ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ СА АВТОМАТИЧЕСКИХ МЕЖПЛАНЕТНЫХ СТАНЦИЙ
© А.Ф.Клишин, А.М.Никитин
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и научное прогнозирование"
2018 г.
Тепловая защита (ТЗ) спускаемого (или возвращаемого) аппарата автоматической межпланетной станции предназначена для обеспечения теплового режима конструкции и оборудования в процессе кратковременного (~ 10…300 сек) этапа аэродинамического торможения аппарата данной конструкции в атмосфере планеты (Венеры, Марса, Юпитера и др.), т.е. при соответствующих расчетных параметрах воздействия высокотемпературной плазмы. Материалы тепловой защиты должны сохранять работоспособность (свои свойства) в течение длительного перелета (и продолжительного воздействия внешних факторов космического пространства) по траектории Земля – планета. Основным элементом конструкции ТЗ спускаемого аппарата (СА) является внешнее теплозащитное покрытие (ТЗП), которое послойно разрушаясь (аблируя) при аэродинамическом торможении аппарата, поглощает подводимое из ударного слоя к СА тепло. При создании тепловой защиты нового СА важно на основании результатов комплексных наземных испытаний выбрать материал ТЗП, который бы удовлетворял специфическим требованиям по теплозащитным и теплофизическим свойствам, технологичности нанесения на объект (заданных размеров и формы), а также – возможности механической обработки поверхности ТЗП (после нанесения и сушки) для устранения припусков и неровностей.
К материалу внешнего ТЗП предъявляются наиболее жесткие эксплуатационные требования, т.к. он подвергается воздействию высокотемпературной плазмы, а с момента, когда температура его поверхности «Tw» превысит предельную температуру «Tраз», происходит унос материала с определенной интенсивностью (в зависимости от ряда других физических и газодинамических внешних воздействий). Причем некоторые из этих внешних воздействий могут в отдельные моменты определять основной механизм уноса материала ТЗП, отличный от термодинамического (сублимации, плавления, испарения). Для повышения надежности отработки ТЗП и с учетом ограниченных возможностей любой плазмотронной установки по реализации комплекса изменяющихся по времени заданных теплосиловых и внешних воздействий на СА (соответствующих расчетным траекториям входа), испытания материалов-претендентов ТЗП для СА проводят в условиях нескольких плазменных установок (≥ 5-ти) на заданных режимах (близких к максимальным и взаимодополняющих по уровню воздействия). Например, отработка ТЗ и исследование характеристик ТЗП изд. «Венера -9, -10» проводились в условиях 11-ти высокотемпературных установок.
Необходимость такого подхода объясняется получающимися разбросами результатов испытания на разных установках (по параметру скорость уноса материала ТЗП) при отсутствии возможности проведения предварительных летных испытаний тепловой защиты СА. При этом остается неопределенность в определении степени влияния важных внешних факторов (фактической модели атмосферы планеты, ее состава и двухфазности, реальной динамики спуска СА и т.д.) на особенности и скорость разрушения ТЗП.
Названные положения объясняют принятое решение НАСА по применению повышенных коэффициентов безопасности при назначении распределения толщины ТЗП по обводу аэродинамического экрана десантного модуля марсианского аппарата «MSL».
Приводятся рабочие параметры известных высокоэнтальпийных отечественных плазмотронных установок, используемых для отработки тепловой защиты СА, и даются рекомендации по их совершенствованию.