Numerical modeling of a wing leading-edge thermal regimes for a reusable space vehicle

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Throughout the history of human exploration of outer space, work is underway to reduce the cost of bringing cargo into space. One of the technically feasible solutions to achieve this is the use of smallsized reusable aerospace vehicles. As the new thermal protection materials are developed, they are employed for the construction of the reusable aerospace vehicles (RSV). In this paper, the assessment is given of the possibility of making RSV wing leading edge from an Al2O3 fiber based heat-resistant porous ceramic. The main advantages of using such material are its relatively low values of thermal conductivity and density, which makes it possible to improve weight characteristics of the RSV. The material of the support structure is heat-resistant carbon fiber reinforced polymer (CFRP). Due to the porous nature of such thermal protection system (TPS), it is necessary to consider the effect of air pressure on the thermal conductivity of the material. Therefore, a computational mathematical model is proposed that allows one to take into account this dependence of thermal conductivity on temperature and pressure for the wing edge porous TPS of an aerospace vehicle, during its re-entry in the atmosphere. Based on the temperature field inside the leading edge, the minimum thickness of the thermal protection coating was determined so that the support structure temperature stays within its maximum permissible operating range. It is shown that the Al2O3 heat-resistant porous ceramic can provide the required thermal protection, so that the maximum temperature of the composite support structure does not exceed 250 °C on the entire re-entry flight path.

Sobre autores

Ivan Bodnya

Bauman Moscow State Technical University (National research university of technology)

Autor responsável pela correspondência
Email: ivanbodnya@gmail.com

master student at Bauman Moscow State Technical University in the Mechanical engineering department SM-13 “Space-Rocket Composite Designs”. Research interests: heat transfer, thermal regimes of space vehicles

5/1, 2-nd Baumanskaya str., Moscow, 105005, Russian Federation

Valery Timoshenko

Bauman Moscow State Technical University (National research university of technology)

Email: moltim@yandex.ru

professor at Bauman Moscow State Technical University in the Mechanical engineering department SM-13 “Space-Rocket Composite Designs”. Research interests: heat transfer, thermal protection of space vehicles, space vehicles tests.

5/1, 2-nd Baumanskaya str., Moscow, 105005, Russian Federation

Bibliografia

  1. Dumbacher D. NASA’s Second Generation Reusable Launch Vehicle Program Introduction, Status and Future Plans. In: 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit [Internet]. Huntsville, Alabama: AIAA; 2002. Available from: http://dx.doi. org/10.2514/6.2002-3613
  2. Wang Z., Huang S., Shen L., Zhou H., Zhi J. Conceptual evaluation of multi-purpose aerospace plane. Russian-American scientific journal: Actual problems of aviation and aerospace systems: processes, models, experiment. Nanjing, China, 2014, 1(38), 45—57.
  3. Johnson S.M. Thermal Protection Materials: Development, Characterization and Evaluation. Munich, Germany. 2012.
  4. Daryabeigi K., Knutson J.R., Cunnington G.R. Heat Transfer Measurement and Modeling in Rigid High-Temperature Reusable Surface Insulation Tiles. AIAA. 2011; 345: 2011.
  5. Nanowick L., Flow C. Lightweight Thermal Protection System for Atmospheric Entry. NASA Tech Briefs. 2007; (October 2007): 20–21.
  6. Desarrollo y Defensa [Internet]. [cited 2017 Oct 13]. Available from: http://desarrolloydefensa. blogspot.ru/2017_07_09_archive.html (accessed: 05.10.2017).
  7. Lozino-Lozinsky G., Timoshenko V. “Lessons learned from the BOR flight campaign”. In: Proceedings of the 3rd European Symposium on Aerothermodynamics for space vehicles. ESTEC; 1999. Pp. 9.
  8. Gofin M. Thermal protection and hot structures of reusable space vehicles. Moscow: MIR publ. 2003. 637. (In Russ.).
  9. Glass D.E. Ceramic Matrix Composite (CMC) Thermal Protection Systems (TPS) and Hot Structures for Hypersonic Vehicles. Seminar. 2008; 2682(May): 1—36.
  10. Jenkins D.R., Landis T., Miller J. American X-Vehicles: An Inventory-X-1 to X-50. Monographs in Aerospace History. 2003. 65.
  11. Palmer G., Polsky S. Aerothermal Analysis of the X-34 Vehicle. Access in Space. 1998;(January 2014): 84—86.
  12. Hilfer G. Flight Qualification Testing of X-38 TPS Components Lessons Learned. In: A. Wilson, editor. Hot Structures and Thermal Protection Systems for Space Vehicles, Proceedings of the 4th European Workshop. Palermo, Italy: European Space Agency; p. p. 169.
  13. Stewart D.A., Leiser D.B., DiFiore R.R., Katvala V.W. High efficiency tantalum-based ceramic composite structures [Internet]. Vol. 1. 2010. Available from: http://www.google.com/patents/ US7767305%5Cnhttp:// patentimages.storage.googleapis.com/pdfs/US7767305.pdf (accessed: 25.09.2017).
  14. Ralf R., I-Wei C. Ceramics Science and Technology. Volume 1: Structures. In Wiley-VCH; 2008. p. 565—566.
  15. European Space Agency. Skylon Assessment Report. Noordwijk, Netherlands; 2011.
  16. Kuczera H., Sacher P.W. Reusable Space Transportation Systems [Internet]. Berlin: Springer Berlin Heidelberg; 2011. Available from: http://www.springer.com/us/book/9783540891802 (accessed: 01 Oct 2017).
  17. Rufolo G., Roncioni P., Marini M. USV FTB-1 Reusable vehicle aerodatabase development. 2007.
  18. NASA, SNC. Photo of Dream Chaser [Internet]. Available from: https://www.nasa.gov/sites/ default/files/2013-3230_0.jpg (accessed: 05 Oct 2017).
  19. Pezzella G., Battista F., Schettino A., Marini M., Matteis P.De. Hypersonic Aerothermal Environment Preliminary Definition of the Cira Ftb-X Reentry Vehicle. Environment. 2007; (November): 1—25.
  20. Viviani A., Pezzella G. Heat Transfer Analysis for a Winged Reentry Flight Test Bed. International Journal of Engineering. 2009; 3(3): 329—345.
  21. Ii F., Ingegneria F.DI, Di D., In R., Aerospaziale I. a Study of a High Lift Wing-Body Configuration for Low Earth Orbit Re-Entry. 140.
  22. Tatsuki O., Mrityunjay S. Engineered Ceramics: Current Status and Future Prospects. New Jersey: John Wiley & Sons; 2015. 232 p.
  23. Gribkov B.N., Mizurina G.T., Shetanov B.V., Lyapin V.V. Possibilities of fibrous thermal protection. In: Proceedings of the First International Aviation Conference ‘Man-Earth-Space’. Moscow: Russian Engineering Academy. Sec. ‘Aerospace’; 1995. p. 223—231.
  24. Shalin R.E., Zinoviev S.N., Pomerantsev K.P., Moiseev E.B., Shepeleva L.I. Thermostable carbon plastic KMU-8. Aviation industry, 1987, (5), 53—55. (In Russ.).
  25. Stewart D.A., Leiser D.B. Toughened Uni-piece, Fibrous, Reinforced, Oxidization-Resistant Composite. Vol. 1. USA; 7314648, 2008.
  26. Kostylev V.M. Thermal conductivity of dispersed bodies at different atmospheric pressure. Thermal physics of high temperatures. 1964. 2(1), 1—18. (In Russ.).
  27. Surzhikov S.T., Shuvalov M.P. Analysis of radiation-convective heating of four types of descent space vehicles. Physico-chemical kinetics in gas dynamics. 2014. 15(4). 1—18 (in Russ.).
  28. Bobylev A.V., Vaganov A.V., Dmitriev V.G., Zadonsky S.M., Kireev A.Y., Skuratov A.S., et al. Development of aerodynamic configuration and research of aerothermodynamic characteristics of a small-sized winged space vehicle. Scientific notes TsAGI. 2009, XL(3), 3—15. (In Russ.).
  29. Denisov O., Minakov D., Kirbay A. Methodical Specifics of Thermal Experiments with Thin Carbon Reinforced Plates. Science and Education of the Bauman MSTU [Internet]. 2015. (7). 171—184. Available from: http://technomag.bmstu.ru/doc/781946.html (accessed: 13.08.2017).
  30. Nguyen V., Poladian D., Falangas E., Chaudhary A., Tran H. Dynamics and stability and control characteristics of the X-37. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2001; 1—10.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».