Введение к работе
1.1. Актуальность проблемы. Выбор проектных решении и параметров систем тепловой защиты и терморегулирования при проектировании ЛА определяется условиями теплового взаимодействия поверхности аппарата с внешней средой и внутренними процессами теплообмена, обусловленными работой двигательных установок, оборудования и приборов, а также наличием экипажа. Задачи выбора проектных решений и параметров ЛА с учетом тепловых режимов систем на основании исследования процессов теплопереноса, сопровождающих работу теплонагрухенных агрегатов и систем, обычно называются тепловым проектированием ЛА, а задачи выбора режимов управления системами ЛА при учете тепловых ограничений - управлением тепловыми режимами ЛА. Развитие авиационной и ракетно - космической техники привело к значительному усложнению теоретического анализа и экспериментальных исследований тепловых процессов, так как для успешного решения задачи выбора оптимальных параметров важнейшим условием является использование обоснованных математических моделей различных хдовней детализации, позволяющих с требуемой точностью прогнозироватЕ^тепловЬе состояние ' аппарата и его конструкций на различных стадиях эксплуатации ЛА. Эффективность принятых решений и проектных параметров систем тепловой защиты и терморегулирования ЛА во многом зависит от глубины и достоверности изучения явлений теплообмена и, следовательно, от адекватности математических моделей процессов теплообмена, протекающих в теплонагруженных конструкциях аппарата и на его поверхности. При этом в тепловом проектировании большое значение придается экспериментальным исследованиям, стендовой и летной отработке тепловых режимов и, как следствие, созданию эффективных методов диагностики тепловых процессов и идентификации математических моделей по результатам испытаний. Необходимость проведения испытаний и отработки теплонагруженных систем и конструкций в условиях, максимально приближенных к натурным, приводит к резкому повышению стоимости экспериментальных работ. Кроме того, отличительной особенностью теплофизических измерений до настоящего времени остается их значительная трудоемкость и сравнительно низкая точность. Сложность используемых математических моделей, высокая стоимость тепловых' экспериментов и испытаний, а также известные недостатки традиционных методов обработки и анализа данных теплофизических исследований делают актуальной задачу создания новых методов и средств извлечения
- ч-
максимального количества информации об анализируемой тепловой' системе и ее характеристиках с использованием экспериментальных данных, обеспечения максимальной достоверности получаемых результатов и снижения необходимого объема экспериментальных работ.
Как показал опыт более 25 лет исследований на кафедре бої МАИ, проводимых под руководством профессора О.М.Алифанова, в основу этих методов может быть положена методология обратных задач теплообмена, а в ряде случаев обратные задачи являются практически единственным средством получения необходимых результатов.
В настоящей работе все постановки задач исследования тепловых режимов ЛА, проектирования и управления тепловыми режимами рассматриваются как тепловое взаимодействие систем ЛА и внешней среды с точки зрения соотношений причина - следствие. При этом к причинным факторам процесса теплопереноса в соответствии с используемыми математическими моделями относятся граничные условия и их параметры, начальные условия, теплофизические, радиационно-оптические и физико- химические свойства материалов, исходные геометрические характеристики, а также моменты времени начала, окончания и изменения характера процессов теплообмена. Тогда следствием будет то или иное тепловое состояние, определяемое полем температур, полем концентраций веществ (или степенью разложения, плотностью и т.д.), изменяющимися геометрическими характеристиками объекта и т.д. Установление причинно - следственных связей составляет цель прямых задач теплообмена. Если хе по определенной информации о тепловом состоянии объекта требуется восстановить причинные характеристики, то имеет место та или иная постановка обратной задачи теплообмена. Задачи теплового проектирования и управления тепловыми процессами также являются обратными задачами с точки зрения причинно-следственных связей в процессах теплопереноса.
Методы обратных задач дают возможность исследовать сложные нестационарные процессы теплообмена в элементах конструкции, агрегатах и системах летательного аппарата, обладают высокой информативностью и позволяют, в конечном итоге, более обоснованно выбирать проектные решения. Поэтому в настоящее время в тепловом проектировании и экспериментальной отработке тепловых реж'.шов ЛА методы исследований, основывающиеся на принципах обратных задач теплообмена, находят все более широкое применение. Основываясь на Фундаментальных принципах теории некорректных задач математической Физики, заложенных академиком А.Н. Тихоновым, большие успехи в разработке методов и алгоритмов решения обратных задач теплообмена и
их практическом использовании были достигнуты в МАИ О.М.АлиФановым, Е.А.Артюхиным, В.В.Михайловым, С.В.Румянцевым и др., в ЦАГИ В.М.Юдиным и А.М.Беспаловым, в МГТУ В.Н.Елисеевым и С.В.Резником, в ЦНИИМаш К.Г.Омельченко и В.Е.Киллихом. в ЛИИ Л.И.Гусевой, В ИВТАН РАН Ю.В.Полежаевым, в ВИАМ П.В.Просунцовым, в ХАИ под руководством Д.Ф.Симбирского, в ИПМаш АН Украины под руководством Ю.М.Мацевигого, В ИТТФ АН Украины Л.А.Коздобой, Ф.А.Кривошеем и др., в ТПИ М.П.Кузьминым, в НИИПМ г.Томск В.Е.Абалтусовым, в УАИ Н.М.Цирельманом и Ю.С.Шаталовым, в ЦКБМ под руководством В.И.Жука, в МЭИ Ю.А.Кузма-Кичтой, в НПО "Энергия" А.К.Алексеевым, в МКБ "Факел" Г.А. Ивановым, в НИИТП Л.А. Домбровским, в ВЛТИ В.М.Поповым в НПО "Молния" Ю.А.Тимошенко и многими другими. Математические аспекты теории некорректных задач математической физики успешно развиваются во многих научных центрах России: в МГУ под руководством В.А.Морозова, А.М.Денисова, В.Б.Гласко и др. в Институте математики СО РАН под руководством М.М.Лаврентьева, а также в МИФИ А.И.Прилепко, в КГУ В.Н.Трушниковым и др. Основное распространение методы обратных задач получили при экспериментальном изучении нестационарных, высокоинтенсивных тепловых процессов, сопровождающих работу различных агрегатов и систем ЛА. В настоящей работе подобный подход был распространен и на решение задач выбора проектных параметров ЛА и управления тепловыми режимами. Это позволяет в свою очередь разработать единый комплекс математического обеспечения для выделенного направления исследований, который может быть использован при решении подобных задач в других областях науки и техники при анализе разнообразных процессов тешюпереноса и математических моделей теплообмена различного уровня сложности. Подводя итог сказанному, можно констатировать, что разработка единой методологии применения обратных задач для решения различных задач проектирования теплонагруженных конструкций, идентификации математических моделей теплообмена, диагностики процессов теплопереноса и оптимального планировани режимов тепловых экспериментов является актуальным направлением исследований в тепловом проектировании и экспериментальной отработке тепловых режимов летательных аппаратов.
Автор диссертации более пятнадцати .лет занимается исследованиями в области разработки алгоритмов и практического применения обратных задач в тепловом проектировании и испытаниях ЛА и их систем. Данная работа обобщает и развивает результаты
ИССЛеДОВаНИЙ, ПрОВедеННЫХ ИМ В ПерИОД С 1978 ПО 1994 г.
-е-
1.2. Цель работы. Из всего комплекса проблем, возникающих и требующих своего решения при создании надежных теплонагруженных конструкций, в данной работе анализируется проблема разработки единого подхода к решению задач теплового проектирования и исследования тепловых режимов ЛА методами обратных задач. Целью диссертации является разработка единой методологии применения экстремальных методов решения обратных задач математической физики при тепловом проектировании, идентификации математических моделей теплообмена, диагностике процессов теплопереноса, оптимальном планированиия тепловых экспериментов.
1.3. Научная новизна. Научная новизна работы определяется впервые реализованным общетеоретическим комплексным подходом к исследуемой проблеме, рядом новых постановок обратных задач для комбинированных и многомерных процессов теплообмена, новыми практическими результатами по оценке теплофизических характеристик ряда разрабатываемых материалов и диагностике внешнего воздействия на элементы конструкции, полученными в результате применения разработанных положений и методов к исследованию различных процессов теплообмена и тепловых режимов при проектировании и экспериментальной отработке ЛА и их систем.
На основе полученных решений обратных задач разработаны новые методы исследования характеристик теплозащитных материалов и покрытий ЛА, новые методы и средства диагностики теплообменных процессов, предложены оригинальные способы обработки результатов стендовых и летных исследований теплообмена в конструктивных элементах ЛА. Предложена новая постановка и метод решения задач оптимального планирования нестационарных тепловых экспериментов. В работе впервые анализируются вопросы влияния неопределенности параметров используемых математических моделей при решении задач идентификации и планирования.
Основной вклад в исследуемую проблему заключается в следующем:
диссертантом обоснована необходимость и сформулированы принципы единого алгоритмического подхода к решению задач теплового проектирования и исследования тепловых режимов ЛА на основании методов обратных задач математической физики;
диссертантом разработаны методы решения задач выбора оптимального пакета теплозащитного покрытия ЛА; определения теплофизических, физико-химических и радиационно-оптических характеристик теплозащитных и теплоизоляционных материалов, в ток числе, при наличии термического разложения и взаимодействия
газообразных продуктов с пористым каркасом; определения внешнего теплового воздействия на исследуемый объект, в том числе, и для многомерных процессов теплообмена; оптимального планирования условий проведения экспериментов, в том числе, размещения датчиков, времени регистрации сигнала, величины и продолжительности внешнего теплового воздействия.
1.4. Методика исследований. Общая методика исследования,
принятая в диссертационной работе, базируется на использовании и
обобщении опыта теплового проектирования, теории теплопередачи,
достижениях в области численных методов теплообмена, оптимизации и
решения некорректных задач математической физики. При решении
конкретных задач использовались современные методы и средства
автоматизации экспериментальных исследований, разработанные на
кафедре 601 Московского авиационного института, а также в ЦНИИМаш,
ВНИИЭМ, МКБ Факел, ИАЭ им. И.В.Курчатова.
Большое внимание в работе уделено обоснованию результатов, получаемых при использовании предлагаемых методов. Анализировалась достоверность результатов решения соответствующих задач идентификации и диагностики, в том числе путем сравнения расчетных температур, полученных при использовании окончательных значений искомых характеристик математических моделей, с экспериментальными данными, не использовавшимся при решении обратных задач. Результаты решения задач оптимального планирования проверялись путем математического моделирования соответствующих задач идентификации и диагностики.
1.5. Практическая ценность. Работа выполнена в рамках
госбюджетной и хозрасчетной тематики научных исследований,
проводимых на кафедре 601 МАИ по планам и постановлениям
Правительств СССР и России, а также по прямым договорам с ЦНИИМАШ,
ИАЭ им. И.В. Курчатова, НПО им. Лавочкина, МКБ Факел, ВНИИЭМ, Рос
сийским космическим агенством, Министерством науки и технической
политики РФ.
Практические рекомендации, полученные в работе на основании теоретического исследования процессов теплообмена, нашли экспериментальное подтверждение при исследованиях, проводившихся в различных организациях аэрокосмической промышленности. Результаты работы использованы при проектировании и экспериментальных исследованиях тепловых режимов различных летательных аппаратов, разработки системы безопасности ядерных реакторов. Алгоритм решения задачи выбора толщин ТЗП использовался при проектированиии системы
тепловой защиты СА "Карина" ( НПО им.Лавочкина). Результаты идентификации характеристик математических моделей теплообмена и диагностики процессов теплопереноса использовались при разработке защитных кожухов для научной аппаратуры АМС "Марс-94"; отработке новых напыляемых теплозащитных материалов в МКБ Факел; отработке терморегулирующих покрытий ИСЗ "Метеор" и "Метеор-Природа" в ВНИИЭМ; исследовании взаимодействия конструкционных материалов с запыленными газовыми потоками в ЦНИИМаш (Авторское Свидетельство N 311265 от 12.04.90); разработке системы безопасности ядерных реакторов в ИАЭ им. И.В.Курчатова (Авторское Свидетельство N 1723585
ОТ 1.01.91).
Полученные в диссертации результаты развивают теорию обратных задач и расширяют область их практического использования. Теоретические результаты могут служить основой для вычислительных алгоритмов идентификации, диагностики и планирования. Возможно использование материалов диссертации в специальных курсах по теории обратных задач.
1.6. Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее
результаты докладывались, обсуждались и были одобрены на 1-ой
российской национальной конференции по теплообмену (г.Москва, 1994),
Минских международных форумах по тепло- и массообмену (1988,
1992гг.), з-ем, 4-ом и 5-ом Всесоюзных семинарах по обратным
задачам теплопереноса (г. Москва, 1982г., г.Уфа, 1984г., п.Ярополец
МО, 1988г.), 1-ой и 2-ой международных конференциях Идентификация
динамических систем и обратные задачи (г.Суздаль, 1990г.,
г.Санкт-Петербург, 1994г.), і - ой международной конференции
ТЄПЛОПЄрЄНОС-90 (Г.ПОРТСМУТ, Великобритания, 1990Г.),
Американо-российском рабочем совещании по ОЗТ (г. Ист-Лэнсинг, Мичиган, США, 1992г.), ежегодной Американской конференции инженеров-механиков (asme) (г.Новый Орлеан, США, 19эзг.), Ежегодной конференции Американского Института Астронавтики и Аэронавтики
(АІАА) (Г.ДЄНВЄР, США, 1994Г.) И РЯДЄ ДРУГИХ.
-
Публикации. По результатам выполненных исследований, посвященных теме диссертации, опубликовано 79 печатных работ, выпущено более 20 научно-технических отчетов, получено два авторских свидетельства. В 1989 г. автору диссертации в числе участников творческого коллектива была присуждена премия Ленинского комсомола за разработку систем теплозащиты новых образцов техники. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в работах [і - 35 ].
-
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
э-
восьми глав, объединенных в две части, введения и заключения. Текстовый материал (не включая рисунков и таблиц) состоит из 254 страниц машинописного текста. Рисунки и таблицы занимают 83 страницы. Список литературы включает 278 наименований.
