Приближенный термический анализ нагрева и деформации пластины C/C-SiC в двигателе ГПВРД


Просмотр статьи
PDF, 1004,9 КБ

Approximate thermal analysis of heating and deformation of a C/C-SiC plate in a scramjet engine

The paper provides a brief overview of heat-resistant materials used by the United States, Germany and Australia the creation of high-speed aircraft. A simplified mathematical model of heating and deformation processes in a C/C-SiC plate based on thermoelasticity equations is formulated. The problem statement is as follows: for a composite plate lo-cated on the scramjet engine housing, under given thermal effects and properties of the construction materials, the fields of temperatures, displacements, components of stress and strain tensors are determined. The heating and deformation values in the C/C-SiC plate are estimated.

mathematical modeling, thermal deformation, development of numerical methods, aircraft

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.2.1037


Том 24, выпуск 2, 2023 год



В работе приведен краткий обзор основных конструкционных материалов приме-няемых США, Германией и Австралией при создании высокоскоростных летатель-ных аппаратов (ВЛА). Сформулирована упрощенная математическая модель про-цессов нагрева и деформации в пластине C/C-SiC, основанная на уравнениях тер-моупругости. Постановка задачи выглядит следующим образом: для композитной пластины, располагающейся на корпусе гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), при заданных тепловых воздействиях и свойствах материалов конструкции определяются поля температур, перемещений, компонент тензоров напряжений и деформаций. Выполнена оценка величины нагрева и де-формации в пластине C/C-SiC.

математическое моделирование, термическая деформация, разработка численных методов, летательный аппарат

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.2.1037


Том 24, выпуск 2, 2023 год



1. Лунёв В.В. Течение реальных газов с большими скоростями. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 760 с.
2. Кузенов В. В., Дикалюк А. С. Реализация приближенного метода расчета конвектив-ного теплообмена вблизи поверхности ГЛА сложной геометрической фор-мы//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2017. Т.18, вып. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2017-18-2/.
3. Суржиков С.Т., Яцухно Д.С. Анализ летных данных по конвективному и радиацион-ному нагреву поверхности спускаемого марсианского космического аппарата Schia-parelli // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 74-85.
4. Суржиков С.Т. Аэрофизика обтекания затупленного клина конечных размеров // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 5. С. 89-102.
5. Суржиков С.Т. Расчетный анализ ионизации сжатого слоя при входе космического аппарата Schiaparelli в плотные слои атмосферы Марса // Изв. РАН. МЖГ. 2020. № 3. С. 80-92.
6. Суржиков С. Т. Радиационно-конвективный нагрев марсианского аппарата EDL MSL под углом атаки //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т.16, вып. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-2/articles/604/.
7. Суржиков С. Т., Шувалов М. П. Анализ радиационно-конвективного нагрева четырех типов спускаемых космических аппаратов //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-4/articles/237/.
8. Суржиков С. Т. Радиационный нагрев поверхности сверхорбитальных спускаемых космических аппаратов с учетом атомных линий//Физико-химическая кинетика в га-зовой динамике. 2014. Т.15, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-4/articles/235/.
9. Суржиков С. Т. Моделирование радиационно-конвективного нагрева модельных ка-мер ПВРД на водородном и углеводородном топливе//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-3/articles/230/.
10. Seleznev R.K., Surzhikov S.T., Shang J.S. A review of the scramjet experimental data base // Prog. Aerosp. Sci. Elsevier Ltd, 2019. Vol. 106, № February. P. 43–70.
11. Nelson H.F. Radiative heating in scramjet combustors // J. Thermophys. Heat Transf. 1997. Vol. 11, № 1. P. 59–64.
12. Bouchez M. et al. Combustor and material integration for high speed aircraft in the european research program ATLLAS2 // AIAA Aviat. 2014 -19th AIAA Int. Sp. Planes Hypersonic Syst. Technol. Conf. 2014. № June. P. 1–17.
13. Tenney D.R., Lisagor W.B., Dixon S.C. Materials and structures for hypersonic vehicles // J. Aircr. 1989. Vol. 26, № 11. P. 953–970.
14. Steelant J. ATLLAS: Aero-Thermal loaded material investigations for high-speed vehicles // 15th AIAA Int. Sp. Planes Hypersonic Syst. Technol. Conf. 2008. № May. P. 1–11.
15. Choubey G., Suneetha L., Pandey K.M. Composite materials used in Scramjet- A Review // Mater. Today Proc. Elsevier Ltd, 2018. Vol. 5, № 1. P. 1321–1326.
16. https://www.ulbrich.com/alloys/haynes-230-uns-n06230/ [Electronic resource].
17. https://www.specialmetals.com/documents/technical-bulletins/inconel/inconel-alloy-n06230.pdf [Electronic resource]. 2009. Vol. 58, № 3.
18. Balat-Pichelin M. et al. Emissivity at high temperature of Ni-based superalloys for the design of solar receivers for future tower power plants // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2021. Vol. 227, № April.
19. https://www.ulbrich.com/alloys/hastelloy-x-uns-n06002/ [Electronic resource].
20. https://haynesintl.com/docs/default-source/pdfs/new-alloy-brochures/high-temperature-alloys/brochures/x-brochure.pdf?sfvrsn=15b829d4_40 [Electronic resource] // Haynes Inter-national. 1997. Vol. 06002, № 2. URL: http://www.haynes.ch/doc/HASTELLOY_X.pdf.
21. https://www.specialmetals.com/documents/technical-bulletins/inconel/inconel-alloy-600.pdf [Electronic resource].
22. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=7682 [Electronic resource].
23. https://www.specialmetals.com/documents/technical-bulletins/inconel/inconel-alloy-718.pdf // Alloy Dig. 2021. Vol. 70, № 8.
24. https://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=mtp641 [Electronic resource].
25. Li L. et al. Study of Ti-6Al-4V alloy spectral emissivity characteristics during thermal oxida-tion process // Int. J. Heat Mass Transf. Elsevier Ltd, 2016. Vol. 101. P. 699–706.
26. Zhang W.J., Reddy B. V., Deevi S.C. Physical properties of TiAl-base alloys // Scr. Mater. 2001. Vol. 45, № 6. P. 645–651.
27. Eswara Prasad N., Gokhale A.A., Wanhill R.J.H. Aluminium–Lithium Alloys // Aerospace Materials and Material Technologies. 2017. Vol. 76, № 2. P. 53–72.
28. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=wrought_aluminum-lithium_alloy_8090 [Electronic resource].
29. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=8789 [Electronic resource].
30. Lanc Z. et al. Emissivity of aluminium alloy using infrared thermography technique // Mater. Tehnol. 2018. Vol. 52, № 3. P. 323–327.
31. https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=326 [Electronic resource].
32. Darolia R., Walston W.S., Nathal M.V. Nial Alloys for Turbine Airfoils. 2012. P. 561–570.
33. https://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?MatGUID=2fbd533d5e2e4d3fb9c870b0494fd333 [Electronic resource].
34. Wang C. et al. Elastic and thermodynamic properties of NIAL and NI3AL from first-principles calculations // Int. J. Mod. Phys. B. 2011. Vol. 25, № 27. P. 3623–3631.
35. Semboshi S. et al. Thermal conductivity of Ni3V-Ni3Al pseudo-binary alloys // Intermetal-lics. 2015. Vol. 59. P. 1–7.
36. https://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=def5042583114c32ab6967c975c5c172&n=1&ckck=1 [Electronic resource].
37. Piatkowski J., Przeliorz R., Jabłońska M. The specific heat capacity and oxidation kinetics of NiAl, FeAl and TiAl alloys // Solid State Phenom. 2013. Vol. 203–204, № May 2014. P. 431–434.
38. https://www.azom.com/properties.aspx?ArticleID=512 [Electronic resource].
39. https://www.azom.com/properties.aspx?ArticleID=53 [Electronic resource].
40. Mironov R.A. et al. Spectral and Total Emissivity of the Reaction Bonded Silicon Nitride // Refract. Ind. Ceram. 2017. Vol. 58, № 4. P. 434–438.
41. https://www.nedal.com/wp-content/uploads/2017/11/Nedal-alloy-Datasheet-EN-AW-6060.pdf [Electronic resource].
42. Ganiev I.N. et al. Heat capacity and thermodynamic functions of E-AlMgSi (Aldrey) alumi-num conductor alloy doped with gallium // Mod. Electron. Mater. 2020. Vol. 6, № 1. P. 25–30.
43. https://www.euralliage.com/6060_english.htm [Electronic resource].
44. Van Der Meer P.L.A.C.M., Giling L.J., Kroon S.G. The emission coefficient of silicon coat-ed with Si3N4 or SiO2 layers // J. Appl. Phys. 1976. Vol. 47, № 2. P. 652–655.
45. http://thermalinfo.ru/eto-interesno/stepen-chernoty-poverhnosti-materialov-metallov-dielektrikov [Electronic resource].
46. Demirbas M.D., Apalak M.K. Thermal stress analysis of one- and two-dimensional function-ally graded plates subjected to in-plane heat fluxes // Proc. Inst. Mech. Eng. Part L J. Mater. Des. Appl. 2019. Vol. 233, № 4. P. 546–562.
47. В. Е. Зиновьев. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах.
48. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.
49. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3т. Т. 1/В. И. Анурьев; 8-е изд., перераб и доп. Под ред. И. Н. Жестковой. — М.: Машиностроение, 2001. — С. 34. ISBN 5-217-02963-3.
50. Shu S. et al. Study of the normal spectral emissivity of tungsten between 170 and 500 °C by a single-wavelength infrared thermometer // Fusion Eng. Des. Elsevier B.V., 2021. Vol. 173, № August. P. 112848.
51. Glass D.E. et al. Testing of refractory composites for scramjet combustors // J. Propuls. Pow-er. 2016. Vol. 32, № 6. P. 1550–1556.
52. http://www.lookpolymers.com/pdf/Carlisle-201LD-Carbon-Carbon-Composite.pdf [Elec-tronic resource].
53. Scarponi C. Carbon–carbon composites in aerospace engineering // Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering. Elsevier, 2016. P. 385–412.
54. https://www.zircarzirconia.com/images/datasheets/ZZ-5021_Rev00_-_ZYF-100A.pdf?type=file [Electronic resource].
55. Ohlhorst C.W. et al. Development of X-43A Mach 10 Leading Edges // 56th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, the International Academy of Astronautics, and the International Institute of Space Law. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005. Vol. 8. P. 5290–5298.
56. Колесников А. Ф., Сахаров В. И. Газодинамические аспекты эксперимента по тепло-обмену поверхности ультравысокотемпературной керамики в недорасширенной струе диссоциированого воздуха //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23, вып. 6. http:
57. Hank J., Murphy J., Mutzman R. The X-51A Scramjet Engine Flight Demonstration Program // 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Confer-ence. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2008. № May. P. 1–13.
58. Glass D.E. et al. Testing of DLR C/C-SiC and C/C for HIFiRE 8 scramjet combustor // AI-AA Aviat. 2014 -19th AIAA Int. Sp. Planes Hypersonic Syst. Technol. Conf. 2014. № Jan-uary.
59. Guy, R. W., Rogers, R. C., Puster, R. L., Rock, K. E., and Diskin, G. S., “TheNASALang-ley ScramjetTest Complex,” 32ndAIAA, ASME, SAE, and ASEE, Joint Propulsion Confer-ence and Exhibit, AIAA Paper 1996-3243, 1996.
60. Driest, E. Turbulent Boundary Layer in Compressible Fluids // J. Aeronaut. sci. 1951 Vol. 18, no. 3.
61. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособие: Для вузов. В 10 т. Т. VII. Теория упругости. – 5-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003. – 264 с – ISBN 5-9221-0122-6 (Т. VII).
62. Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы: Учеб, пособие для вузов,—М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989.— 432 с.— ISBN 5-02-013996-3.
63. Daryabeigi K., Cunnington G.R., Knutson J.R. Combined heat transfer in high-porosity high-temperature fibrous insulation: Theory and experimental validation // J. Thermophys. Heat Transf. 2011. Vol. 25, № 4. P. 536–546.