Оцінка можливості застосування полімерів в корпусах перспективних ракетоносіїв за фактором теплостійкості
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2023.06.003Ключові слова:
атмосферна ділянка польоту, надлегкі РН, поліетилен, полімерні корпуси, пропілен, теплостійкістьАнотація
Одним із можливих шляхів вирішення проблеми оперативного і дешевого виведення корисних вантажів на низькі навколоземні орбіти є створення надлегких ракет-носіїв, що використовують нові конструкційні матеріали, зокрема синтетичні полімери. Перспективним підходом до створення такої ракети-носія є концепція спалимої ракети, корпус якої зроблено з термопластичних полімерних матеріалів. Водночас її практична реалізація потребує проведення додаткових досліджень, пов’язаних з можливим процесом передчасного руйнування конструкції внаслідок аеродинамічного нагріву. У даній роботі виконано оцінку теплостійкості нового типу полімерних корпусів надлегких ракет-носіїв під час польоту на атмосферній ділянці траєкторії. Представлено результати експериментальних досліджень термодинаміки при нагріванні поліетилену і поліпропілену, які було розглянуто для математичного моделювання процесів нагріву. Запропоновано математичну модель для розрахунку процесу нагріву полімерних оболонок. Визначено динаміку температурних полів під час руху ракети-носія по заданій траєкторії на атмосферній ділянці. Встановлено, що за заданих траєкторій обидва розглянутих матеріалів задовольняють умовам теплостійкості. Показано вплив температури на зниження міцнісних характеристик полімерних корпусів. Як показник міцності для термопластичних полімерних матеріалів розглядається питома міцність у вигляді відношення межі плинності до щільності матеріалу. Визначені необхідні товщини стінок оболонок корпусів, що мають запобігти деформації конструкції при аеродинамічному нагріванні. Полімерний корпус спалимої ракети не є тонкостінною оболонкою. Проте, маса конструкції не є пасивною, оскільки це також маса палива, що споживається двигуном. Отже, вперше теоретично обґрунтовано можливість виконання корпусів спалимих ракет з термопластичних полімерних матеріалів.Посилання
Alekseev Ju. S., Dzhur O. E., Kulik O. V., Kuchma L. D. (2007). Rocket and space aircraft production technology . Dnepropetrovsk : Art-Press, 477 p. [in Russian] 2. Balakrishnan, Deependran & Kurian, Job. (2014). Material Thermal Degradation Under Reentry Aerodynamic Heating. Journal of Spacecraft and Rockets. 51, 1319-1328. https://doi.org/10.2514/1.A32712 https://doi.org/10.2514/1.A32712 3. Bruce Hartmann, Gilbert F. Lee, Richard F., Cole Jr. (1986). Tensile yield in polyethylene. 26(8), 554-559. https://doi.org/10.1002/pen.760260806 https://doi.org/10.1002/pen.760260806 4. Bruce Hartmann; Gilbert F. Lee; Wayne Wong (1987). Tensile yield in polypropylene. , 27(11), 823-828. https://doi.org/10.1002/pen.760271109 https://doi.org/10.1002/pen.760271109 5. Curzi G, Modenini D, Tortora P. (2020). Large Constellations of Small Satellites: A Survey of Near Future Challenges and Missions. Aerospace. 7(9):133. https://doi.org/10.3390/aerospace7090133 https://doi.org/10.3390/aerospace7090133 6. Dreus A., Dron M., Gubin O., Dubovik L. (2022). Modeling of processes of aerodinamichesky heating and fusion of space objects in atmosphere of the earth. System design and analysis of aerospace technique characteristics. XXX, 20-34.https://doi.org/10.15421/472203 7. Dreus, A., Yemets, V., Dron, M., Yemets, M. & Golubek, A. (2022). A simulation of the thermal environment of a plastic body of a new type of launch vehicle at the atmospheric phase of the trajectory, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 94(4), 505-514. https://doi.org/10.1108/AEAT-04-2021-0100 https://doi.org/10.1108/AEAT-04-2021-0100 8. Dron, M., Dreus, A., Golubek, A., Abramovsky, Y. (2018) Investigation of aerodynamic heating of space debris object at reentry to earth atmosphere. Proc. 69th International Conference IAC-18, A6.2, Bremen, Germany. 9. Dron, M., Golubek, A., Dreus, A., Dubovik, L. (2019). Prospects for the use of the combined method for deorbiting of large-scale space debris from near-earth space. Space Science and Technology, 25(6), 61-69. https://doi.org/10.15407/knit2019.06.061 10. Dron, M., Hilorme, T., Golubek, A., Dreus, A., & Dubovik, L. (2022). Determining the performance indicators of employing combined methods for removing space objects from near-earth orbits. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(3-115), 6-12. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.253096 11. Dzhur, Y. O., Kalinina, N. E., Dzhur, O. Y., Kalinin, O. V., Nosova, T. V., & Mamchur, S. I. (2021). Improvement of properties of deformed aluminum alloys modified by nanocompositions. Space Science and Technology, 7(6), 98-104. https://doi.org/10.15407/knit2021.06.098 12. Golubek, A., Dron, M., Dubovik, L., Dreus, A., Kulyk, O., & Khorolskiy, P. (2020). Development of the combined method to de-orbit space objects using an electric rocket propulsion system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(5-106), 78-87. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210378 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210378 13. Irving, P. E., & Soutis, C. (2019). Polymer composites in the aerospace industry. Woodhead Publishing. 14. Kositsyna, Olena C., Dron', Mykola M., Yemets Vitaly V. (2020). The environmental impact assessment of emission from space launches: the promising propellants components selection. Journal of Chemistry and Technologies, 28(2), 186-193.https://doi.org/10.15421/082020 15. Kositsyna, O., Dron, M., Kulyk O. (2021) Determining energetic characteristics and selecting environmentally friendly components for solid rocket propellants at the early stages of design. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(6(114)), 6-14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.247233 16. Krasnov N. F. Aerodynamics. Part 2. Methods of aerodynamic calculation. (1976). Moscow: Graduate School, 368 p. [in Russian]. 17. Lapkhanov, E., Palii, O., & Golubek, A. (2022). Determining the degree of effect of heat flows on the deformation of the shell of a space inflatable platform with a payload. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(1-119), 6-16. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.266161 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.266161 18. Leslie, F. W., & Justus, C. G. (2008). The NASA MSFC Earth global reference atmospheric model-2007 Version (No. NASA/TM--2008-215581). 19. Linnik A.K. (1994) Design of liquid-propellant ballistic missile bodies. Dnipropetrovsk University publ., Dnipro. [in Russian] 20. Menczel, J. D., Prime, R. B. (2009). Thermal analysis of polymers: fundamentals and applications. John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9780470423837 21. Okninski, A., Kopacz, W., Kaniewski, D., Sobczak, K. (2021). Hybrid rocket propulsion technology for space transportation revisited - propellant solutions and challenges. FirePhysChem, Vol.1 (4), 260-271.https://doi.org/10.1016/j.fpc.2021.11.015 18 https://doi.org/10.1016/j.fpc.2021.11.015 22. Pastore, Roberto, Marta Albano, Andrea Delfini, Fabio Santoni, and Mario Marchetti. (2021). Thermoplastic Polymeric Materials for Spacecraft Applications: Flame Retardant Properties and UV/AtOx Aging Analysis. Applied Sciences, 11, No 3, 949. https://doi.org/10.3390/app11030949 https://doi.org/10.3390/app11030949 23. Pielichowski, Krzysztof, James Njuguna, and Tomasz M. Majka. (2022). Thermal degradation of polymeric materials. Elsevier, 2022. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823023-7.00011-3 24. Polezhaev, Yu. V., Yurevich, F. B. (1976). Thermal protection. Under the editorship of A. V. Lykov. Moscow: Energy, 392 p. [in Russian] 25. Ranzi, E., Dente, M., Faravelli, T., Bozzano, G., Fabini, S., Nava, R., et al. (1997). Kinetic modeling of polyethylene and polypropylene thermal degradation, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 40-41, 305-319. https://doi.org/10.1016/s0165-2370(97)00032-6 https://doi.org/10.1016/S0165-2370(97)00032-6 26. Shoyama, T., Wada, Y., & Matsui, T. (2022). Conceptual study on low-melting-point thermoplastic Fuel/Nitrous oxide hybrid rockoon. Journal of Spacecraft and Rockets, 59(1), 286-294. https://doi.org/10.2514/1.A35040 https://doi.org/10.2514/1.A35040 27. Vullo, V. Circular Cylinders and Pressure Vessels. (2014). Springer Cham. P.388. https://doi.org/10.1007/978-3-319-00690-1 https://doi.org/10.1007/978-3-319-00690-1 28. Yemets V. V. Areas of expedient use of launch vehicles with polietilen tanks that burn out. (2008). Space science and technology, 14(1):017-024. https://doi.org/10.15407/knit2008.01.017 https://doi.org/10.15407/knit2008.01.017 29. Yemets V. V., Dron, M., Kositsyna, O. C. (2019). Estimation of the Possibilities for Using the Solid Hydrocarbon Fuels in Autophage Launch. Journal of Chemistry and technologies, 27(1). 58-64. https://doi.org/10.15421/081906 https://doi.org/10.15421/081906 30. Yemets, V., Dron, M., & Pashkov, A. (2020). Autophage engines: Method to preset gravity load of solid rockets. Journal of Spacecraft and Rockets, 57(2), 309-318.https://doi.org/10.2514/1.A34597 https://doi.org/10.2514/1.A34597 31. Yemets, V., Dron, M., Pashkov, A., Dreus, et al. (2020). Method to preset G-load profile of launch vehicles (2020) Proceedings of the International Astronautical Congress, IAC, 2020-October. 32. Yemets, M., Yemets, V., Harkness, Patrick, Dron', Mykola et. al. (2018). Caseless throttleable solid motor for small spacecraft. Proceedings of the 69th International Astronautical Congress, Bremen, Germany, 10924-10933.
