ya., Prosuntsov P.V. Modelling the heating and ablation of carbon-ceramic composite materials of various density. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2135, 020008, doi: 10.1063/1.5120645

[16] Ferguson J.C., Panerai F., Lachaud J., Martin A., Bailey S.C.C., Mansour N.N. Modeling the oxidation of low-density carbon fiber material based on micro-tomography. Carbon, 2016, vol. 96, pp. 57–65, doi: 10.1016/j.carbon.2015.08.113

[17] Ferguson J.C., Panerai F., Lachaud J., Mansour N.N. Theoretical study on the micro-scale oxidation of resin-infused carbon ablators. Carbon, 2017, vol. 121, pp. 552–562, doi: 10.1016/j.carbon.2017.06.013

[18] Просунцов П.В., Баринов Д.Я., Богачев Е.А. Исследование термоокислительной деструкции материала на основе углеродных волокон. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, № 7(91). URL: http://www.engjournal.ru/catalog/arse/dcpa/1899.html, doi: 10.18698/2308-6033-2019-7-1899