Гиперзвуковые летательные аппараты

X-51A Waverider, Boeing, США, 2010-настоящее время.

X-51A Waverider (рисунок 1.12) – гиперзвуковая крылатая ракета длиной 7,62 м и весом 1 814 кг. Данный ГЛА разрабатывается для нужд ВВС США в рамках программы Global Prompt Strike (Быстрый глобальный удар). Х-51Аспособен развивать скорость свыше 5 М [26].

Согласно данным, представленным в 2011 году лабораторией воздушных сил США [27]в качестве ТЗП будут использоваться:

- напыляемое покрытие BLA-S (BoeingLight-WeightAblator-Sprayed-on) (патент US6627697 B2) – покрытие малой плотности (320 кг/м³) на основе кремний-органической смолы и микросфер;

- BLA-HD (Boeing Light-Weight Ablator-Honeycomb Reinforced);

- BRI-16 Tile – (патент US 20040038029 A1) ТЗП из керамических волокон, обработанных покрытием, содержащим оксиды переходных металлов.

- FRSI (Flexible Reusable Surface Insulation).

Рисунок 1.12 – ТЗП, используемые в конструкции ГЛА X-51A Waverider [27]

X-43A, Boeing, США, 2001 – настоящее время.

X-43A (рисунок 1.13) – это беспилотный экспериментальный ГЛА, разрабатываемый по заказу НАСА в рамках программы «Hyper-X» [28]. Для разгона ГЛА используется разгонный блок ракеты Пегас.

Длина ГЛА составляет 3,757 м, ширина – 1,5 м, высота – 0,65 м, масса – 1 370 кг. Максимальная скорость, которую развивает аппарат, составляет 9,6 М, максимальная высота полета – 30 км [29].

В качестве ТЗП в Х-43А применяются следующие материалы (рисунок 1.14):

-на носовом обтекателе и кромках крыльев – углерод-углеродный композиционный материал;

-TUFI (toughened uni-piece fibrous insulation) – патент US 6749942 B1 – покрытие на основе кварца с 20% дисилицида молибдена.

-AETB tile (alumina enhanced thermal barrier) – жесткий трехкомпонентный плиточный материал, содержащий кремниевые, алюминиевые, а также алюмборсиликатные волокна. Максимальная температура эксплуатации таких плиток (без деградации) – 1 600°С.

-сплав вольфрама.

Рисунок 1.13 – ГЛА X-43A, Boeing, США, 2001 г. – настоящее время [29]

Рисунок 1.14 – ТЗП, используемые для ГЛА Х41А[30]

Стенды тепловых испытаний образцов материалов и элементов конструкций

Для испытания образцов высокотемпературных материалов и элементов тепловой защиты объектов аэрокосмической техники используется широкий диапазон стендов, среди которых ведущее место занимают плазмотроны и стенды радиационного нагрева.

Плазмотроны

У-13 ВПЧ, ФГУП ЦНИИмаш, Россия, 1988 г.

Плазмотрон У-13 ВЧП (рисунок 1.15) предназначен для работы, как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом режимах. Выходная мощность генератора плазмотрона составляет 1 МВт. Для данной установки характерен довольно широкий диапазон моделируемых параметров. Так, энтальпия газа может достигать 35 МДж/кг, давление на поверхности объекта испытания – 5 мбар, в качестве рабочих газов могут использоваться воздух, азот, аргон, углекислый газ, гелий и др. Коэффициент теплообмена составляет от 0,002 до 0,15 кг/(м2·с), а максимальный диаметр рабочей струи – 180 мм. Длительность испытаний может превышать 20 мин, а температура создаваемой плазмы достигает 11 000 К [31].

Благодаря безэлектродному способу нагрева, а также большим размерам плазменной струи, на данной установке проводились исследования многоразовых ТЗП аппаратов «Буран» (НПО «Молния, Россия»), «Гермес» (Dessault Aviation, Франция), «Союз-ТМА» (РКК «Энергия», Россия) «Хоуп» (Mitsubishi, Япония), «Фобос-Грунт» (НПО им. С.А. Лавочкина, Россия).

а)	б)

а) – внешний вид; б) испытуемый образец

Рисунок 1.15 –плазмотрон У-13 ВЧП, ФГУП ЦНИИмаш [32]

К исследовательским задачам, решаемым на плазмотроне У-13 ВЧП, относятся:

- изучение неравновесного теплообмена в высокотемпературных газовых потоках;

- изучение каталитической активности ТЗП, а также термостойкости противоокислительных покрытий;

- модифицирование материалов под действием высокотемпературного диссоциированного потока газа и др.

Высокочастотные индукционные плазмотроны ВГУ-3 и ВГУ-4, ФГБУН Институт проблем механики им. Ю.А. Ишлинского РАН, 2005 г.

Плазмотрон ВГУ-4 (рисунок 1.16) мощностью 100 кВт предназначен для проведения исследовательских работ и испытания образцов материалов размерами от 20 до 50 мм. Плазматрон может работать в дозвуковых и сверхзвуковых режимах со звуковыми соплами диаметром выходного сечения 50, 40, 30, 16 мм и со щелевым соплом с размерами выходного сечения (80×16) мм² [33].

Технические характеристики индукционного плазмотрона ВГУ-4 приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические характеристики плазмотрона ВГУ-4 [33]

Плазмотрон ВГУ-3 (рисунок 1.16) мощностью 1 МВт предназначен для проведения исследовательских работ и испытания образцов материалов и фрагментов теплозащиты размерами от 50 до 250 мм. Плазматрон может работать в дозвуковых и сверхзвуковых режимах со звуковыми соплами диаметром выходного сечения 80, 60, 40, 20 мм и со щелевым соплом с размерами выходного сечения (80×16) мм². На данной установке можно проводить испытания плоских пластин, обтекаемых под углом атаки, а также острых и скруглённых передних кромок крыла [33].

Технические характеристики индукционного плазмотрона ВГУ-3 приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Технические характеристики плазмотрона ВГУ-3 [33]

а)	б)

а) – внешний вид; б) испытуемый образец

Рисунок 1.16 – плазмотроны ВГУ-3 (передний план) и ВГУ-4 (задний план), ФГБУН«ИПМех РАН им. А.Ю. Ишлинского» [34]

Реализуемые на данных плазмотронах тепловые потоки могут изменяться в диапазоне от 5 до 2500 Вт/см².

К основным направлениям исследований, проводимых при помощи данного плазмотрона относятся:

- моделирование аэродинамического нагрева тел, входящих в атмосферу Земли и Марса на гиперзвуковых скоростях;

- исследование поведения и термохимической стойкости теплозащитных материалов в высокоэнтальпийных газовых потоках;

- исследование теплообмена и выявление каталитических свойств ТЗП по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов кислорода и азота и молекул окиси углерода.

«Plasmatron», The Von Karman Institute for Fluid Dynamics, Бельгия

В Фон Кармановском институте гидродинамики установлен плазмотрон (рисунок 1.17) мощностью 1,2 МВт, способный воспроизводить давление от 5 до 400 мбар, с плотностью теплового потока до 5 МВт/м² и энтальпией потока от 10 до 100 МДж/кг. Воспроизводимая температура может достигать 10 000 К. Рабочими средами являются воздух, азот, аргон и углекислый газ [35].

а)	б)

а) – внешний вид; б) испытуемый образец

Рисунок1.17 – «Plasmatron», The Von Karman Institute for Fluid Dynamics [35]

Таким образом, существует ряд плазмотронов для воспроизведения воздействия высокоэнтальпийных потоков газа на элементы ТЗП и испытания высокотемпературных материалов, применяющихся при создании объектов аэрокосмической техники.

К достоинствам плазмотронов следует отнести:

-условия теплообмена на поверхности объекта испытаний соответствуют условиям эксплуатации изделия;

- среда, в которой проводятся испытаний, соответствует реальным условиям эксплуатации изделия по химическому составу, давлению газа, а также наличию твердых и жидких частиц;

-возможность достижения температуры поверхности объекта испытаний свыше 2400 К;

-воспроизводится комбинированное тепловое и силовое воздействие на объект испытаний;

В тоже время плазмотроны не свободны от таких недостатков как:

-сложность измерения температуры в объеме образца, связанная с наводками СВЧ поля на контактные датчики температуры;

-необходимость защиты датчиков температуры от воздействия высокотемпературной плазменной струи;

-трудности воспроизведения быстропеременных во времени тепловых потоков;

-высокая стоимость обслуживания и эксплуатации;

-ограниченное количество имеющегося в настоящее время в эксплуатации экспериментального оборудования;

В связи с этим подавляющее большинство задач, связанных с отработкой теплозащитных материалов и конструкций решается с помощью сравнительно недорогих и простых в эксплуатации стендов радиационного нагрева.