Просмотр сведений о научной статье
Обложка номера

Заголовок
Термоэмиссионное охлаждение элементов летательных аппаратов. Обзор современных исследованийАвторы
П.А. Архипов, А.В. Колычев, М.В. Чернышов, В.А. КерножицкийОрганизация
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устиноваг. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Аннотация
Целью данной статьи является обзор текущего состояния исследований в области термоэмиссионного охлаждения и освещение их потенциальных применений в астронавтике и ракетостроении, особенно для космических аппаратов многоразового использования и высокоскоростных самолетов. В статье обобщены результаты работы исследовательских групп из нескольких университетов России, США и Китая. В ней рассматриваются теоретические модели и экспериментальные разработки технологии термоэмиссионного охлаждения, без углубления в подробные методологии. Основные исследования в этой области проводятся командами из университетов Мичигана, Колорадо, Вермонта и Техаса в США при активной поддержке корпорации Lockheed Martin. В данных университетах уже активно производятся экспериментальные исследования данной технологии. Более того, уже полученные результаты хорошо коррелируют с результатами теоретической проработки, из чего можно сделать вывод о перспективности исследований. Эффект термоэлектронной эмиссии дает возможность снизить температуру передних кромок аппаратов, что особенно актуально для космических аппаратов многоразового использования и беспилотных миссий, где поддержание оптимальной температуры компонентов становится ключевым фактором срока службы и надежности системы.Ключевые слова
термоэмиссионное охлаждение, термоэлектронная эмиссия, тепловые нагрузки, многоразовые космические аппаратыСписок литературы
[1] Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Глава 10. Физические основы эмиссионной электроники // Физические основы электронной техники. М.: Высшая школа, 1982. С. 434–435. 608 с.
[2] Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974.
[3] Нейланд В.Я., Тумин А.М. Аэротермодинамика воздушно-космических самолетов. Конспект лекций. Жуковский: ФАЛТ МФТИ, 1991.
[4] Колычев А.В., Керножицкий В.А. Тепловая защита гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) с использованием явления термоэлектронной эмиссии // Решетневские чтения. 2009. Т. 1. № 13. С. 29–30.
[5] Керножицкий В.А., Колычев А.В. Концепция развития методов и средств преодоления теплового барьера // Информация и космос. 2011. № 2. С. 50–53.
[6] Колычев А.В. и др. О влиянии термоэмиссионного охлаждения на КПД газотурбинной энергетической установки // Проблемы региональной энергетики. 2020. № 4 (48). С. 45–57.
[7] Архипов П.А., Колычев А.В., Керножицкий В.А. Термоэмиссионное охлаждение элементов высокоскоростных летательных аппаратов с учетом ограничения пространственным зарядом // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1. № 1. С. 105–116.
[8] Подкульский С.П., Уилсон В.С. Работа термоэлектронного преобразователя с /112/на/114/ориентированным вольфрамовым излучателем и ниобиевым коллектором в присутствии кислорода. НАСА, 1970 год. Номер GESP?9006.
[9] Ефимов К.Н. и др. Моделирование системы тепловой защиты на основе термоэмиссионной технологии // Журнал теплофизики и теплопередачи. 2020. Т. 34. № 3. С. 548–555.
[10] Зимин В.П., Ефимов К.Н., Керножицкий В.А., Колычев А.В., Овчинников В.А., Якимов А.С. Моделирование системы тепловой защиты, основанной на термоэмиссионной технологии // Теплофизика и аэромеханика. 2020. Т. 21. № 2. С. 227–240.
[11] Ефимов К.Н., Колычев А.В., Керножицкий В.А., Овчинников В.А., Якимов А.С. Моделирование термоэлектронной тепловой защиты при обтекании сверхзвуковым потоком воздуха сферически затупленного конуса // Теплофизика высоких температур. 2021. Т. 59. № 3. С. 432–442.
[12] Зимин В.П., Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Математическое моделирование активной термоэмиссионной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании оболочки // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 3. С. 517–528.
[13] Зимин В.П., Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Численное моделирование активной термоэмиссионной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании многослойной оболочки // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 6. С. 898–906.
[14] Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Численное моделирование термоэлектронной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании многослойной оболочки // Инженерно-физический журнал. 2022. Т. 95. № 2. С. 335–349.
[15] Зимин В.П. и др. Моделирование термоэмиссионной тепловой защиты при конвективном нагреве составной оболочки // Космическая техника и технологии. 2019. № 1 (24). С. 23–34.
[16] Алкандри Х., Ханквист К., Бойд И.Д. Концептуальный анализ охлаждения электронным излучением передних кромок гиперзвуковых летательных аппаратов // 11-я совместная конференция AIAA/ASME по теплофизике и теплопередаче. 2014. С. 2674.
[17] Ханквист К.М., Хара К., Бойд И.Д. Детальное моделирование электронной эмиссии для испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // Журнал прикладной физики. 2017. Том 121. № 5. С. 053302.
[18] Ханквист К.М., Алкандри Х., Бойд И.Д. Оценка компьютерного моделирования охлаждения транспирацией электронов при высоких энтальпиях // Журнал теплофизики и теплопередачи. 2017. Том 31. № 2. С. 283–293.
[19] Ханквист К.М., Бойд И.Д. Вычислительный анализ электронного испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // 55-е совещание AIAA по аэрокосмическим наукам. 2017. С. 0900.
[20] Ханквист К.М., Хара К., Бойд И.Д. Моделирование электронного испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // 46-я конференция AIAA по теплофизике. 2016. С. 4433.
[21] Ханквист К.М., Бойд И.Д. Плазменное охлаждение горячих поверхностей на гиперзвуковых летательных аппаратах // Рубежи физики. 2019. Том 7. С. 9.
[22] Ханквист К.М., Бойд И.Д. Сравнение расчетов с экспериментами по охлаждению транспирацией электронов при высоких энтальпиях // 45-я конференция AIAA по теплофизике. 2015. С. 2351.
[23] Ханквист К. Моделирование электронного испарительного охлаждения передних кромок гиперзвуковых летательных аппаратов: канд. дисс. 2017.
[24] Е.М.Ю., Такамура С. Влияние излучения с ограниченным пространственным зарядом на измерения потенциала плазмы с использованием эмиссионных зондов // Физика. Плазма 7(8), 3457–3463 (2000).
[25] Такамура С., Оно Н., Йе М.Ю., Кувабара Т. Ток с ограниченным пространственным зарядом от поверхности материала, обращенного к плазме // Сост. Физика плазмы. 44(1–3), 126–137 (2004).
[26] Кэмпбелл Н.С. и др. Оценка вычислительных моделей для охлаждения электронным испарением // Аэрокосмическая промышленность. 2021. Т. 8. № 9. С. 243.
[27] Бак Дж. и др. Экспериментальное исследование охлаждения транспирацией электронов с помощью лазерной системы нагрева мощностью 2 кВт // Форум AIAA SCITECH 2022. 2022. С. 0983.
[28] Пакстон О.Л., Порат Х., Ян И.Х. Экспериментальные результаты эффекта охлаждения транспирацией электронов в расширительном туннеле X2 // Форум AIAA AVIATION 2023. С. 3808.
[29] Кэмпбелл Н.С. и др. Оценка вычислительных моделей для охлаждения электронным испарением // Аэрокосмическая промышленность. 2021. Т. 8. № 9. С. 243.
[30] Мейерс Дж. М. и др. Характеристика излучателей LaB 6 в установке с индуктивно связанной плазмой для охлаждения с помощью переноса электронов // Форум AIAA AVIATION 2022. С. 3579.
[31] Шазот О., Хелбер Б. Тестирование концепции охлаждения электронным испарением в плазменной аэродинамической трубе. Институт фон Кармана, Бельгия, 2017.
[32] Кюстер А.Э. Обработка электрида майенита и его композитов методом искрового плазменного спекания: кандид. дисс. Университет штата Колорадо, 2019.
[33] Тан Х. и др. Усиленная термоэлектронная эмиссия композитов на основе электрида майенита в плазме тлеющего разряда Ar // Ceramics International. 2021. Т. 47. № 12. С. 16614–16631.
[34] Лян У. и др. Внутренние связи между термоэмиссионным охлаждающим эффектом и эмиссионными характеристиками катодов W-La2O3 при высоких температурах // Письма по материалам. 2022. Т. 308. С. 131172.
Дополнительные сведения
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект «Создание опережающего научно-технического задела в области разработки передовых технологий малых газотурбинных, ракетных и комбинированных двигателей сверхлегких ракет-носителей, малых космических аппаратов и беспилотных воздушных судов, обеспечивающих приоритетные позиции российских компаний на формируемых глобальных рынках будущего», № FZWF-2020–0015).
Цитирование данной статьи
Архипов П.А., Колычев А.В., Чернышов М.В., Керножицкий В.А. Термоэмиссионное охлаждение элементов летательных аппаратов. Обзор современных исследований // Космические аппараты и технологии. 2023. Т. 7. № 4. С. 231-242. doi: 10.26732/j.st.2023.4.01
Данная статья лицензирована по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.