ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ПРИМЕНИМОСТИ АКТИВНОЙ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ В СОСТАВЕ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

© В.А.Керножицкий, А.В.Колычев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2012 г.

Существует возможность оснащения гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) активной термоэмиссионной тепловой защитой (АТТЗ). Основной особенностью данной теплозащиты является существенное снижение теплового воздействия на элементы конструкции (ЭК) ГЛА при аэродинамическом нагреве за счёт преобразования тепловой энергии в значительное количество электрической энергии на борту ГЛА.

Для определения тех типов ГЛА, установка АТТЗ на которых оправдана, необходимо определить тепловые потоки, снимаемые с внутренней и внешней поверхности внешней оболочки (катода) АТТЗ, в основном, за счёт процессов электронного охлаждения и излучения и равных тепловым потокам аэродинамического нагрева, а также условия, при которых достигается указанный тепловой баланс, то есть равенство подводимых и отводимых тепловых потоков к внешней оболочке АТТЗ.

Максимальные тепловые потоки, связанные с электронным охлаждением, достигают значений 1600000 Вт/кв. м при температуре 1730К, степени черноты внешней поверхности катода 0.25 и величины межэлектродного зазора 0.3 мм. Значение 0.3 мм технологически достижимо, хотя при этом возможно и уменьшение величины межэлектродного зазора, а, следовательно, и охлаждающих тепловых потоков. То есть, ЭК ГЛА с АТТЗ способен в течение длительного времени испытывать интенсивный аэродинамический нагрев и при этом температура нагреваемых ЭК не превысит значения 1730К. При данной температуре, например, у вольфрама и его сплавов практически полностью сохраняются прочностные свойства.

Воспользовавшись формулами для ламинарного режима обтекания, можно говорить, что уровень 1600000 Вт/кв. м для передней кромки крыла орбитального самолёта типа Space Shuttle соответствует скорости 8000 м/с и высоте около 67 км. По другим оценкам для скорости 8000 м/с высота полёта составляет около 72 км. Отсюда можно сделать вывод, что установка АТТЗ возможна практически на любой тип ГЛА, осуществляющий движение с гиперзвуковыми скоростями как современные,в том числе крылатые и зенитные ракеты, так и перспективные, например, воздушно-космический самолёт (ВКС) или средства противоракетной и воздушно-космической обороны. Выдерживая достаточно высокие тепловые нагрузки, АТТЗ генерирует соответствующее количество электрической энергии. А это уже новый технический уровень авиационно-ракетной техники, поскольку появляется возможность применить различные методы взаимодействия с набегающим потоком, требующие больших количеств электрической энергии, или осуществлять реализацию новых физических принципов функционирования различных бортовых специальных систем.

Нужно отметить тот факт, что появляется возможность достижения ГЛА орбитальных скоростей, совершая полёт ещё в атмосфере. Таким образом, отпадает необходимость использования жидкостных ракетных двигателей и бортовых запасов окислителя. Представляется возможным применять любой двигатель, в котором в качестве окислителя используется атмосферный кислород, и далее в определённый момент выныривать из атмосферы с учётом гравитационных и аэродинамических потерь с первой космической скоростью. На данной высоте за пределами атмосферы можно использовать запасы (достаточно немалые) накопленной в полёте электрической энергии для обеспечения работы, например, электроракетных двигателей.