ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 533.95

Технічна механіка, 2024, 4, 63 - 71

АЕРОДИНАМІЧНІ КОЕФІЦІЄНТИ СИЛИ ОПОРУ ШОРСТКУВАТИХ ТІЛ ПРОСТОЇ ГЕОМЕТРИЧНОЇ ФОРМИ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2024.04.063

Юрков Б. В., Вороновський Д. К., Токмак М. А., Носіков С. В.

Юрков Б. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Вороновський Д. К.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Токмак М. А.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Носіков С. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

      Розглянуто вплив шорсткості поверхні полімеру – полііміду Kapton-H, який є типовим конструкційним матеріалом зовнішніх поверхонь космічних апаратів (КА), – на аеродинамічні коефіцієнти сили опору тіл простої геометричної форми. Поліімід Kapton-H є еталонним матеріалом, який застосовується при тестуванні полімерів на стійкість щодо тривалої дії навколосупутникового середовища. Поліімід Kapton-H є слабо шорсткуватим матеріалом. При експлуатації на дуже низьких орбітах (VLEO) шорсткість полімерів значно збільшується. Змінюються коефіцієнти акомодації імпульсу та енергії при взаємодії полімерів з атомами та молекулами навколосупутникового середовища. Внаслідок зміни коефіцієнтів змінюються і аеродинамічні коефіцієнти сили опору елементів конструкції КА. Визначено вплив зміни шорсткості поверхонь полімерів на аеродинамічні коефіцієнти сили опору сфери, циліндра та конуса.
      Необхідність досліджень аеродинамічних коефіцієнтів сили опору шорсткуватих тіл простої геометричної форми обумовлена сучасними тенденціями в області космічних досліджень, зокрема потребою у тривалій експлуатації КА на VLEO на висотах від 170 км до 300 км. Умови таких орбіт характеризуються дією гіперзвукових потоків атомарного кисню (АК) з річним флюєнсом від 1·10?? атомО/см? до 1·10?? атомО/см?. Ці умови суттєво впливають на експлуатаційні характеристики КА, особливо на конструкційні матеріали зовнішніх поверхонь, серед яких важливу роль відіграють полімери. Під дією атомарного кисню відбувається деградація полімерних матеріалів, яка проявляється в зміні структури поверхонь, їхньої шорсткості та глибині ерозії. Це, у свою чергу, призводить до зміни аеродинамічних та теплових характеристик, а також процесів взаємодії між атомами кисню та полімерною поверхнею.
      Зокрема, зміна шорсткості поверхонь матеріалів призводить до зміни таких важливих параметрів, як інтегральний коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання, аеродинамічні коефіцієнти передачі імпульсу та енергії атомів кисню до поверхні полімеру. Водночас, ці коефіцієнти залежать від флюенсу атомів кисню, шорсткості поверхні, а також кута між вектором швидкості атомів кисню і нормаллю до поверхні. Всі ці фактори визначають зміни в тепловому режимі та аеродинамічних характеристиках КА на дуже низьких орбітах, що є ключовим для довготривалого функціонування таких апаратів.
      Наслідком зміни аеродинамічних коефіцієнтів сили опору елементів конструкцій та теплового режиму поверхонь космічних апаратів є зміна терміну активної експлуатації космічних апаратів. Наведені результати мають практичне значення для відбору полімерних матеріалів зовнішніх поверхонь КА на етапі проєктування.
     

коефіцієнти сили опору, поліімід, шорсткість, космічні апарати

1. Zimcik D. G., Maag C. R. Results of apparent atomic oxygen reactions with spacecraft materials during Shuttle Flight STS-41G. J. Spacecraft and Rockets. 1988. V. 25. №2. P. 162. https://doi.org/10.2514/3.25965

2. Allegri G, Corradi S., Marchetti M., Milinchuk V.K. On the degradation of polymeric thin film in LEO space environment. In Proceedings of the 9th International Symposium on Materials in a Space Environment, ESA SP-540. Netherlands. Noordwijk. 2003. P. 255.

3. Patent, International Publication Number, WO 2019/140219 A1. Atomic oxygen-resistant, low drag coatings and materials / Minton K, Schwartzentruber; Aplicant McAndrews, Held&Malloy, Ltd. –PCT/US2010/013230; International Filing Date 11 January 2019; International Publication Date 18 July 2019.

4. Shuvalov V. A., Gorev N. B., Kuchugurnyi Yu. P. Polyimide degradation under atomic oxygen attack. Acta Astronautica. 2023. V. 207. P. 118 – 128. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.03.002

5. Zhang Y., Wu, H., Guo Y.-d., Yang Y.-b., Yu Q., Liu J.-g., Wu B.-h., Lv F.-z. Atomic oxygen-resistant polyimide composite films containing nanocaged polyhedral oligomeric silsesquioxane components in matrix and fillers. Nanomaterials. 2021. V. 11, N 1. P. 141–146. https://doi.org/10.3390/nano11010141

6. Henri V., Dantras E., Lacabanne C., Dieudonne A.G., Koliatene F. Thermal ageing of PTFE in the melted state: Influence of interdiffusion on the physicochemical structure. Polymer Degradation and Stability. 2020. V. 171. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2019.109053

7. Курышев А. П., Филиппов Б. В. Аэродинамические коэффициенты тел вращения в сильно разреженной плазме. В кн.: Аэродинамика разреженных газов: сб. науч. трудов. Ленинград: ЛГУ. 1969. Вып. 4. С. 142–147.

8. Баранцев P. Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями. М.: Наука, 1975. 344 с.

9. ECSS-10-04 A. Space Environment. Issued 15, November 2009. ESA-ESTEC, 2009. https://ecss.nl/standard/ecss-e-st-10-04c-space-environment/

Copyright (©) 2024 Юрков Б. В., Вороновський Д. К., Токмак М. А., Носіков С. В.

Copyright © 2014-2024 Технічна механіка