Цели и задачи
Целью данного курса является знакомство студентов с аэродинамическим нагреванием гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) и методами их тепловой защиты. Курс включает в себя основные понятия гиперзвуковой аэродинамики и пограничного слоя, которые и раскрывают причину экстремального нагревания ГЛА. Приводится классификация видов ГЛА и режимов их обтекания. Большое внимание уделяется теплообмену в особых областях ГЛА, под которыми понимаются зоны глобального и локального отрыва и присоединения потока. Рассматриваются причины, вызывающие отрыв, например, на опыте исследования многоблочных компоновок тяжелых ракет-носителей типа «Ангара». Рассматриваются проблемы ламинарно-турбулентного перехода.
Рассматриваются инженерные методы расчета тепловых потоков при гиперзвуковом обтекании и экспериментальные способы их определения. Рассматриваются способы тепловой защиты ГЛА, их сравнительные характеристики и методы расчета.
Разделы
1. Введение. Проблема аэродинамического нагревания и теплозащиты. ГЛА различного назначения. Примеры аэродинамического нагревания ГЛА на примерах исследований в России и за рубежом. Противоречия между требованиями к ГЛА аэродинамиков и термоаэродинамиков.
2. Определяющие параметры гиперзвуковых течений реального газа. Элементарная теория аэродинамического подобия. Роль частичного моделирования в аэродинамических трубах. Траектории характерных видов ГЛА. Стандартная атмосфера.
3. Классификация режимов обтекания ГЛА. Вязкий ударный слой. Режим вихревого взаимодействия. Режим пограничного слоя. Поглощение энтропийного слоя. Вязко-невязкое взаимодействие.
4. Неравновесные физико-химические процессы, происходящие в высокотемпературном газе и их влияние на аэродинамику и теплообмен. Замороженное и равновесное течение за ударной волной. Бинарное подобие.
5. Некоторые методы расчета конвективных тепловых потоков к каноническим телам (сфера, цилиндр, торец, конус, пластина). Радиационно-равновесная температура. Формулы для расчетов ламинарного и турбулентного теплообмена на пластине и конусе.
6. Ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое на поверхности ГЛА. Критерии перехода. Роль нерегулярностей поверхности в турбулизации пограничного слоя.
7. Теплообмен в особых областях ГЛА: отрывные области, области интерференции скачков уплотнения с пограничным слоем, теплообмен в областях нерегулярностей поверхности (уступы, каверны, зазоры) и т. д. на примере исследований компоновки тяжелой ракеты-носителя «Ангара». Методы расчета температуры и давления.
8. Использование аэродинамических труб (АДТ) для исследования аэродинамического нагревания ГЛА. Типы АДТ. Принципы моделирования. Методы исследования теплообмена: непрерывные (термоиндикаторы, люминофоры), дискретные (датчики). Перенос результатов измерения на условия натурного полета.
9. Методы тепловой защиты ГЛА: поглощение тепла, излучение, абляция, активные способы. Границы применения различных методов теплозащиты.
В результате освоения дисциплины «Аэродинамическое нагревание и теплозащита гиперзвуковых летательных аппаратов» студент должен:
Знать: причины аэродинамического нагревания ГЛА, виды ГЛА, особенности аэродинамического нагревания в отрывных областях и в области ламинарно-турбулентного перехода, влияние реальных свойств газа, методы исследования аэродинамического нагревания, основные принципы моделирования (параметры подобия), методы тепловой защиты.
Уметь: по виду ГЛА прогнозировать области его экстремального нагрева, выбирать определяющие параметры, управляющие нагревом ГЛА. В зависимости от уровня нагрева выбирать оптимальную систему теплозащиты.
Владеть: инженерными методами расчета теплового потока к каноническим телам: сфера, конус, пластина, клин. Инженерными методами расчета влияния неровностей на положение ламинарно-турбулентного перехода.
Рекомендуемая литература
1. Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. М.: Физматлит. 2007.
2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука. 1974.
3. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. Под редакцией академика В.С. Авдуевского. М.: Машиностроение. 1992.
4. Нейланд В.Я., Тумин А.М. Аэротермодинамика воздушно-космических самолетов. Конспект лекций. Жуковский. 1991.
5. Нейланд В.Я., Боголепов В.В., Дудин Г.Н., Липатов И.И. Асимптотическая теория сверхзвуковых течений вязкого газа. М.: Физматлит. 2004.
6. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия. 1976.
7. Аэродинамика ракет. Под ред. М. Хемша и Дж. Нилсена. В 2-х книгах. М.: «Мир». 1989.
8. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. М.: Физматлит. 2002.
9. Харитонов А.М. Техника и методы аэрофизического эксперимента. Ч. 1. Аэродинамические трубы и газодинамические установки. Ч. 2. Техника и методы аэрофизического эксперимента. Учебники НГТУ. Новосибирск. 2005, 2007.
Дополнительная литература
1. Тимошенко В.И. Газовая динамика высокотемпературных технологических процессов. Днепропетровск. 2003.
2. Проблемы и достижения прикладной математики и механики. Сборник научных трудов. К 70-летию академика В.М. Фомина. Новосибирск. 2010.
3. Гофин М.Я. Жаростойкие теплозащитные конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов. М.: «ТФ Мир». 2003.
