СПОСОБ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МНОГОРАЗОВЫХ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ, СПУСКАЕМЫХ АППАРАТОВ И ДРУГИХ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

© В.А.Керножицкий, А.В.Колычев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2010 г.

Все перспективные многоразовые средства выведения, спускаемые аппараты и любые летательные аппараты (ЛА), совершающие полёт в ат-мосфере с гиперзвуковыми скоростями, испытывают на себе интенсивный тепловой нагрев при полёте в атмосфере. Существующие способы тепло-вой защиты являются пассивными, как, например, у орбитера системы вы-ведения Space Shuttle. В силу объективных причин данный способ пассив-ной теплозащиты малопригоден для использования в составе перспектив-ных многоразовых средств выведения и гиперзвуковых ЛА.

Предлагается новый термоэмиссионный способ активной тепловой защиты, который заключается в том, что сами элементы конструкции ЛА в значительной степени участвуют в процессе их охлаждения при аэродина-мическом нагреве. При реализации данного способа негативный фактор в виде воздействия тепловой энергии аэродинамического нагрева на оболоч-ку ЛА преобразуется в другие виды энергии, а именно, в электрическую энергию. В основе описываемого способа лежит явление термоэлектрон-ной эмиссии – испускание электронов нагретым металлом. В этом случае нагреваемая снаружи часть конструкции ЛА, например, оболочка крыла, испускает со своей внутренней поверхности электроны, которые осажда-ются на элементе из электропроводящего материала. Оболочка нагревае-мой части конструкции ЛА является катодом, а внутренний элемент из электропроводящего материала – анодом. Анод через бортовой потреби-тель электроэнергии соединён с катодом. Таким образом, часть тепловой энергии аэродинамического нагрева передаётся электронам, которые вы-ходят с внутренней поверхности нагреваемой части и за счёт полученной энергии могут совершать полезную работу под нагрузкой. Иными словами происходит электронное охлаждение, и при этом в указанной цепи начи-нает протекать электрический ток.

Основным достоинством предлагаемого способа является сущест-венное снижение теплового воздействия на части корпуса ЛА, потому что часть аэродинамического тепла преобразуется в электричество. КПД тако-го преобразования в настоящее время находится на уровне 10-25% и выше. Средняя удельная электрическая мощность достигает значений 10-25 Вт на см2 площади эмиссии. Весь процесс термоэмиссионного преобразования может осуществляться внутри элементов корпуса ЛА, под обшивкой, что приводит к возможности получения высоких аэродинамических характе-ристик любого типа ЛА, оснащённых данной тепловой защитой. Так как получаемая электрическая энергия является частью возвращаемой энер-гии, затрачиваемой на полёт ЛА, то использование данного способа тепло-вой защиты повышает энергетическую эффективность ЛА.

Произведена оценка возможности усовершенствования теплозащи-ты орбитера Space Shuttle путём замены керамических плиток на элементы термоэмиссионной тепловой защиты, которые также могут быть выполне-ны в виде плиток. В данном случае производилась условная замена кера-мических плиток в носовой части «орбитера» и на передних кромках крыльев и вертикального стабилизатора. В результате оценки получено, что температура внешней поверхности указанных частей корпуса орбитера при полёте снижается в среднем на 300К по сравнению со штатным вари-антом. При этом на передних кромках крыльев генерируется примерно 265 кВт электрической мощности, в носовой части – 100 кВт, а на передней кромке вертикального стабилизатора – 130 кВт. Суммарная электрическая мощность, производимая описываемой тепловой защитой при спуске с орбиты, оценивается в 500 кВт. Наличие дополнительной электроэнергии на борту ЛА даёт возможность задействовать при полёте в атмосфере на участках выведения и спуска специальные системы аварийного спасения экипажа в случае аварии или использовать перспективные электроёмкие бортовые системы, предназначенные для повышения эффективности функционирования ЛА.