Исследование абляционных свойств углеродных теплозащитных материалов (Обзор)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрено современное состояние исследований по изучению абляционных свойств углеродных теплозащитных материалов для космических аппаратов применительно к условиям их движения в атмосфере Земли. Проанализированы различные углерод-полимерные композиты, которые являются основным и наиболее универсальным классом теплозащитных материалов благодаря их способности адаптироваться к различным тепловым нагрузкам. Сделан критический обзор физико-химических процессов, протекающих при абляции углеродсодержащих композитов, а также методов их моделирования. Проведен анализ экспериментальных установок, используемых для исследования абляционных свойств углеродных теплозащитных материалов, рассмотрены принципы их работы, потенциал использования и ограничения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. Я. Герасимов

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru

Институт механики 

Россия, Москва

В. Ю. Левашов

МГУ им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: vyl69@mail.ru

Институт механики 

Россия, Москва

П. В. Козлов

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru

Институт механики 

Россия, Москва

Н. Г. Быкова

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru

Институт механики

Россия, Москва

И. Е. Забелинский

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru

Институт механики

Россия, Москва

Список литературы

  1. Uyanna O., Najafi H. // Acta Astronaut. 2020. V. 176. P. 341. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.06.047
  2. Efremov A.V., Efremov E.V., Tiaglik M.S. et al. // Ibid. 2023. V. 204. P. 900. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.10.056
  3. Brandis A.M., Cruden B.A. // AIAA Paper. 2017. № 2017-1145. https://doi.org/10.2514/6.2017-1145
  4. Герасимов Г.Я., Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 17. https://doi.org/10.31857/S0207401X22080027
  5. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.И., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 34. https://doi.org/10.31857/S0207401X23100047
  6. Суржиков С.Т. // Хим. физика. 2010. Т. 29. № 7. С. 48.
  7. Zhao Y., Huang H. // Acta Astronaut. 2020. V. 169. P. 84. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.01.002
  8. Koo J.H., Ho D.W.H., Bruns M.C., Ezekoye O.A. // AIAA Paper. 2007. № 2007-2131. https://doi.org/10.2514/6.2007-2131
  9. Kumar C.V., Kandasubramanian B. // Ind. Eng. Chem. Res. 2019. V. 58. P. 22663. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b04625
  10. Buffenoir F., Zeppa C., Pichon T., Girard F. // Acta Astronaut. 2016. V. 124. P. 85. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.02.010
  11. Barcena J., Garmendia I., Triantou K. et al. // Ibid. 2017. V. 134. P. 85. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.01.045
  12. Li W., Zhang Z., Jiang Z. et al. // Aerosp. Sci. Technol. 2022. V. 126. № 107647. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107647
  13. Zhao Z., Li K., Kou G., Li W. // Corros. Sci. 2020. V. 206. № 110496. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110496
  14. Barbante P.F. // J. Thermophys. Heat Transf. 2006. V. 20. P. 493. https://doi.org/10.2514/1.17185
  15. Liu F., Yang J., Xiao X. et al. // Meas. Sci. Technol. 2022. V. 33. № 095004. https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac6b17
  16. Fagnani A., Helber B., Hubin A., Chazot O. // Ibid. 2023. V. 34. № 075401. https://doi.org/10.1088/1361-6501/acc67c
  17. Kihara H., Hatano M., Nakiyama N., Abe K., Nishida M. // Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci. 2006. V. 49. № 164. P. 65. https://doi.org/10.2322/tjsass.49.65
  18. Bailey S.C.C., Bauer D., Panerai F. et al. // Exp. Therm. Fluid Sci. 2018. V. 93. P. 319. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2018.01.005
  19. Ringel B.M., Boesch H.J., Oruganti S. et al. // AIAA Paper. 2024. № 2024-0649. https://doi.org/10.2514/6.2024-0649
  20. Radhakrishnan G., Adams P.M., Bernstein L.S. // J. Appl. Phys. 2023. V. 134. № 013303. https://doi.org/10.1063/5.0153331
  21. Park C., Bogdanoff D.W. // J. Thermophys. Heat Transf. 2006. V. 20. P. 487. https://doi.org/10.2514/1.15743
  22. D’Souza M.G., Eichmann T.N., Potter D.F. et al. // AIAA J. 2010. V. 48. P. 1557. https://doi.org/10.2514/1.J050207
  23. Bleilebens M., Olivier H. // Shock Waves 2006. V. 15. P. 301. https://doi.org/10.1007/s00193-006-0025-2
  24. Mansour N.N., Panerai F., Lachaud J., Magin T. // Annu. Rev. Fluid Mech. 2024. V. 56. P. 549. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-030322-010557
  25. Milos F.S., Chen Y.-K. // J. Spacecr. Rockets 2013. V. 50. P. 137. https://doi.org/10.2514/1.A32302
  26. Chen W. // Int. J. Heat Mass Transf. 2016. V. 95. P. 720. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.12.031
  27. Huang Y.Z., Yu Yin, Hu Y.L., Yao Z.Y., Wu Dan // Acta Astronaut. 2024. V. 214. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.10.017
  28. Lopez B., Lino da Silva M. // AIAA Paper. 2016. № 2016-4025. https://doi.org/10.2514/6.2016-4025
  29. Sohn I., Li Z., Levin D.A. // Ibid. 2011. № 2011-3758. https://doi.org/10.2514/6.2011-3758
  30. Yang J., Ge J., Jing Z., Shang T., Liang J. // Int. J. Heat Mass Transf. 2024. V. 228. № 125658. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125658
  31. Zibitsker A.L., McQuaid J.A., Fu R., Brehm C., Martin A. // AIAA Paper. 2024. № 2024-1479. https://doi.org/10.2514/6.2024-1479
  32. Гуняев Г.М., Гофин М.Я. // Авиационные материалы и технологии. 2013. № S1. С. 62.
  33. Николаев А.И. // Тонкие химические технологии. 2015. Т. 10. № 2. С. 61.
  34. Чуканов Н.В., Ларикова Т.С., Дремова Н.Н. и др. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 3. С. 71. https://doi.org/10.31857/S0207401X20030036
  35. Иким М.И., Спиридонова Е.Ю., Громов В.Ф., Герасимов Г.Н., Трахтенберг Л.И. // Хим. физика. 2024. Т. 43. № 1. С. 102. https://doi.org/10.31857/S0207401X24010128
  36. Соколкин Ю.В., Вотинов А.М., Ташкинов А.А., Постных А.М., Чекалкин А.А. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. М.: Физматлит, 1996.
  37. Дмитриенко Ю.И. Механика композитных конструкций при высоких температурах. М.: Физматлит, 2019.
  38. Jones F.R. Composites Science, Technology and Engineering. Cambridge: Univ. Press, 2022.
  39. Johnson S.M. // Engineering Ceramics: Current Status and Future Prospects/Eds. Ohji T., Singh M. New York: Wiley, 2015. P. 224. https://doi.org/10.1002/9781119100430.ch12
  40. Natali M., Kenny J.M., Torre L. // Prog. Mater. Sci. 2016. V. 84. P. 192. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.08.003
  41. Chinnaraj R.K., Kim Y.C., Choi S.M. // Materials 2023. V. 16. P. 5929. https://doi.org/10.3390/ma16175929
  42. Behrens B., Müller M. // Acta Astronaut. 2004. V. 55. P. 529. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2004.05.034
  43. Резник С.В., Колесников А.Ф., Просунцов П.В., Михайловский К.В. // Инж.-физ. журн. 2019. Т. 29. № 2. С. 322. https://doi.org/10.1007/s10891-019-01934-6
  44. Paglia L., Genova V., Tirillò J. et al. // Appl. Compos. Mater. 2021. V. 28. P. 1675. https://doi.org/10.1007/s10443-021-09925-8
  45. Reynier P. // Acta Astronaut. 2013. V. 83. P. 175 (2013). https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.06.016
  46. Lachaud J., Aspa Y., Vignoles L. // J. Heat Mass Transf. 2008. V. 51. P. 2614. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.01.008
  47. Sahoo S.K., Mohanty S., Nayak S.K. // Prog. Org. Coat. 2015. V. 88. P. 263. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2015.07.012
  48. Shi S., Lei B., Li M. et al. // Ibid. 2020. V. 143. № 105609. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2020.105609
  49. Pulci G., Tirillò J., Marra F. et al. // Composites 2010. V. A41. P. 1483. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2010.06.010
  50. Srikanth I., Padmavathi N., Kumar S. et al. // Compos. Sci. Technol. 2013. V. 80. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2013.03.005
  51. Wang L., Li J., Li K., Wang Y., Ma C. // Chinese J. Aeronaut. 2024. V. 37. P. 471. https://doi.org/10.1016/j.cja.2023.11.005
  52. Kuppusamy R.R.P., Neogi S., Mohanta S. et al. // Adv. Mater. Sci. Eng. 2022. V. 2022. № 7808587. https://doi.org/10.1155/2022/7808587
  53. Kumar A., Ranjan C., Kumar K. et al. // Polymers. 2024. V. 16. P. 1461. https://doi.org/10.3390/polym16111461
  54. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 4. С. 64. https://doi.org/10.31857/S0207401X23040040
  55. Герасимов Г.Я., Хасхачих В.В., Сычев Г.А., Ларина О.М., Зайченко В.М. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. С. 24. https://doi.org/10.31857/S0207401X22110048
  56. Helber B., Turchi A., Magin T.E. // Carbon. 2017. V. 125. P. 582. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.09.081
  57. Qin F., Peng L., He G., Li J. // Corros. Sci. 2013. V. 77. P. 164. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2013.07.040
  58. Qin F., Peng L., He G., Li J., Yan Y. // Ibid. 2015. V. 90. P. 340. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2014.10.027
  59. Fradin M., Vignoles G.L., Ville C. et al. // Ibid. 2023. V. 221. № 111300. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111300
  60. Park C., Jaffe R.L., Partridge H. // J. Thermophys. Heat Transf. 2001. V. 15. P. 76. https://doi.org/10.2514/2.6582.
  61. Suzuki T., Fujita K., Ando K., Sakai T. // Ibid. 2008. V. 22. P. 382. https://doi.org/10.2514/1.35082
  62. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 12. С. 23. https://doi.org/10.31857/S0207401X21120104
  63. Yang J., Li W., Ge J. et al. // Int. J. Heat Mass Transf. 2023. V. 206. № 123962. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.123962
  64. Davuluri R.S.C., Zhang H., Tagavi K.A., Martin A. // Int. J. Multiphase Flow. 2023. V. 159. № 104287. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2022.104287
  65. Xu F., Zhu S., Hu J., Ma Z., Liu Y. // Materials 2020. V. 13. № 256. https://doi.org/10.3390/ma13020256
  66. Liu Z., Wang Y., Xiong X. et al. // Ibid. 2023. V. 16. № 2120. https://doi.org/10.3390/ma16052120.
  67. Park C. // J. Thermophys. Heat Transf. 1993. V. 7. P. 385. https://doi.org/10.2514/3.431
  68. Chen Y.-K., Milos F.S. // J. Spacecr. Rockets 2005. V. 42. P. 961. https://doi.org/10.2514/1.12248
  69. De Cesare M., Savino L., Ceglia G. et al. // Prog. Aerospace Sci. 2020. V. 112. № 100550. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2019.06.001
  70. Горский В.В., Гордеев А.Н., Дмитриева А.А., Колесников А.Ф. // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2008. Т. 6. № 1.
  71. Fagnani A., Helber B., Hubin A., Chazot O. // Infrared Phys. Technol. 2024. V. 139. № 105301. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2024.105301
  72. Oruganti S., Capponi L., Ringel B.M. et al. // AIAA Paper. 2024. № 2024-0861. https://doi.org/10.2514/6.2024-0863
  73. Uhl J., Owens W., Dougherty M. et al. // Ibid. 2011. № 2011-3618. https://doi.org/10.2514/6.2011-3618
  74. Grigat F., Loehle S., Zander F., Fasoulas S. // Ibid. 2020. № 2020-1706. https://doi.org/10.2514/6.2020-1706
  75. De Giacomo A., Hermann J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. № 183002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa6585
  76. Calver T.I., Bauer W.A., Rice C.A., Perram G.P. // Optical Eng. 2021. V. 60. № 057103. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.5.057103
  77. Панченко Ю.Н., Пучикин А.В., Ямпольская С.А. и др. // ЖТФ. 2022. Т. 92. С. 867. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.06.52516.32-22
  78. Diaz D., Hahn D.W. // Spectrochim. Acta B. 2020. V. 166. № 105800. https://doi.org/10.1016/j.sab.2020.105800
  79. Lewis S.W., Morgan R.G., McIntyre T.J., Alba C.R., Greendyke R.B. // J. Spasecr. Rockets. 2016. V. 53. P. 887. https://doi.org/10.2514/1.A33267
  80. Alba C.R., Greendyke R.B., Lewis S.W., Morgan R.G., McInture T.J. // Ibid. 2016. V. 53. P. 84. https://doi.org/10.2514/1.A33266
  81. Park C. Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics. New York, Wiley, 1990.
  82. Zhluktov S.V., Abe T. // J. Thermophys. Heat Transf. 1999. V. 13. P. 50. https://doi.org/10.2514/2.6400
  83. Whiting E., Park C., Liu Y., Arnold J., Paterson J. // NASA Ref. Publ. 1996. № 1389.
  84. Bianchi D., Nasuti F., Martelli E. // J. Spasecr. Rockets 2010. V. 47. P. 554. https://doi.org/10.2514/1.47995
  85. Başkaya A.O., Capriati M., Turchi A., Magin T., Hickel S. // Comp. Fluids 2024. V. 270. № 106134. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2023.106134
  86. Bird G.A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford: Clarendon Press, 1994.
  87. Jiang D., Wang P., Li J., Mao M. // Entropy 2022. V. 24. P. 836. https://doi.org/10.3390/e24060836
  88. Chen S., Stemmer C. // J. Spacecraft Rockets. 2022. V. 59. P. 1634. https://doi.org/10.2514/1.A35359
  89. Кусов А.Л., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2024. Т. 43. № 7. С. 47. https://doi.org/10.31857/S0207401X24070058
  90. Ramjatan S., Douglas J., Schwartzentruber T.E. // AIAA Paper. 2023. № 2023-3326. https://doi.org/10.2514/6.2023-3326
  91. Poovathingal S., Stern E.C., Nompelis I., Schwartzentruber T.E., Candler G.V. // J. Comput. Phys. 2019. V. 380. P. 427. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.02.043
  92. Gosma M., Stephani K.A. // AIAA Paper. 2022. № 2022-2356. https://doi.org/10.2514/6.2022-2356

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Области применения многократно используемых (REUS) и абляционных (ABL) TPS-материалов в зависимости от высоты H, давления p и скорости движения V спускаемого аппарата в атмосфере Земли: 1 – Space Shuttle, 2 – Apollo, 3 – возвращение с Марса, 4 – возвращение с дальних планет.

Скачать (80KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Микроструктура углеродного наполнителя TPS-материала: а – войлок и б – пена [49].

Скачать (500KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Основные абляционные процессы, протекающие на поверхности TPS-материала при высоких температурах.

Скачать (198KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Микрофотографии графитового материала до (а) и после (б) воздействия азотной плазмы [56].

Скачать (324KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фотография тестовой камеры электродуговой плазменной установки [41]. Стрелкой показан поток низкотемпературной плазмы.

Скачать (79KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схема экспериментальной установки [20] для изучения лазерной абляции C/C-композита: 1 – эксимерный лазер, 2 – вакуумная камера, 3 – факел продуктов абляции, 4 – образец, 5 – УФ-линзы, 6 – ICCD-камера, 7 – спектрометр, 8 – оптоволокно.

Скачать (48KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Схематическое изображение тестового участка ударной установки X2 [79]: 1 – сопло ударной установки, 2 – опорная стойка модели, 3 – медные электроды, 4 – графитовая модель.

Скачать (48KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение расчетных спектров радиационного теплового потока Q в точке торможения без учета (1) и с учетом (2) процесса химической абляции при движении космического аппарата Stardust в атмосфере Земли [29].

Скачать (93KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025