Экспериментально-теоретическое исследование и прогнозирование свойств высокотемпературных композиционных материалов применительно к созданию комплексной методологии проектирования и отработки теплонагруженных аэрокосмических конструкций

Характерными особенностями современных теплонагруженных конструкций космической техники являются нестационарность, нелинейность, многомерность и сопряженный характер процессов тепломассообмена. Эти особенности ограничивают возможность использования многих традиционных методов проектирования теплонагруженных конструкций. Современные подходы к созданию таких конструкций предполагают широкое применение методов математического и физического моделирования. Однако проведение математического моделирования невозможно без достоверной информации о характеристиках (свойствах) анализируемых объектов. В большинстве практических случаев прямое измерение теплофизических свойств материалов (особенно сложного состава) является невозможным. Единственным путем, позволяющим преодолеть эти сложности является непрямое измерение. Математически подобный подход обычно формулируется как решение обратной задачи: по прямым измерениям состояния системы (температуры, концентрации компонентов и т.д.) 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. В большинстве исследований по данной тематике основное внимание уделялось именно разработке адекватных моделей теплопереноса в композиционных материалах, по большей части - высокопористых. При этом основной целью было повышение точности разработанных методов и надежности прогнозирования физических свойств перспективных материалов и конструкций. Методика исследования и прогнозирования свойств теплозащитных материалов и покрытий отрабатывалась на имеющихся в нашем распоряжении материалах, как отечественного, так и зарубежного производства. При этом были получены математические модели, позволяющие не только анализировать процессы теплопереноса в материалах с достаточной точностью, но и прогнозировать изменение теплофизических свойств материалов при изменении параметров макро- и микроструктуры (разумеется в области непрерывности используемых зависимостей, то есть при достаточно малых изменениях параметров). Естественным развитием данного направления исследований является объединение полученных математических моделей с алгоритмами оптимального проектирования конструкций, таким образом, чтобы в качестве проектных параметров рассматривались не только геометрические характеристики элемента конструкции, но и параметры (характеристики) структуры материала (например диаметр волокон, длина волокон, форма пор и т.д). Такой подход позволит одновременно создавать надежные конструкции минимальной массы, базируясь на оптимальную структуру материала. Научная новизна работы определяется впервые реализованным общетеоретическим комплексным подходом к исследуемой проблеме, новой постановкой задачи оптимального проектирования, в результате решения которой определяются не только геометрические параметры рассматриваемой системы, но и параметры структуры используемых теплотехнических материалов, новыми практическими результатами, полученными при применении разрабатываемых положений и методов при проектировании теплонагруженных элементов перспективных конструкций. На основе полученных решений будут разработаны новый метод оптимального проектирования теплонагруженных конструкций с учетом расчетно-экспериментального уточнения используемых математических моделей, предложены оригинальные способы обработки результатов экспериментальных исследований теплообмена применительно к оптимальному проектированию конструкций.