НИОКР по созданию теплозащитных материалов для сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов в СШАКапитан Д. Таубенфедер Создание и принятие на вооружение гиперзвуковой техники является одним из основных приоритетов для командования ВВС США. Работы в этом направлении продолжаются в рамках принятого долгосрочного плана по развитию гиперзвуковой техники. В период с 2020 по 2025 год предусматривается создать гиперзвуковую крылатую ракету воздушного базирования, а в 2030-2035-м ожидается принятие на вооружение гиперзвукового разведывательного беспилотного летательного аппарата. В более отдаленной перспективе (к 2050 году) возможно появление воздушно-космического гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА). В настоящее время управлением перспективных исследований МО (ДАРПА) и ВВС США реализуется программа HSSW (High Speed Strike Weapon), рассчитанная до 2020 года. С учетом полученных результатов руководство Пентагона определит период, в течение которого будет осуществляться переход от фазы разработки до принятия на вооружение гиперзвуковой техники.
В программе HSSW участвуют специалисты фирм "Локхид-Мартин" и "Рейтеон", а также "Боинг". Первые две совместно разрабатывают боевой ГЛА TBG (Tactical Boost-Glide), который разгоняется с помощью ускорителя, а в дальнейшем полет осуществляется по инерции. Специалисты фирмы "Боинг" работают над созданием гиперзвукового летательного аппарата HAWC (Hypersonic Air-breathing Weapon Concept) с воздушно-реактивным двигателем. Сотрудники научно-исследовательской лаборатории ВВС США также активно проводят НИОКР в области создания гиперзвуковых средств, в частности многоразового ГЛА. С этой целью ведутся научные изыскания, направленные на разработку экспериментальных образцов прямоточных воздушно-реактивных двигателей со сверхзвуковым горением, керамических композиционных и других конструкционных материалов, выдерживающих высокотемпературные нагрузки. Результаты, полученные в ходе этих исследований, планируется использовать в разработках вышеуказанных фирм. Анализ проводимых в Соединенных Штатах НИОКР показывает, что одним из важнейших их направлений является создание высокотемпературных материалов, входящих в состав одной из ключевых систем тепловой защиты гиперзвукового летательного аппарата. Гиперзвуковые ЛА (в основном крылатые ракеты) будут иметь пассивную систему тепловой защиты, а многоразовые - комбинированную (пассивно-активную). НИОКР в области создания пассивной системы теплозащиты направлены на разработку: Исследованиями в области создания композиционных материалов на основе углерода, выдерживающих нагрев до 1 650°С, занимаются сотрудники фирм С-САТ (Carbon-Carbon Advanced Technologies, Inc.) и PWR (Pratt & Whitney Rocketdyne). В перспективе использование таких КМ позволит увеличить время действия системы тепловой защиты на 50% Так, специалистами С-САТ разработан экспериментальный образец материала в виде панелей из углеводородного волокна, пропитанного фенольной смолой, который затем был подвергнут уплотнению и пиролизу. Полученный материал представляет собой квазиизотропную многослойную структуру, покрытую слоем карбида кремния (SiC) и прекерамическим полимером нитрида кремния (Si3N4). Экспериментальный образец материала фирмы PWR представляет собой ингибированную основу типа "углерод-углерод", покрытую слоем нитрида кремния методом химического осаждения из газовой среды. При использовании в системе тепловой защиты жаростойких композиционных материалов, выдерживающих аэродинамический высокотемпературный нагрев свыше 1 650 °С, основной задачей является обеспечение устойчивого режима полета гиперзвукового ЛА в плотных слоях атмосферы в течение длительного периода времени (0,5-3 ч). Специалисты фирмы АТК ведут работы по созданию многослойного КМ типа "углерод-углерод" с добавлением иридия и модифицированного оксида гафния (HfO2). В условиях вакуума и высокотемпературной плазмы на этом КМ напыляется модифицированный оксид гафния, который затем вступает в химическую реакцию с молекулами углерода, образуя тем самым защитный слой, состоящий из карбида гафния. Затем на полученный слой напыляются молекулы иридия, что значительно повышает теплозащитные свойства материала. Другим разрабатываемым материалом является жаростойкий на основе прекерамического полимера. Исходный прекерамический полимер нагревается до температуры 1 980 °С, затем добавляется кристаллический карбид кремния. При данной температуре происходит графитизация и насыщение прекерамического полимера молекулами карбида кремния. В результате получается недорогой теплозащитный материал, обеспечивающий надежную изоляцию поверхности гиперзвукового ЛА при температуре до 2000 °С. Высокотемпературная многослойная теплоизоляция, необходимая для использования на одноразовых и многоразовых гиперзвуковых ЛА, должна иметь небольшой объем и малую массу, выдерживая при этом температуру свыше 1 650 °С. Кроме того, такая теплоизоляция должна надежно работать в условиях разреженной атмосферы. Специалисты фирмы RCI (Refractory Composites, Inc.) в качестве исходного материала использовали тонкую металлизированную фольгу, разделенную волокнистой керамической изоляцией. Существенным недостатком такой конструкции является необходимость точной обрезки фольги, ее фальцовки и сварки тонких швов. Устранить его удалось за счет использования метода электронно-лучевой и лазерной сварки в вакууме, позволяющего получать качественные сварные швы толщиной 0,008 мм. Для этого несколько слоев полученной изоляции помещают в термоизолированный контейнер, предварительно откачав оттуда воздух, чтобы свести к минимуму конвекционный перенос тепла. Негативная сторона данного метода заключается в необходимости наличия герметичного вакуумного контейнера, для создания которого требуется точная подгонка крышки до момента начала процесса сварки. Специалисты фирмы SMARF (Steve Miller Associates Research Foundation) использовали уже существующую многослойную изоляцию, однако за счет применения новых, высокотемпературных материалов удалось поднять верхнюю границу его рабочего температурного диапазона с 980 до 1 650 °С. Для этого использовалась кварцевая бумага, пропитанная связующим веществом на основе оксида алюминия (Аl2o3). Кроме того, на поверхность полученных пластин напыляется слой молекул золота или платины. Полученные экспериментальные образцы прошли испытания в диапазоне температур от 1 100 до 1 650 °С в течение шести нагрузочных циклов, которые были признаны успешными, так как в ходе них каких либо дефектов обнаружено не было. Работы в области высокотемпературных герметиков проводятся с целью получения новых материалов, выдерживающих многократные термические нагрузки. Предъявляемые к герметикам требования очень высокие, в частности они должны выдерживать высокотемпературные нагрузки (до 1 650 °С). Исследования идут по двум направлениям: создание керамических высокотемпературных герметиков и высокотемпературных герметиков на основе плетеного текстиля. Керамические высокотемпературные герметики состоят из нескольких слоев нитрида кремния или карбида кремния, обеспечивающих требуемую гибкость. Наряду с исследованиями по созданию композиционных материалов на основе углерода проводятся работы по созданию полимерных КМ с целью улучшения абляционных и термостойких свойств. Так, по заказу управления НИОКР МО США (Agency for Defense Development -ADD-09-01-04-09) американские и южнокорейские ученые привлекались к созданию новых композиционных материалов с улучшенными абляционными и термостойкими свойствами. Работы были направлены на разработку новых полимерных КМ и изучение их свойств. В качестве экспериментальных образцов применялись гидроксил полибутадиен полиуретановые (ГПБПУ) КМ, в которых в качестве присадки использовались молекулы полиэдрического олигомерного силиополуторного оксана (ПОСПО). Полиэдрический олигомерный силио-полуторный оксан необходим для создания новых полимеров или неорганических гибридных нанокомпозиционных материалов, так как он является представителем нового класса трехмерных органико-неорганических гибридных окислов кремния, имеющих формулу (RSiO1.5)n. Молекулы ПОСПО имеют неорганическую кристаллическую решетку, в которую внедрены инертные или/и химически активные органические атомы-заместители. Размер этих молекул варьируется от 1 до 3 нм, а полимер представляет собой коллоид окиси кремния. Внедрение молекул ПОСПО в полимерный материал может улучшить его механические свойства, а также снизить уровень воспламеняемости и выделение тепла. Присадка молекул ПОСПО может осуществляться в широкую номенклатуру полимеров, таких как полиолефины, полипропилены, полистролы, полиацилаты, полиэстеры, полиамиды, полиимиды, эпоксидные смолы и полиуретаны.
Для изучения абляционных и термостойких свойств КМ проводилась имитация кинетического нагрева с помощью высокотемпературной ацетиленокислородной смеси. Расход ацетиленокислородной смеси варьировался в диапазоне 25,2-18,6 л/мин, что позволило достичь уровня температуры около 3000 °С и плотности теплового потока до 4 200 кВт/м2. Контрольные образцы были размером 40 х 40 х 4 мм. Воздействие разогретой смеси осуществлялось на расстоянии 20 мм от поверхности испытуемого образца. При присадке молекул ПОСПО в ГПБПУ КМ наблюдается микрофазовое разделение и их концентрация в виде наносфер. Дальнейшая концентрация приводит к формированию по всей поверхности композиционного материала очень плотных сферических капель оксида кремния, которые существенно улучшают абляционные и термостойкие свойства. Скорость абляции была вычислена после того, как толщина каждого образца уменьшалась на 4 мм. Влияние ПОСПО на абляционные и термостойкие свойства КМ оценено с помощью вычисленного относительного времени абляции и коэффициента абляционного сопротивления, по которому затем была рассчитана скорость абляции. Так, у контрольного образца без примеси она составила 0,346 мм/с, а контрольных образцов ГПБПУ КМ с молекулами ПОСПО и циклогександиол изобутила (концентрация последнего 33%) и ГПБПУ КМ с молекулами ПОСПО и 1,2-пропандиол изобутила (концентрация последнего 33%) - 0,247 и 0,264 мм/с соответственно. При этом коэффициент абляционного сопротивления испытуемых КМ с примесями увеличился соответственно в 1,4 и 1,31 раза. Проведенные исследования показывают, что использование в качестве присадки молекул полиэдрического олигомерного силиополуторного оксана приводит к появлению новых полимерных композиционных материалов, обладающих улучшенными абляционными и термостойкими свойствами. В контрольных образцах, подвергнутых испытаниям при температуре 3 000 °С, за счет формирования поверхностного слоя наноразмерных областей оксида кремния наблюдается увеличение коэффициента абляционного сопротивления на 30-40% Таким образам, в США ведутся интенсивные работы в области создания новых композиционных материалов, выдерживающих высокие термические нагрузки и обладающих улучшенными абляционными свойствами. К проведению исследований привлекаются специалисты как Пентагона, так и работающие в частных фирмах, в там числе и из других стран. Для получения новых композиционных материалов в качестве исходных используются материалы на основе углерода и полимерные КМ. Полученные экспериментальные образцы успешно прошли испытания, а их термические и абляционные характеристики удалось улучшить на 30-40% Разработанные КМ могут быть использованы в системе пассивной тепловой защиты и при изготовлении отдельных конструкций сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов, а также космических систем. Смотрите также | |||||
|
| |||||
| Просмотров: 3274 | | | |||||
| Всего комментариев: 0 | |