Table of Contents

Тепловой вызов гиперперсонических перехватчиков

Высокоскоростные перехватчики военных самолетов работают в жестокой тепловой среде. На 2 Маха шкура алюминиевого самолета может достигать 120 °C. На 3 Маха, который поднимается выше 300 °C. Современные гиперзвуковые перехватчики, которые достигают 5 Маха и выше, сталкиваются с температурой застоя, превышающей 2000 °C. Это тепло исходит не от двигателей, а от воздушного трения: пограничный слой, где молекулы воздуха замедляются по поверхности транспортного средства, преобразуя кинетическую энергию в тепловую энергию. Полученный ударный слой может содержать диссоциированные и ионизированные газы, которые излучают дополнительное тепло. Без хорошо спроектированной системы тепловой защиты (TPS) планер потерпит неудачу в считанные секунды.

Проектирование теплового экрана для таких условий является многофизической проблемой. Инженер должен сбалансировать структурные нагрузки, аэродинамическое давление, температурные градиенты, окисление и многоразовое использование - все это при сохранении достаточного освещения автомобиля для достижения своей миссии. В этой статье рассматриваются материалы, стратегии проектирования, методы испытаний и тематические исследования, которые определяют современную инженерию теплового экрана для высокоскоростных перехватчиков.

Материаловедение за системами термозащиты

Композиты керамической матрицы (CMCs)

Керамические плитки, как и на космическом шаттле, обладают низкой теплопроводностью, но хрупки и тяжелы. Для военных перехватчиков, которые должны выдержать несколько полетов, а иногда и маневры Маха 6+, инженеры обращаются к керамическим матричным композитам (CMCs). Эти материалы - обычно волокна карбида кремния, встроенные в матрицу карбида кремния - обеспечивают прочность на разрыв, химическую стабильность и отличную высокотемпературную прочность. CMCs могут работать при температурах выше 1600 ° C без значительного ухудшения. Орбитальный испытательный аппарат НАСА X-37B использует передовые панели CMC на его передних краях и носовой крышке, демонстрируя пригодность материала для повторных гиперзвуковых полетов.

Углеродно-углеродные композиты

Углеродо-углеродные композиты (усиленный углерод-углерод, RCC) являются классическим выбором для самых экстремальных тепловых нагрузок, таких как носовой конус и передние края крыла космического шаттла. Они выдерживают температуры до 1650 °C в окислительной атмосфере при покрытии карбидом кремния. Современные варианты, такие как передовой углерод-углерод, используемый на ракете-испытателе X-43A, включают ингибиторы окисления и более жесткие конструкции плетения. Для перехватчиков, которые выполняют витки высокой мощности на гиперзвуковых скоростях, углерод-углерод предлагает самый низкий коэффициент теплового расширения и самое высокое сопротивление тепловому удару среди практических материалов TPS. Однако он дорог и требует тщательного осмотра покрытия после каждого полета.

Рефрактерные металлы и покрытия

Для локализованных горячих точек — передних краев, петлей контрольной поверхности и впускных губ двигателя — огнеупорные металлы, такие как вольфрам, молибден и ниобий, предлагают очень высокие точки плавления. Вольфрам плавится при 3422 °C. Но вольфрам плотный (19,3 г / см3), поэтому инженеры используют его экономно, часто в качестве тонкого покрытия или небольшой вставки. Плазменные вольфрамовые покрытия над более легкой подложкой обеспечивают сопротивление абляции и могут обрабатывать тепловые градиенты без дебондинга, если интерфейсные слои правильно спроектированы. Покрытия дисилицида молибдена (MoSi2) защищают сплавы молибдена от окисления до 1800 °C. Конструкции интерцептора иногда используют рений с иридиевым покрытием для камер сгорания, но весовые штрафы ограничивают такие металлы небольшими областями.

Аблятивные материалы

Не все тепловые щиты являются многоразовыми. Для перехватчиков, которые выполняют один высокоскоростной тире или повторный вход с большой высоты, абляционные материалы являются самым простым и наиболее массовым решением. Абляторы - такие как фенольный пропитанный углеродный аблятор (PICA) или легкий керамический аблятор (LCA-1) - обугленные, плавятся и испаряются, унося тепло через изменение фазы и потерю массы. PICA использовался на капсуле возврата образца Stardust и системе входа в Марсианскую научную лабораторию. Для военных применений Исследовательская лаборатория ВВС разработала «легкие конформные» абляторы, которые могут быть сформированы в сложные формы и обеспечить предсказуемые темпы рецессии при тепловых потоках выше 1000 Вт / см2. Недостаток: абляционные тепловые щиты должны быть заменены после каждой миссии, что ограничивает их использование для расходных перехватчиков или аварийных систем.

Принципы проектирования аэродинамического нагрева

Оптимизация формы

Первая линия защиты от тепла — геометрия. Острый передний край снижает сопротивление и улучшает маневренность, но концентрирует тепло: радиус точки застоя непосредственно определяет максимальный тепловой поток. Полосферный нос, с другой стороны, распространяет тепло на более широкую область, но увеличивает сопротивление. Конструкторы-перехватчики запускают сотни итераций CFD, чтобы найти форму, которая отвечает как аэродинамическим, так и тепловым ограничениям. Например, острые передние края X-43A были сделаны из высокотемпературного углерод-углерода с радиусом 1 мм, сохраняли прохладу к короткому времени горения. Для более длительных перехватчиков могут потребоваться более тупые формы с активным охлаждением. Взаимодействие удар-шок — где пересекаются две ударные волны, создавая локализованный всплеск нагрева — также должно быть вычислено и смягчено с помощью формования транспортного средства или местных выпуклостей.

Архитектура системы термозащиты

Ни один материал не может покрыть весь автомобиль. Современный TPS представляет собой слоистую систему: внешняя поверхность представляет собой высокотемпературную, устойчивую к окислению кожу (например, CMC, RCC или покрытый огнеупорным металлом); под этим легкая изоляция (например, керамическая изоляция волокна или аэрогели) снижает теплопроводность к первичной структуре; и самый внутренний слой - несущий планер, обычно алюминий или титан, с температурным пределом 150-250 ° C. Расширительные соединения должны вмещать дифференциальное тепловое расширение между панелями. Пробелы заполнены совместимыми уплотнениями для предотвращения попадания горячего газа, критический режим отказа на космическом челноке Columbia. Новые конструкции используют зазорные наполнители из керамической ткани Nextel, которые могут деформироваться под нагрузкой без сбоев.

Активные системы охлаждения

Когда пассивный ТПС сам по себе не может удерживать конструкцию ниже своего температурного предела, инженеры добавляют активное охлаждение. Простейшей формой является регенеративное охлаждение: топливо (например, JP-7 или JP-10) протекает через проходы в горячей оболочке или стенках двигателя перед сжиганием, одновременно нагревая топливо (улучшая горение) и охлаждая конструкцию. В SR-71 использовался такой подход: его топливо JP-7 циркулировало по передним краям крыла перед входом в двигатели. Более продвинутыми являются транспирация и пленочное охлаждение, где охлаждающая жидкость (вода, топливо или отдельный инертный газ) вытесняется через пористую кожу и испаряется или образует защитную пленку над поверхностью. Концепция DARPA XS-1 (Phantom Express) включала металлическую ТПС с транспирационным охлаждением для своей повторно используемой второй стадии. Активное охлаждение добавляет массу и сложность - насосы, клапаны, сантехника - но позволяет работать при тепловых потоках, выходящих за рамки

Тестирование и валидация тепловых щитов

Плазменные ветровые туннели

Лабораторные испытания теплозащитных характеристик основаны на плазменных аэродинамических трубах (дугогасительных установках). Эти устройства используют дугу высокого тока для нагрева газа (воздуха, азота или аргона) до тысяч градусов Кельвина, а затем ускоряют его на испытательной статье на гиперзвуковых скоростях. Исследовательский центр Эймса НАСА управляет обогревным оборудованием взаимодействия (IHF) и аэродинамическим обогревным оборудованием (AHF), которое может производить застойные тепловые потоки до 3000 Вт / см2. Военные программы используют дугонагревательные установки комплекса инженерных разработок Арнольда (AEDC). Во время испытания инженеры измеряют температуру поверхности, скорость рецессии, температуру заднего края и потерю массы. Испытания имитируют фактические условия полета: число Маха, давление и энтальпию. Данные дугогастронажных испытаний якорные вычислительные модели и проверяют выбор материала перед полетом.

Вычислительная динамика жидкости и сопряженный анализ

Современные коды CFD, такие как US3D, LAURA и DPLR, решают уравнения Navier-Stokes для реагирования, высокотемпературного воздуха, включая химический неравновес (диссоциация, ионизация) и поверхностный катализ. Тепловой ответ TPS обычно вычисляется в отдельном коде (например, FIAT, CMA или TITAN), который решает одно- или двумерное уравнение тепла с зависящими от температуры свойствами. Две модели слабо или плотно связаны: код потока обеспечивает тепловой поток; тепловой код обновляет температуру поверхности и рецессию, которая изменяет состояние границы потока. Моделирование с высокой точностью занимает дни на суперкомпьютерах, но имеет важное значение для прогнозирования маржи. Стандартное руководство приведено в руководстве НАСА по TPS Design.

Летные испытания

Конечным испытанием является полет. Военные высокоскоростные перехватчики дороги, поэтому квалификация TPS часто использует субмасштабные или специализированные испытательные транспортные средства. Программа HIFiRE (Hypersonic International Flight Research Experimentation) летала на нескольких расходных звуковых ракетах с инструментальными полезной нагрузкой TPS. Беспилотный планирующий аппарат HTV-2 (DARPA) испытал катастрофический отказ TPS - результат непредвиденного перехода пограничного слоя и нагрева. Эти уроки проинформировали более поздние гиперзвуковые концепции Lockheed Martin. Летающие транспортные средства несут набор термопар, пирометров и тензодатчиков, встроенных в TPS, а также калориметры для измерения теплового потока. Послеполетный осмотр используемого теплового экрана предоставляет бесценные данные о моделях повреждений, эрозии покрытия и целостности крепежа.

Примеры высокоскоростных тепловых щитов-перехватчиков

SR-71 Blackbird: Fuel as Heat Sink (Теплоотвод)

Хотя SR-71 и не был гиперзвуковым, он стал пионером многих методов управления теплом, имеющих отношение к высокоскоростным перехватчикам. Его титановая кожа могла выдерживать 320 ° C - намного выше предела алюминия. Однако области вблизи гондол двигателя и передних краев достигали 650 ° C. Решением было использование топлива JP-7 в качестве регенеративного охлаждающего агента. Топливные линии проходили через передние края крыла и за конусом Маха на фюзеляже, поглощая тепло перед впрыском в двигатели. На панели кожи также были зазоры расширения, предназначенные для закрытия при высокой температуре, уменьшая тепловые градиенты. Философия теплового экрана SR-71 - «транспортное средство - это тепловой двигатель» - непосредственно влияет на сегодняшние высокоскоростные конструкции перехватчика.

X-15: Абляция и высокотемпературные металлы

Ракетный самолет Х-15 достиг 6,7 Маха и высот выше 100 км, подвергая свои передние края повторному нагреванию. Его структура была изготовлена из Inconel X, суперсплава на основе никеля, который сохранил прочность выше 800 °C. На самых горячих участках - передних краях носа и крыла - нанесено абляционное покрытие (на основе кремния и крыла, армированного стекловолокном). Покрытие обуглено и отслаивалось, защищая металл под ним. X-15 также использовал подходы «тепловой раковины»: толстые секции бериллия, которые поглощали тепло во время короткого высокоскоростного скольжения. Послеполетный осмотр показал, что покрытие часто выживало, но техническое обслуживание требовало повторного применения после каждого полета. X-15 доказал, что тщательно разработанная абляционная TPS может быть практичной для высокоэффективного военного перехватчика.

X-43A: острые выступы с углеродом

Гиперзвуковой ракетоносец X-43A в 2004 году пролетел на скорости 9,6 Маха, установив рекорд. Его передние края были такими же острыми, как радиус 1 мм, чтобы минимизировать сопротивление и максимизировать сжатие воздуха. Эти края были сделаны из углерод-углерода с кремниево-карбидным покрытием. Общий вес TPS составлял около 30% от сухого веса автомобиля - относительно высокий, но приемлемый для краткосрочного испытания (10 секунд сжатия). Успех теплового экрана X-43A продемонстрировал, что острые передние края можно управлять, если тепловой импульс короткий и материал безупречный. Для перехватчика, который должен поддерживать гиперзвуковой полет в течение нескольких минут, тепловая нагрузка намного больше, требуя либо более тупых краев, либо активного охлаждения.

Будущее гиперзвуковое оружие: тактический подъем-скольжение

Текущие военные программы, такие как AGM-183A ARRW (Air-Launched Rapid Response Weapon) и HAWC (Hypersonic Air-breathing Weapon Concept) используют ускорительную скользящую или струйную архитектуру. Машины с усилителем, такие как конструкция Lockheed Martin, протестированная в рамках программы Tactical Boost Glide, несут боеголовку внутри клиновидного планирующего корпуса. TPS должны выдерживать длительный гиперзвуковой круиз (Mach 5-8) через плотную нижнюю атмосферу. Тепловые нагрузки являются серьезными: температура застоя выше 2500 ° C, с высоким динамическим давлением и эрозией песком и дождем. Эти системы используют передовой углерод-углерод на носу и передних краях, с CMC или металлическим TPS на корпусе. Некоторые конструкции включают передний закрылок из CMC, который должен работать горячим - более 1500 ° C - без связывания. Задача состоит в том, чтобы сделать тепловой экран достаточно интенсивным, чтобы гарантировать точность терминала.

Будущие тенденции и направления исследований

Ультравысокотемпературная керамика (UHTC)

TPS следующего поколения будет использовать сверхвысокотемпературную керамику на основе циркония диборида (ZrB2) и гафния диборида (HfB2). Эти материалы имеют точки плавления выше 3200 °C и отличную стойкость к окислению при легировании карбидом кремния. UHTC плотные (6-12 г / см3), но могут применяться в качестве покрытий или небольших вставок в самых горячих точках. Исследования в Исследовательской лаборатории ВВС и НАСА направлены на производство UHTC передних краев со сложными формами посредством аддитивного производства. Проблема заключается в их хрупкости; армирование волокнами или ламинаты с углеродными волокнами могут решить эту проблему.

Адаптивная термическая защита

Еще одним рубежом является адаптивный TPS - тепловые экраны, которые изменяют свои свойства в ответ на температуру. Например, покрытия с переменной излучательной способностью становятся более отражающими при высоких температурах, уменьшая ввод радиационного тепла. Умные материалы, которые изменяют форму (например, сплавы с памятью формы) могут автоматически открывать вентиляционные отверстия при превышении пороговой температуры. Активное управление тепловыми потоками со встроенными тепловыми трубами может перераспределять тепло от горячих точек до более холодных областей, снижая пиковые температуры без добавления массы. Эти технологии все еще находятся в лаборатории, но предлагают потенциал для "саморегулирующихся" тепловых экранов для перехватчиков следующего поколения.

Искусственный интеллект в тепловом дизайне

Проектирование оптимальной TPS включает в себя балансирование десятков переменных: толщина материала, размер зазора, толщина покрытия, скорость потока охлаждения и многое другое. Модели машинного обучения теперь могут исследовать пространство проектирования быстрее, чем традиционные параметрические исследования. Рамки NVIDIA Modulus и аналогичные нейронные сети, основанные на физике, используются для прогнозирования теплового отклика и сокращения количества необходимых испытаний дуговой струи. Агентство перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA) финансировало программы для использования ИИ для быстрого итерации на конструкциях TPS при ограниченном весе и производительности.

Заключение

Проектирование тепловых экранов для высокоскоростных перехватчиков военных самолетов - это постоянно развивающееся поле, которое находится на пересечении материаловедения, аэродинамики и системной инженерии. От новаторской работы над SR-71 и X-15 до сегодняшнего гиперзвукового оружия и UHTC следующего поколения, цель остается прежней: защитить планер, позволяя транспортному средству достичь своих скоростей и требований к миссии. Будущее принесет более легкие, интеллектуальные и более устойчивые материалы TPS, потенциально позволяя устойчивый гиперзвуковой полет и многоразовые высокоскоростные перехватчики, которые могут работать как истребители, а не неуправляемые ракеты.

Для дальнейшего чтения см. подробное руководство NASA по проектированию системы термической защиты , обзор программы DARPA Tactical Boost Glide и всеобъемлющий обзор высокотемпературных материалов для гиперзвуковых транспортных средств от сервера технических отчетов НАСА.