ТЕРМОЭМИССИОННАЯ ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВЫВЕДЕНИЯ

© В.А.Керножицкий, А.В.Колычев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2011 г.

С целью обеспечения более комфортного существования цивилизации необходим быстрый и надёжный способ перемещения на околоземные орбиты и обратно различных объектов. В качестве таких объектов могут выступать экипажи станций, обслуживающий персонал орбитальных заводов и производимая ими продукция, туристы и др. Поэтому рассматривается множество различных вариантов средств выведения, в том числе и авиационно-космические системы (АКС). Однако, для разработки и создания АКС необходимо иметь технологии, обеспечивающие возможность многократно совершать длительный полёт в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями без потери технических характеристик гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА), то есть сдвинуть «тепловой барьер» в сторону больших скоростей. Освоение таких технологий также позволит создавать, например, гиперзвуковые пассажирские и грузовые самолёты, которые смогут преодолевать тысячи километров расстояния за относительно короткое время. Появление таких возможностей имеет большое значение для России с большой протяжённостью её территорий в плане обеспечения роста и развития экономики и хозяйственной деятельности и отвечает вызовам времени.

В качестве средства преодоления «теплового барьера» предлагается оснащать ГЛА комплексом систем электронного охлаждения на основе прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Основой данного комплекса должна явиться система активной термоэмиссионной тепловой защиты (АТТЗ). Предлагается технология тепловой защиты ГЛА, основанная на явлении термоэмиссионного охлаждения с одновременным прямым преобразованием тепловой энергии аэродинамического нагрева в электрическую энергию. При использовании данной технологии носовые части, передние кромки крыла, стабилизаторов и др., т.е. наиболее теплонапряжённые участки корпуса, испытывающие интенсивный аэродинамический нагрев, представляют собой устройства, реализующие способ АТТЗ. Часть тепловой энергии аэродинамического нагрева преобразуется в электричество, снижая тепловое воздействие на элементы конструкции ГЛА с АТТЗ. Полученная таким способом электрическая энергия используется для обеспечения функционирования различных типов бортовых систем, что расширяет возможности формирования концепций и облика ГЛА.

В ходе проводимых расчётов была произведена оценка работы АТТЗ в составе ГЛА различных типов, в том числе в составе орбитального самолета (ОС) типа Space Shuttle во время спуска с орбиты. Полученное пиковое значение электрической мощности, генерируемой во время работы АТТЗ передней кромки одного крыла при спуске с орбиты ОС типа Space Shuttle, превосходит значение 150 кВт при среднем КПД преобразования 8%. Полученное значение электрической мощности выше предыдущих оценок на 15%. Можно подбирать другие значения напряжения на нагрузке в процессе спуска, соответствующие, например, максимальному КПД преобразования тепловой энергии аэродинамического нагрева в электричество.

В ходе расчёта производилась оценка максимальной температуры, достигаемой отдельными участками внешней оболочки из вольфрама, и выполнялось сравнение с нагревом той же оболочки, но без АТТЗ. Максимальное значение температуры в каждый расчётный момент спуска с орбиты оказалось намного ниже аналогичных значений для кромки без АТТЗ. Наибольшая разница между ними достигала уровня 700oК, что говорит о высокой степени эффективности применения АТТЗ в составе крылатых спускаемых аппаратов и АКС.