Разработка экспериментально-теоретической методологии исследования и прогнозирования свойств композиционных материалов, основанной на теории обратных задач и стохастических подходах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 14-19-01777

НазваниеРазработка экспериментально-теоретической методологии исследования и прогнозирования свойств композиционных материалов, основанной на теории обратных задач и стохастических подходах

Руководитель Алифанов Олег Михайлович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова Теплотехнические материалы, обратные задачи теплообмена, прогнозирование свойств материалов, итерационная регуляризация

Код ГРНТИ89.25.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для современной космической и аэрокосмической техники характерны конструкции, работающие в условиях интенсивных, часто экстремальных тепловых воздействий. Общая тенденция развития техники связана с увеличением числа ответственных теплонагруженных технических объектов, с ужесточением условий их теплового нагружения при одновременном повышении надежности и ресурса, снижении материалоемкости. Для космических аппаратов и многоразовых транспортных систем обеспечение тепловых режимов является одним из важнейших разделов проектирования, определяющим основные проектно-конструкторские решения. Характерными особенностями современных теплонагруженных конструкций космической техники являются нестационарность, нелинейность, многомерность и сопряженный характер процессов тепломассообмена. Эти особенности ограничивают возможность использования многих традиционных расчетно-теоретических и экспериментальных методов исследований. В течение длительного времени при создании новых образцов техники большое внимание уделялось композиционным материалам теплотехнического назначения, наибольший интерес среди которых представляют материалы, обладающие экстремальными свойствами - суперизоляторы и супертеплопроводящие композиты, например, высокоплотные композиционные материалы типа углерод-углерод, углерод- керамика; высокопористые теплоизоляторы, выполненные из волокон или микросфер; легкие аэрогели и др. Современные подходы к созданию таких материалов предполагают широкое применение методов математического и физического моделирования. Однако проведение математического моделирования невозможно без достоверной информации о характеристиках (свойствах) анализируемых объектов. В большинстве практических случаев прямое измерение теплофизических свойств материалов (особенно сложного состава) является невозможным. Единственным путем, позволяющим преодолеть эти сложности является непрямое измерение. Математически подобный подход обычно формулируется как решение обратной задачи: по прямым измерениям состояния системы (температуры, концентрации компонентов и т.д.) определить свойства анализируемой системы, например, теплофизические характеристики материалов. Нарушение причинно-следственных связей в постановке таких задач приводит к их некорректности в математическом смысле (т.е. отсутствию существования и/или единственности и/или устойчивости решения). Поэтому для решения подобных задач разрабатываются специальные методы, обычно называющиеся регуляризирующими. Окончательной целью данной работы является разработка комплекса технических и методических средств системы идентификации и прогнозирования свойств теплотехнических материалов. Достижение этой цели связано c a) применением методов математического моделирования, позволяющих анализировать и прогнозировать работу элементов конструкций в составе технического объекта. б) применением современных высокоэффективных методов и средств идентификации базирующихся на аппарате обратных задач теплообмена. в) реализацией указанных методов и средств в виде экспериментально-вычислительной системы, позволяющей оперативно анализировать теплофизические эксперименты и оценивать тепловое состояние конструкций. Успешное решение этой проблемы возможно только при учете ее физических, математических и технических аспектов. При этом необходимо решить следующие задачи: - разработать вычислительные алгоритмы и программное обеспечение для решения задач определения характеристик теплотехнических материалов в условиях нестационарного нагрева на основе решения обратных задач теплообмена; - разработать средства измерений (включая, датчики температуры, тепловых потоков и др); - разработать и изготовить прототип автоматизированной системы (АС) идентификации математических моделей теплообмена; - модернизировать технические средства тепловакуумных стендов ТВС-1 и ТВС-2 (включая модернизацию электромеханического оборудования и аппаратно-программных средств АС стенда, а также разработку специальных экспериментальных модулей); - разработать методики подготовки и проведения тепловых испытаний для экспериментальной отработки создаваемых технических и методических средств диагностики тепловых режимов; -- разработать методы прогнозирования свойств перспективных теплотехнических материалов; провести экспериментально-расчетные исследования на по отработке технических и методических средств разрабатываемых технологий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Alifanov O.M., Albano M., Nenarokomov A.V., Delfini A., Budnik S.A., Marchetti M., Titov D.M. Low orbit environment effects on Carbon/SiC composites: experimental and numerical approach. 65th International Astronautical Congress, Paper ID: 26186 (год публикации - 2014)

2. Алифанов О.М., Черепанов В.В. Методы исследования и прогнозирования свойств высокопористых теплозащитных материалов. Москва: Издательство МАИ, 276с. (год публикации - 2014)

3. Nenarokomov A.V., Alifanov O.M., Dombrovsky L.A., Budnik S.A., Krainova I.V. Heat transfer in vacuum thermal insulation of space vehicles: an experimental estimate vs theoretical prediction Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, IHTC-15 August 10-15, 2014, Kyoto, Japan, paper # IHTC15-9822 (год публикации - 2014)

4. Алифанов О.М., Черепанов В.В. Методы исследования и прогнозирования свойств высокопористых теплозащитных материалов Издательство МАИ, Москва, Издательство МАИ, Москва (год публикации - 2015)

5. Ненарокомов А.В., Домбровский А.В., Крайнова И.А., Алифанов О.М., Будник С.А. Identification of radiative heat transfer parameters in multilayer thermal insulation of a spacecraft Int. J. Numer. Meth. Heat Fluid Flow (год публикации - 2016)

6. Alifanov O.M., Nenarokomov A.V., Salosina M.O. Optimal Design of Multi-Layer Thermal Protection of Solar Probe. ).- Silesian TU Publ., Gliwice, Poland, Proceedings of International Conference Numerical Heat Transfer (Evrotherm Seminar N109, 27-30 September 2015, Warsaw, Poland) (год публикации - 2015)

7. Алифанов О.М., Иванков А.А., Нетелев А.В., Финченко В.С. Применение аэроупругих устройств с гибкой тепловой защитой для торможения аппаратов в атмосфере планет Тепловые процессы в технике, 2014. Т.6., №7, С.301-301 (год публикации - 2014)

8. Алифанов О.М., Будник С.А., Ненарокомов А.В., Нетелев А.В. Диагностика теплового воздействия на лобовой экран спускаемого аппарата методом обратных задач Шестая Российская национальная конференция по теплообмену. Тезисы докладов. 27-31 октября 2014г., Моска: Издательский дом МЭИ. Т.1, С. 165-166 (год публикации - 2014)

9. Алифанов О.М., Черепанов В.В., Моржухина А.В. Математическое моделирование ультрапористых неметаллических сетчатых материалов Инженерно-физический журнал / Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2015г. №1 (год публикации - 2015)
10.1007/s10891-010-0396-1

10. Черепанов В.В., Алифанов О.М., Моржухина А.В., Будник С.А. Highly porous thermal protection materials: Modelling and prediction of the methodical experimental errors Acta Astronautica, Vol. 128, pp. 392–400 (год публикации - 2016)
10.1016/j.actaastro.2016.07.033

11. Моржухина А.В. Моделирование термопарных измерений при испытании теплозащитных материалов и покрытий летательных аппаратов Шестая Российская национальная конференция по теплообмену. Тезисы докладов. 27-31 октября 2014г., Моска: Издательский дом МЭИ. Т.1, С. 79-80 (год публикации - 2014)

12. Черепанов В.В., Алифанов О.М. Modeling of spectral properties and the phase scattering function for a lightweight heat protection spacecraft materials. Journal of Heat Transfer, №3, Т.139, 9 стр. (год публикации - 2017)
10.1115/1.4034814

13. Черепанов В.В. Имитационное исследование индикатрисы рассеяния и других спектральных свойств аэрокосмических ультрапористых теплозащитных материалов Тепловые процессы в технике, Т.8, №4, С. 167-180 (год публикации - 2016)

14. Черепанов В.В., Алифанов О.М. Идентификация свойств и возможности расширенных математических моделей ультрапористых высокотемпературных аэрокосмических материалов Тезисы докладов и сообщений. XV Минский международный форум по тепло- и массообмену 23 – 26 мая 2016 г., Том 2. С. 454-456 (год публикации - 2016)

15. Алифанов О.М., Будник С.А., Ненарокомов А.В., Нетелев А.В., Титов Д.М. Датчики тепловых потоков, интегрируемые в конструкцию теплозащитных покрытий Инженерно-физический журнал / Journal of Engineering Physics (год публикации - 2017)

16. M. Albano, O.M.Alifanov, A. Delfini, A.V.Nenarokomov, D.M.Titov, S.A.Budnik, M. Marchetti Properties of Carbon and SiC foams as insulator for space thermal protection systems Proceedings of 66th International Astronautical Congress (12 -16 October/Jerusalem, Israel), IAC-15-C2.4.4, 2015, 10p. (год публикации - 2015)

17. Алифанов О.М., Черепанов В.В., Моржухина А.В. Высокоточный численный метод для верификации данных экспериментального исследовании теплового состояния образцов Тепловые процессы в технике, 2014. Т. 6. № 12. С.560-566. (год публикации - 2014)

18. Alifanov O.M., Chereanov V.V., Morzhukhina A.V. Highly porous thermal protection materials: modeling and prediction of the methodical experimental errors Proceedings of 66th International Astronautical Congress (12 -16 October/Jerusalem, Israel), IAC-15-C2.8.4, 2015, pp. 6655-6660 (год публикации - 2015)

19. Alifanov О.М. Inverse Methods in Identification and Modeling of Thermal Processes in Aerospace Materials and Structures: Theory and Practice Proceedings of 66th International Astronautical Congress (12 -16 October/Jerusalem, Israel), IAC, paper №31630, 10p. (год публикации - 2015)

Публикации