Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 25

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 25)

Рассмотрим механизм выравнивания линейных скоростей разрушения Различных составляющих композиционного теплозащитного материала на примере стеклопластика на органическом связующем (рис. 5-1) . При квазистационарном разрушении (см. гл, 3) органическое связующее, имеющее весьма низкую температуру термического разложения, уносится с той же скоростью, что и тугоплавкий стеклянный наполни- тель. При этом фронт разложения связующего находится в глубине по- ыз крытия, т. е.

в области существенно более низких температур и значе- Понятие об определяющем механизме разрущ ний теплового потока. Поры, образующиеся в прогретом слое, создают определенное сопротивление диффузии компонент набегающего газового потока, затрудняя их химическое взаимодействие с органическим свял зующим. С другой стороны, выход газообразных продуктов термического разложения связан с преодолением гидродинамического сопротивления пор, Таким образом, положение фронта термического разложения связующего вещества внутри тугоплавкого стеклянного каркаса будет определяться балансом подведенного тепла н химически активных компонент, с одной стороны, и расхода связующего — с другой.

Последний соответствует скорости перемещения внешней поверхности. Может случиться и так, что компонента, обладающая более высокой теплохимической стойкостью по сравнению с остальными компонентами, не сможет образовать прочного связанного каркаса (примером может служить асботкань).

Тогда логично предположить, что даже при высоком содержании этой компоненты в исходном материале она будет подвсржсна механическому уносу (рис. 5-2). В этом случае роль определяющей компоненты композиционного теплозащитного материала мо- Рис. З-!. Модель разрушения композиционного материала из тугоплав«ого маполиителя и органической связки. ! — компонента, образующая прочный иаркас; 2 — органическая связка; 3 — профиль температуры в покрытии. Рис.

З-2. Модель разрушения яомпознционного материала из теплостойкого. но непрочного иаполннтел». 1 — ааполнитель; 2 — пракоксованная связка. жет выпасть на долю связующего или другого наполнителя, которые имеют достаточную прочность при высоких температурах по отношению к напряжениям сдвига со стороны внешнего течения. Установить механизм разрушения можно лишь на основании экспериментального и теоретического изучения теплофизических и прочност- Фнзнко-кнмнческне основы рззрушення ных свойств материала в условиях аэродинамического воздействия высокотемпературного газового потока. Механизм разрушения является по существу схематической моделью, фиксирующей количество и внд важнейших физико-химических процессов, сопровождающих унос массы теплозащитного материала, и позволяющей рассчитывать и сопоставлять характеристики теплозащитного покрытия в различных условиях.

В гл. ! дана оценка эффективности различных схем тепловой защиты в зависимости от интенсивности нагрева. По способу рассеяния или поглощения тепла их целесообразно разбить на следующие четыре группы: а) аккумуляция тепла веществом при нагреве до температуры разрушения (теплоемкость); б) излучение от нагретой поверхности; в) поглощение тепла при фазовых или физико-химических превращениях; г) снижение конвективного теплового потока к поверхности при вдуве газообразных продуктов разрушения в пограничный слой.

Фазовые превращения являются одним из самых эффективных способов поглощения тепла, особенно переход в газообразное состояние, поскольку теплота сублимации почти на порядок превосходит теплоту плавления. Кроме того, отвод газифицированного вещества сопровождается вдувом массы в пограничный слой. С этих же позиций необходимо рассматривать и химическое взаимодействие отдельных компонент внутри материала между собой, а также с компонентами набегающего потока.

Во многих случаях химические реакции протекают с выделением тепла, что ухудшает тепловой баланс в поверхностном слое. Тем не менее образование в результате этих реакций больших масс газообразных продуктов считается положительным явлением, так как оно ведет к снижению доли механически унесенного материала с поверхности н вдуву газа в пограничный слой. Снижение конвективного теплового потока при вдуве газообразных продуктов с разрушающейся поверхности является важнейшей принципиальной особенностью данного способа тепловой защиты, определяющей ее преимущества перед другими методами.

Как было установлено в гл. 4, разность между тепловыми потоками к непроницаемой поверхности и к поверхности с расходом массы через нее [уравнение (4-12)1 в первом приближении равна: Че Чо = Чвд = 7В(~е то). Коэффициент у в линейной аппроксимации зависит от отношения молекулярных масс вдуваемых продуктов и набегающего газового потока, но прежде всего он является функцией режима течения в пограничном слое. В инженерной практике с учетом реального состава продуктов Разрушения для ламинарного пограничного слоя принимают посто1зо янное значение у =0,6, в турбулентном пограничном слое коэффициент Понятие об определяющем механизме разру вдува приблизительно втрое меньше (см.

уравнение (4-23)), и его принимают равным у,=0,2. Важно отметить, что тепловой эффект вдува возрастает по мере увеличения теплонапряженности внешнего обтекания (перепада энтальпий). При больших энтальпиях торможения 1,)30000 кДж/кг вдув по своей эффективности превосходит все другие способы рассеяния и поглощения тепла на разрушающейся поверхности. Казалось бы, программа поиска оптимальных теплозащитных систем должна сводиться к термодинамическим расчетам различных рецептур и выбору материалов с максимально высокими температурой и теплотой сублимации или газификации. Однако в действительности при таком подходе приходится считаться с рядом серьезных ограничений, обусловленных специфическими особенностями воздействия аэродинамического потока высокотемпературного газа на материал.

Обычно вводят два параметра: Г и ЛЯ, которые характеризуют степень реализации заложенных в материале «термодинамических» возможностей при заданных параметрах внешнего обтекания. Первый из них Г называется коэффициентом газификации, о нем уже говорилось в ~ 3-5. Рассмотрим, как изменяются его значения на примере стеклообразных теплозащитных материалов. Большинство веществ при умеренных давлениях, прежде чем перейти в газообразное состояние, проходят фазу расплава.

Сам процесс плавления в потоке высокотемпературного газа существенно зависит от того, является ли данное вещество кристаллическим нли аморфным. На практике широко используются стеклообразные материалы, относящиеся к классу аморфных веществ. Они не имеют четко выраженной точки (температуры) плавления, а размягчаются постепенно, причем вязкость расплава экспоненциально убывает с ростом температуры. Это обстоятельство приводит к тому, что аморфные вещества могут значительно перегреться относительно температуры размягчения, при этом значительная часть расплава перейдет в пар (испарится).

Иными словами, при аэродинамическом нагреве аморфных веществ вообще и стекол, в частности, в поверхностном слое имеют место сразу два фазовых превращения, причем каждое не связано с какой-то фиксированной температурой, а может протекать в широком температурном интервале в зависимости от заданных уровней динамической и тепловой нагрузок.

Позже мы покажем, что массовая скорость испарения при интенсивном нагреве определяется температурой поверхности и давлением (при заданных размерах и форме тела). От этих же параметров в первом приближении зависит и доля вещества, унесенного в жидком виде. Действительно, в окрестности точки торможения давление непосредственно определяет уровень сдвигающего воздействия потока (силы трения и распределенное нормальное давление), а температура поверхности— вязкость расплава.

Поэтому для каждого конкретного стеклообразного материала можно построить соответствующую диаграмму (рис. 5-3), на о нм Физико-кнмнческне основы разрушении которой будут изображены области преимущественного протекания того или иного фазового превращения. Для кварцевого стекла можно принять, что при температурах поверхности ниже 2000 К оно практически не разрушается в потоке газа.

При давлениях выше атмосферного существует ограниченный интервал температур Т, когда кварцевое стекло плавится почти без испарения. Наиболее характерным режимом разрушения следует считать плавление с испарением. В этой области параметр Г в зависимости от температуры и давления изменяется от 0 до 0,5. В диапазоне малых давлений доля испарения может превысить Г=0,5. Наконец, при очень высоких Т„и малых р, возможно столь интенсивное испарение, что произойдет оттеснение пограничного слоя испаряющейся компонентой и вблизи поверхности тела с)э/йу станет отличным от нуля, т. е.

Характеристики

Список файлов книги