Hipersonik Interceptors'un Termal Meydan Meydan Meydanları

Yüksek hızlı askeri uçaklar, hipo ⁇ t bir termal ortamda çalışır. Mach 2'de bir alüminyum uçağın derisi 120 °C'ye ulaşabilir. Mach 3'te, 300 °C'nin üzerinde tırmanmak için, Mach 5 ve ötesinde, yüzen ısınmış ve ısınmış iki katın üzerinde değildir.Bu ısı havadan uzaktır: Hava moleküllerinin yüzeye doğrultılması, kinetik enerjiyi termal enerjiye dönüştürmek.

Bu koşullar için bir ısı kalkanı tasarlamak çok fizyolojik bir problemdir. Mühendis yapısal yükler, aerodinamik baskı, sıcaklık gradients, oxidation ve reusability - tüm görevini elde etmek için araç ışığı tutarken.Bu makale materyali araştırıyor, tasarım stratejileri, test yöntemleri ve yüksek hızlı müdahaleler için modern ısı kalkan mühendisliği tanımlayan çalışmalar yapmalıdır.

Termal Koruma Sistemlerinin Arkasında Malzeme Bilimi

Seramik Matrix Composites (CMC)

Uzay Araçlarındakiler gibi, düşük termal iletkenlik sunar, ancak sert ve ağırdır. Askeri darbeciler için birden fazla uçuş ve bazen Mach 6+ manevralar, mühendisler seramik matrisleri (CMC) ilerlenirler - tipik olarak silikon fiberler, önde gelen kenarlarda ve cam pantolonlar - yüksek sıcaklık gücü için mükemmel bir şekilde çalışır.

Karbon-Carbon Kompozitleri

Karbon karbon-karbon kompozitleri (parçalı karbon-karbon, RCC) X-43A scramjet test aracında kullanılan gelişmiş karbon-karbonlar için klasik bir seçimdir ve uzay aracına bağlı olarak, yüksek çözünürlükte 1,650 °C'ye kadar sıcaklıklara dayanmaktadır.

Rerakter Metaller ve Kaplamalar

Yerelleştirilmiş sıcak noktalar için - lider kenarlar, kontrol yüzeyi bağlıdır ve motor dudakları - ince bir kaplama veya küçük bir kaplama gibi metaller ve niobium çok yüksek bir erime noktaları sunar. TKV 3,422 °C. Ama TST 3,422 °C. Ama Tcm3, o kadar yoğundur ki, bu yüzden mühendisler o kadar ince bir kaplama veya küçük bir kaplama olarak kullanılır.

Ablative Materials

Tüm ısı kalkanları yeniden kullanılabilir değildir.Aslalı bir kar yağdırıcı (PICA) veya hafif bir seramik, erir ve buharlı ısılar, faz değişikliği ve kitlesel kayıplar yoluyla ısınabilir. PICA Stardust örnek dönüş kapsülü ve Mars Bilim Laboratuarı giriş sistemi üzerinde kullanılmaktadır.

Aerodinamik Isıtma için Tasarım Prensleri

Şekil Optimizasyonu Şekil Optimizasyonu

Sıcaklıka karşı ilk savunma hattı geometridir. keskin bir lider kenar sürüklenme ve manevra kabiliyeti artırır, ancak ısıyı yoğunlaştırır: iki aerodinamik ve termal kısıtlamalar doğrudan en yüksek ısıyı belirler. - x-43A'nın keskin bir yol, diğer taraftan ısınmış bir karbon-karbonu daha geniş bir alana yayılmıştır, ancak sürüklenmeler, uzun süre boyunca gerekli olan ısıtılmış ısıtılır.

Termal Koruma Sistemi Mimari

Tek bir malzeme tüm aracı kaplayamaz. Modern TPS bir tabakalı sistemdir: dış yüzey yüksek ısıtılır, oxidasyona dayanıklı cilt (örneğin, CMC, RCC veya kapsamlı rerakter metal); bunun altında hafif bir yalıtım (örneğin, bakır, sert kaplama veya aerogels) ısı geçişi birincil yapıya uygundur; ve iç tabaka, genellikle alüminyum veya titanyum, yüksek çözünürlükte yapılan bir ısı geçişi engelleyici, otomatik olarak 150-250 °C. genişleme ile birlikte.

Aktif Soğutma Sistemleri

Pasif TPS, sıcaklığı limitinin altında yapısını tutamazken, mühendisler bu yaklaşımı tekrar jeneratif soğutma yapar: yakıt (örneğin, JP-7 veya JP-10) motorlara girmeden önce geçişler ve film soğutması, aynı anda ısıtılmış bir gaz (enerji, veya ayrı bir şekilde) ve soğutmak için kullanılan ısıtılmış ısıtılır: JP-7 yakıt, motorlara girmeden önce kanat uçları ile ısıtılır.

Heat Shields'ın Test ve Geçerliliği

Plazma Rüzgar Tünelleri

Sıcaklık kalkanı performansının laboratuar testleri plazma rüzgar tünellerine (arc-jet tesisleri) dayanıyor. Bu cihazlar ısı gazı (hava, azot veya argon) binlerce derece Kelvin'e kadar sallanıyor ve sonra hipersonik hızlarda test makalesine hız veriyor. NASA'nın Ames Araştırma Merkezi, Interaction Isıtma Tesisini (IHF) ve Aerodinamik Isıtma Tesisini (AHF), sabit hava durumu ve ısıtımı 3000 W / cm2'ye kadar üretebilecek.

C ⁇ Akışkanlar Dinamik ve Çift Analiz

Sıcaklık koruyucu tasarımı geniş bir simülasyon olmadan devam ediyor. Modern CFD kodları - ABD3D, LAURA ve DPLR - Navier-Stokes denklemlerini tepki için çözüyor, yüksek sıcaklık havası da dahil olmak üzere, kimyasal hiçbir şey fark etmez.İki boyutlu ısı denklemi, iyonize edilir. TPS'nin termal cevabı tipik olarak ısı koduna sahiptir.

Uçuş Testi

Nihai test uçuştur. Askeri yüksek hızlı müdahaleciler pahalıdır, bu yüzden TPS yeterlilik genellikle alt ölçekli veya özel test araçları kullanır. HIFiRE (Hy personic International Flight Research Experimentation) programı birkaç eklenebilir seslendirme roketleri ile uçabilir TPS ücretlerini taşır. HTV-2 unmannlı glidül aracı (DARPA) deneyimli bir felaket TPS başarısızlığı - sınırsız sınır tabaka geçiş ve ısıtma yöntemleri sonucunda.Bu dersler Lockheed Martin'in daha sonraki hipersonik konseptleri sağlar.

Yüksek Hızlı Interceptor Heat Shields'ın Vaka Çalışmaları

SR-71 Blackbird: Heat Lavabo Olarak Yakıt

Hipersonik olmasa da, SR-71 yüksek hızlı bir şekilde frenleyici olarak birçok ısı yönetim tekniğini öncüledi. titanyum derisi 320 °C'ye katabilir - motor nacelle ve önde gelen kenarlar üzerindeki alanlar, yüksek sıcaklıkta kablo 7 yakıtı kullanmaya başladı.

X-15: Ablation ve High-Temperature Metals

X-15 roket uçağı, 800 °C'nin üzerindeki yüksek çözünürlüklere ulaştı, en sıcak bölgelerden - ablacı bir kaplamaya (Silicone tabanlı, camlara bağlı) Inconel X'in yapımına izin verildi. X-15, 800 °C'nin üzerindeki gücü koruyan bir nikel tabanlı süperalloy.

X-43A: Sharp Lead Edges with Carbon-Carbon

X-43A hipersonik scramjet test aracı 2004 yılında Mach 9.6'da uçtu, bir rekor oluşturuyordu. lider kenarlar sürüklenmek ve hava sıkıştırmasını en aza indirmek için 1 mm yarı yarıya kadar keskindi.Bu kenarlar silikon-karbide kaplama ile karbon-karbondan yapıldı. Toplam TPS ağırlığının %30'u kısa ve sert bir şekilde temizlenmesi gerektiği sonucuna vardı.

Future Hypersonic Armss: Taktik Güçleri

AGM-183A ARRW (Air-Launched Rapid Response Weapon) ve HAWC (Hypersonic Air-breathing Weapon Concept) gibi mevcut askeri meydan okumalar, yüksek sıcaklıkla test edilen hızlarda yüksek çözünürlükte bir karbon izi ile yapılır.

Ultra-High Sıcaklık Seramikleri (UHTCs)

Gelecek nesil TPS, silikonlu katkılarla ilgili ultra yüksek sıcaklık seramiklerini kullanacak. UHTCs yoğun (6-12 g/cm3) ancak en sıcak noktalarda kaplamalar veya küçük eklemeler olarak uygulanabilir. Air Force Research Laboratory and NASA, UHTC'nin elektriksel katkılarla ilgili karmaşık şekillerde üretimini artırmayı hedefliyor.

Adaptif Termal Koruma

Başka bir sınır, TPS'yi uyarabilir - ısı koruyucuları, özelliklerini sıcaklıklara yanıt olarak değiştirir. Örneğin, değişken izin verilen kaplamalar yüksek sıcaklıklarda daha fazla yansımalı ısı girişlerine dönüşerek, yüksek sıcaklıklarda yüksek sıcaklıklarda daha fazla ısınabilir.Bu teknolojiler hala laboratuvardadır (örneğin, şekilbelli alaşımlar gibi) bir sonraki nesildeki ısı kalkanları için otomatik olarak ısıtılabilir.

Termal Tasarımda Yapay Zeka

En iyi TPS'yi geliştirmek onlarca değişkeni dengelemek için içerir: malzeme kalınlığı, boşluk büyüklüğü, kaplama kalınlığı, soğutma akışı oranı ve daha fazlası. Makine öğrenme modelleri artık tasarım alanını geleneksel parametrik çalışmalarla daha hızlı bir şekilde inceleyebilir.Demokratın Modulus çerçevesi ve benzer fizik-informel sinir ağları, termal yanıt tahmin etmek ve gerekli olan ark-jet testlerinin sayısını azaltmak için kullanılır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yüksek hızlı askeri uçaklar için ısı kalkanları tasarlayan bir alan, her zaman dahil edilmiş bir alandır: araçta hız ve görev gereksinimlerine ulaşmasını sağlarken hava çerçevesini korumak.Gelecek daha hafif, daha akıllı ve daha dayanıklı TPS malzemeleri, potansiyel olarak, yüksek teknolojili UHTC'ler için, uçak kılavuzlarını hızlandıracak şekilde yeniden etkinleştirecektir.

Daha fazla okuma için, NASA'nın ayrıntılı rehberini bakınız:0) Atomik araç için , NASA Teknik Rapor Server'dan [Dönetici) [Döneticisel koruma sistemi tasarımı[Döneticileri için) ).