Исследование процессов деградации механических и теплофизических свойств композиционных материалов при высокоинтенсивном аэрогазодинамическом нагреве

В настоящее время разрабатывается и внедряется в практику проектирования энергетического и транспортного машиностроения значительное количество конструкционных и теплозащитных композиционных материалов (КМ) с различными наполнителями (кремниевые, углеродные, асбестовые, алюминиевые, титановые и т.п. волокна) с органическими и неорганическими связующими. В последнее время появились волокна для КМ из базальта, запасы которого неограниченны. Однако ключевыми вопросами при разработке и внедрении КМ являются проблемы надежности в условиях высоких механических и теплогазодинамических нагрузок, поскольку КМ подвержены значительным деструктивным изменениям, как в процессе знакопеременных циклических механических и теплогазодинамических нагружений, так и в условиях высоких тепловых нагрузок, характерных при аэрогазодинамическом нагружении гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА), поскольку температура в ударном слое может достигать 20 000 К и выше. В этих условиях актуальным является разработка комплексных механико-математических моделей о напряженно-деформированном состоянии (НДС) композиционных материалов как конструкционных, так и теплозащитных в условиях совместного силового и теплового воздействия в условиях аэродинамического обтекания и аэрогазодинамического нагрева с учетом циклических нагрузок низкочастотных (от аэродинамики) и высокочастотных (от силовой установки). В рамках предлагаемого проекта предполагается разработка именно таких комплексных механико-математических моделей с верификацией их в стендовых экспериментах. Такие математические модели позволят не только с системных позиций проектировать элементы конструкций сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов из КМ, но прогнозировать свойства КМ при их разработке и технологии изготовления. Кроме этого, в разрабатываемые комплексные математические модели в качестве составных войдут такие физико-математические модели, как вязкое теплогазодинамическое обтекание, сопряженный теплообмен между газодинамическими течениями и анизотропными телами, многомерная нестационарная теплопроводность анизотропных тел, разложение связующих КМ с образованием пиролизных газов и пористого остатка с фильтрацией и вдувом их в газодинамический пограничный слой, унос массы под действием фазовых превращений с наружной границы КМ. Большинство перечисленных проблем являются новыми, а также вся комплексная проблема является новой. Для определения характеристик комплексных механико-математических моделей, которые не возможно получить в экспериментах, такие как тепловые потоки, коэффициенты теплопроводности, в том числе нелинейные, коэффициенты термического расширения, Пуассона и т.п., предполагается разработать методологию решения обратных граничных и коэффициентных задач упругости, термоупругости, теплопроводности, газовой динамики, что является совершенно новым направлением в механике деформируемого твердого тела. Для решения большинства задач будут разработаны новые экономичные абсолютно устойчивые численные методы решения задач механики сплошных сред, содержащих смешанные производные.