Методы идентификации многофакторных математических моделей теплопереноса в высокопористых теплозащитных материалах, функционирующих в условиях переменного давления и нестационарного нагрева

Для современной космической техники характерны конструкции, работающие в условиях интенсивных, часто экстремальных тепловых воздействий. Общая тенденция развития техники связана с увеличением числа ответственных теплонагруженных технических объектов, с ужесточением условий их теплового нагружения при одновременном повышении надежности и ресурса, снижении материалоемкости. Для космических аппаратов и многоразовых транспортных систем обеспечение тепловых режимов является одним из важнейших разделов проектирования,определяющим основные проектно-конструкторские решения. Характерными особенностями современных теплонагруженных конструкций космической техники являются нестационарность, нелинейность, многомерность исопряженный характер процессов тепломассообмена. Эти особенности ограничивают возможность использования многих традиционных расчетно-теоретических и экспериментальных методов исследований. В конструкциях тепловой защиты современных объектов космической техники широко используются высокопористые теплоизоляционные материалы с низкой теплопроводностью. К таким материалам, например, относятся высокопористые волокнистые материалы на основе тонких волокон оксидной керамики, например SiО2, Al2O3, ZrO2 идр. Перспективными материалами для таких конструкций являются высокотемпературные пористые материалы наоснове тонких углеродных или базальтовых волокон. Сюда же можно отнести высокопористые ячеистые материалы(ВПЯМ) на основе углерода, а также ВПЯМ на основе оксидной и безоксидной керамики, например, высокопористый ячеистый карбид кремния. Особого внимания заслуживают инновационные высокопористые материалы - аэрогели на основе наноразмерных волокон, например, керамических SiO2 и Al2O3, а также на основе углеродных нановолокон. Упомянутые теплоизоляционные материалы, как правило, имеют структуру с открытыми порами. Это приводит к тому,что теплофизические свойства этих материалов существенно зависят от давления газа среды, в которой работают теплозащитные конструкции на их основе. Так, например, по данным ЦАГИ коэффициент теплопроводности высокотемпературного теплоизоляционного материала на основе ультратонких кварцевых волокон увеличивается приблизительно вдвое с ростом давления в диапазоне от 4×10-5бар до 1,01бар во всем рассматриваемом диапазоне температур. Здесь также можно заметить, что по мере увеличения давления окружающей среды наблюдается более интенсивный рост коэффициента теплопроводности. Проектирование теплонагруженных конструкций, изготавливаемых из подобных материалов предполагает широкое применение методов имитационного математического и физического моделирования. Однако проведение математического моделирования невозможно без достоверной информации о характеристиках (свойствах)анализируемых материалов. В большинстве практических случаев прямое измерение теплофизических свойств высокопористых материалов (особенно сложного состава) является невозможным. Единственным путем, позволяющим преодолеть эти сложности является непрямые измерения. Математически подобный подход обычно формулируется как решение обратной задачи: по прямым измерениям состояния системы (в частности,температуры) определить свойства анализируемой системы, например, теплофизические характеристики материалов. Нарушение причинно-следственных связей в постановке таких задач приводит к их некорректности в математическом смысле (т.е. отсутствию существования и/или единственности и/или устойчивости решения). Поэтому для решения подобных задач разрабатываются специальные методы, обычно называющиеся регуляризирующими. Целью данной работы является разработка комплекса экспериментальных и математических средств системы идентификации свойств теплозащитных материалов, функционирующих в условиях не только изменяющихся тепловых нагрузок, но и переменного давления.На первом этапе проекта была произведена оценка факторов, влияющих на теплопроводность композиционных материалов с высокими значениями коэффициента пористости и проницаемости. С целью выбора наиболее адекватного математического описания конструкций теплонагруженых элементов летательных аппаратов проведен анализ: - теоретических моделей теплопроводности для высокопористых ячеистых материалов с различной геометрией представительных элементов, оценена проницаемость материалов; - теоретических моделей теплопроводности высокопористых волокнистых материалов с учетом формы, плотностиукладки и ориентации волокон; - теоретические модели теплопроводности аэрогелей в зависимости от формы частиц и размеров частиц образующих пористый каркас. На основе решения обратной задачи методом итерационной регуляризации разработан алгоритм расчета зависящих от давления и температуры коэффициентов параболического уравнения для пористого материала.Проведены работы по модернизации технических средств стендов и их дооснащение для обеспечения работ с переменным вакуумом.