Глава XVIII. Тепловая защита летательных аппаратов и их энергетических у (1013646), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Большие значения температуры поверхности (Т,„) тепло- защитных покрытий имеют преимущества в том, что с ее увеличением растет тепловой поток (д„), излучаемый поверхностью. Поверхность охлаждается излученивм, что ведет в соответствии с уравнениями (18.86) и (18.73) к увеличению эффективной энтальпин материала (7,э). Однако одновременно может увеличиться толщина покрытия (И) и общая масса теплозащиты может оказаться большой. Другая группа требований к покрытиям связана с технологическими и конструктивными свойствами. Покрытие должно быть технологичным, легко наноситься на поверхность и обладать хорошей адгезией, т.
е. прочно связываться с поверхностью. Эта связь не должна нарушаться при нагревании поверхности контакта. Внешняя поверхность теплозащитного материала должна выдерживать воздействие больших аэродинамических нагрузок, не скалываясь и не трескаясь, т. е. обладать высокими механическими свойствами.
Если применяется двухслойное покрытие, то нижний теплозащитный материал (подслой) не должен разлагаться при нагреве, ибо при этом произойдет нарушение целостности верхнего покрытия и его сцепления. Защищаемые поверхности могут покрываться керамическими материалами, графитом, стеклообразными материалами, пластмассами разных типов. Керамические материалы обычно обладают большой термостойкостью, высокой температурой разрушения, малой теплопровод- 470 костью и большой величиной эффективной энтальпии. Их недостатком являетси то, что они требуют обжига при высоких температурах и, следовательно, их трудно наносить непосредственно на поверхность аппарата.
Рис. Ш.ЗО. Схема тепло- Пластмассы применяются с различны- обмена (при полностью ми видами армирующих наполнителей. Эти Суван"ИРУМ'"ЕМСИ крытии) материалы обладают высокой прочностью, малой теплопроводностью, большой теплоемкостью. Унос тепло- защитных материалов данного класса происходит частично путем сублимации с поверхности, что вызывает большое поглощение тепла при разрушении. Г1ластмассы обладают хорошими технологическими свойствами.
Стекловидные материалы при высоких температурах имеют свойства очень вязкой жидкости, что способствует поглощению тепла материалом до того, как жидкий слой будет снесен под действием аэродинамических сил. Они характеризуются большой теплотой испарения, малой теплопроводностью и хорошими термодинамическими характеристиками. Рассмотрим приближенный метод определения эффективной энтальпии для некоторых наиболее важных случаев, позволяющий получить простые выражения для оценки влияния различных факторов иа скорость уноса. В частности, рассмотрим три типа покрытий: сублимирующихси полностью или частично, уносимых в результате горения с образованием газообразных продуктов и плавящихся (стеклообразных). На практике может оказаться, что все перечисленные физические явления присутствуют одновременно и сопровождаются механическим уносом материала. Возможно также более сложное взаимодействие с пограничным слоем.
Если в состав покрытия входит материал, способный возгоняться, то для определения эффективной энтальпии покрытия необходимо знать долю в нем сублимирующегося материала. Рассмотрим покрытие, изготовленное из однородного материала (рис. 18.30), который полностью возгоняется и не вступает в химические реакции с внешним потоком. При вдуве вещества в пограничный слой в результате сублимации теплозащитного покрытия тепловой поток на поверхности с достаточной точностью при не очень большой интенсивности вдува можно записать в виде (см. формулу (18.15)) д й)„о — — 1 — Вб, (! 8.78) 6 где 0 = = — (1, — 1 )(11,~ — безразмерный унос мате(са1сп)а риала; (сс)сп)е = д,,1(1, — 1„) — обобщенный коэффициент тепло- отдачи на непроницаемой поверхности; В = 0.67 — 0,87х х (Мг/М )ох — постоянный коэффициент.
471 Рнс. 1З.ЗП Зависимость уноса суелимнрукапегоси материала б от антальпин торможении набегающего патока 1» (В = О,Б; С»(рм = О) д 2 т» Тр Выразим величину истинного тылового потока д к поверх- ности из уравнении (18.73) через истинную энтальпию материала при Н„= 0: д = 6Л1+ д„. Отсюда с учетом уравнения (18.66) =ОИ1(И„)+),(р . (18.79) Подставляя в уравнение (18.79) выражение для д /д, из уравне- ния (18.78), получаем 6171„=1 — ВΠ— 7„17 =1 — (1,— 1.)11,, ц„~, .
(18.80) Отсюда значение эффективной энтальпии для полностью субли- мирующегося материала 1.,= (,",„, (1+В'„'), (18.81) где 1, = 1, + г (и,12). У сублимирующихся материалов эффективная энтальпия возра- стает с увеличением энтальпии торможения. Если молекулярная масса вещества, испаряющегося с поверхности покрытия, мала, то значение коэффициента В возрастает и зависимость эффектив- ной энтальпии материала от энтальпии торможения (7,) становится еще более сильной. Используя выражение для 1,е и соотношение (18.68)„получим (а(ср)а ((» ум) (( — т»1рм») (18.82) а(((+в(1,— 1 )1а)) или в безразмерном виде (.(( — р»1ч ) (18.83) (+в), где 7, = (1, — 1„)1А1. Из рис.
18.31, где представлен примерный вид зависимости скорости уноса сублимирующегося материала от энтальпии торможения набегающего потока воздуха, видно, что в некотором диапазоне изменения безразмерной эитальпии торможения массовый унос является функцией от 1, (О «( 1, < 2,6). Анализ уравнений (18.81) и (18.82) показывает, что излучение с поверхности теплозащитного материала как бы увеличивает эффективную энтальпию материала и уменьшает укос теплозащитного покрытия.
Очевидно, что при и, = д,, 1,е- оо, а б -+ О. 472 Тогда выражения для уноса материала получим из ~)юрмул (18.77) и (18.82): ( / г). (1.-- / ) (~ — ь ч ) (и — и„) (!-(. в р,— / )/(м — н„)) (! 8.85) или д ~е (~ Чг/чвО) ! //х/з/ + 87е (18.86) Область применимости этих формул ограничена кинетикой испарении и кинетикой протекания химических реакций, При больших значениях 1, обычно Н„/Л1 (( (1, — 1 )/Л1. Примерный вид зависимости с учетом горения представлен на рис.
18.32. Приведенный выше приближенный анализ позволяет выяснить лишь качественную картину явлений при уносе сублимирующихся покрытий с горением. Под воздействием теплового потока и сил трения на поверхности покрытия может образоваться движущаяся пленка расплава.
При своем движении пленка расплава может перегреваться, 473 Для покрытия, состоящего из вещества, способного вступать в химические реакции с газом набегающего потока, рассмотрим два случая. Если суммарный подвод тепла к поверхности недостаточно велик, то температура поверхности (Т ) не достигает температуры сублимации и количество унесенного теплозащитного материала будет целиком определяться скоростью диффузии окислителя из внешнего потока. Во втором случае унос будет происходить при плавлении илн сублимации материала при температуре, равной температуре фазового перехода.
Однако в этом случае необходимо учитывать дополнительное выделение тепла гетерогенных реакций на поверхности, и количество унесенного материала определяется из теплового баланса на поверхности. Если диффузии окислителя настолько велика, что соблюдается условие д,„ )~ Ж (Ь вЂ” количество окислителя, вступающего в химическую реакпию с 1 кг массы материала покрытия), то фронт горения будет совпадать с поверхностью тела, если д,„ ( 1.6, то фронт горения может сместиться внутрь пограничного слоя.
Приближенный расчет теплообмена для этого случая можно провести, исходя из условия, что профиль полной энтальпии слабо изменяется при наличии химических реакций, и тогда тепло- а вой поток определяется из выражения д = — (1, — 1 ) + + ОН„независимо от положения фронта пламени.
1)ри этом могут быть использованы формулы, полученные для расчета эффективной энтальпии сублимирующихся покрытий (18.81) при подстановке в них вместо величины Л1 разности Л1 — Н,: 1,э = (1 — —" -)- В1,~ . ((8.84) Чг/%оо (18.87) — (!О! — ! )г Л( д ) При отсутствии испарения о = О, прн наличии испарения о„= =ов . При у-е — со, Т-ьТо, и — О, о = о система координат перемещается вдоль оси с неизвестной заранее скоростью уносао. у Г ге Рис. !3.33. Зависимость аффективной знтальпин 7еф теплоаащитного материала от знтальпин торможения набе. гающего потока !е с учетом горения Рис. !3.33, Схема течения в окр.стности критической точки прн плавлении теплозащятного покрытия: 1 — гааооараавма оогравкевма слов; П— мвдкак плевка расплеалеввого матерел. ла; 1!1 еаердма матервал 1- О„1Ь1 Ь 1, (о, 1и е, = С/(0,22+ В); мо,=п,!(1 — о !о )~ 474 а температура поверхности отличаться от температуры плавления.
Например, стекловидные материалы не имеют фиксированной температуры плавления. Если тепловой поток не превышает некоторого критического значения, то на поверхности раздела жидкость — газ нет заметного испарения (пленка сноситсн, не успевая прогреться до температуры испарения).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
