Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Это связано не только с тем, что тепловой поток дь, идущий на прогрев внутренних слоев, может сильно отличаться от своего квазистационарного значения (3-50), но и с тем, что массовые доли компонент на разрушающейся поверхности могут отличаться от исходного состава теплозащитного материала (второе обстоятельство является более существенным). Оно вызвано различиями в скоростях перемещения характерных изотерм внутри материала при нестационарном нагреве.
Например, скорость выхода газообразных продуктов термического разложения связующего вещества определяется скоростью перемещения изотермы Т=Т'. Если эта скорость существенно превосходит скорость перемещения внешней поверхности, то концентрация газообразных продуктов разложения смолы у поверхности может оказаться столь значительной, что изменится характер протекания поверхностных процессов— горения и испарения. Такой случай исследовался в работе (Л. 5-9), где показана возможность повышения скорости испарения стеклопластика Йо при нестационарном нагреве (рис.
5-9) когда скорость перемещения 1зо изотермы в ~ раз превышает скорость поверхностного разрушения. Иестацнонарное раар~ На практике выход материала на режим разрушения происходит в несколько этапов. К тому времени, когда температура поверхности достигает предела разрушения материала, фронт термического разложения может оказаться уже на достаточной глубине от поверхности, и тогда из-за термического сопротивления прококсованного слоя скорость, его перемещения резко понизится и станет равной и (рис.
5ЧО). Это обстоятельство позволяет использовать единую зависимость скорости разрушения от температуры поверхности 6,(Т„) как в неустановив-1 шемся, монотонно возрастающем, так и в квазистационарном режимах' нагрева. Физически принятое допущение оправдано тем, что температура поверхности — единственный из всех других параметров состояния тепло- защитного материала, который непосредственно влияет на интенсивность протекания поверхностных процессов, таких как скорость химического взаимодействия или сублимации.
Даже у плавящихся материа- Рис. б-о. Изменение отношения скорости испарения стеклопластика Оо к скорости испарении кварцевого стекла 0 с температурой поверхности в условиях нестационариого нагрева (с — отношение скоростей разложения связующего вещества при нестационарном и кзазнстационарлом режимах разо)шепни). Рис.
3-!О. Изменение во времеян т расхода газообразных продуктов ,кохсованив О и массовой скорости оплавлениЯ ов =Рзз , в Разрт- й шающемсв стеклопластике при постоянных параметрах набегающего потока. (О = Е () — К) Р у — квазистационарное значение рас- см о хода газообразнмх продуктов коксования). 2,2 ),в '!,4 2З лов с сильной зависимостью вязкости от температуры величина Т практически полностью определяет расход вещества внутри расплавленной пленки (см. гл, 8). Что касается внутренних процессов, то серьезно повлиять на зависимость скорости поверхностного разрушения от температуры Т„могут Ьвзвко-хкмвческве основы разрушеввв лишь те из них, которые либо связаны с образованием значительных масс газообразных продуктов (т.
е. влияют на интенсивность вдува), либо приводят к образованию новых химических компонент, влияющих на механизм разрушения определяющей компоненты. Применительно к композиционным теплозащитным материалам на органической связке процессом первого типа является термическое разложение смолы, а примером второго — гетерогенное взаимодействие окислов наполнителя с углеродом связующего вещества, при котором образуются тугоплавкие карбиды. Во всех случаях, когда температура термического разложения связующего много ниже температуры разрушения поверхностного слоя теплозащитного материала, влиянием предыстории нагрева на зависимость скорости разрушения от температуры 0„(Т„), как показано на рис.
5-10„ можно пренебречь. Этот вывод подтверждается многочисленными экспериментальными и расчетными исследованиями. Использование единой зависимости скорости поверхностного разрушения от температуры поверхности позволяет разделить расчеты процессов разрушения и прогрева при любых, а не только квазистационарных условиях нагрева. В отличие от квазистационарных соотношений типа зависимости эффективной энтальпии !,фф от энтальпии торможения потока Т, уравнение 0„(Т„) имеет то преимущество, что оно не связано с ограничениями на количество тепла цх, поглощенного внутри покрытия.
Естественно, что связь скорости 0 с температурой Т должна также учитывать все стороны влияния внешних параметров набегающего потока на механизм разрушения или, в общем случае, должна быть представлена многопараметрической зависимостью 0~ = ~~ ]То~ (се!ар)з Ре Те]. (5-6) (5-7) Для каждого класса материалов и для каждого определяющего механизма разрушения конкретный вид уравнения (5-6) может быть получен либо в процессе экспериментального исследования, проводимого также в квази- стационарных условиях, либо расчет- 2000 ным путем (характерные кривые скорости разрушения оплавляющихся материалов представлены на рис. 5-11). Подобным же образом определяется зависимость суммарного теплового эффекта поверхностных процессов Л9„от скорости разрушения 0„и параметров обтекания ~32 Мо 12 ]0о (Фар)о~ Ре Те].
Нестацнонарное раару Если в процессе разрушения часть материала уносится в жидком илн твердом виде, то возникает необходимость в определении доли газообразных продуктов: Г = б lбв = 1з [~н' (са(ср)о'Те' Ре~ ' (5-8) Соотношения (5-6) — (5-8) вместе с балансом тепла на разрушаю. щейся поверхности (5-1) позволяют замкнуть систему граничных условий и получить связь теплового потока д с температурой Теи «ух= — Х вЂ” ~ =д — 70 (7,— 7 ) — 6 51;1 — аоТ'. дТ (5-9) Этого условия оказывается достаточно для решения общего уравнения сохранения энергии внутри теплозащитного покрытия (3-44) при любом характере изменения внешних параметров обтекания.
При этом скорость перемещения внешней поверхности и определяется с привлечением соотношения (5-8). В тех случаях, когда время установления квазистационарного режи- а ма разрушения тг= — Г(т) (см. гл. 3) оказывается много меньше ха- 2 о рактерного времени изменения внешних условий, процедуру расчета можно упростить, используя понятия эффективной энтальпии или безразмерной скорости бв и параметра Г и их зависимость от энтальпии заторможенного потока Т„типа уравнения (5-4).
Итак, общая задача исследования разрушающихся теплозащитных материалов требует установления определяющего механизма разрушения и получения зависимости основных характеристик уноса массы в виде функций от температуры поверхности н внешних условий обтекания. С этой целью целесообразно разбить все многообразие теплозащитных материалов на несколько классов, исходя из предполагаемого определяющего механизма разрушения.
Будет рассмотрено пять таких классов: 1) сублимирующие материалы (гл. 6); 2) разлагающиеся материалы (гл. 6); 3) материалы, химически реагирующие с компонентами набегающего газового потока (гл. 7); 4) оплавляющиеся материалы (гл. 8); 5) композиционные материалы (гл. 9). При изучении последнего класса материалов требуется учитывать взаимное влияние различных элементарных процессов разрушения друг на друга. При этом необходимо выявить условия, при которых такое влияние может качественным образом отразиться на интенсивности уноса массы или температуре разрушения.
Конечно, перечисленные пять классов теплозащитных материалов не могут закрыть все разнообразие химических веществ и нх компози- Физико-химические основы разрушеиив ций, с которыми приходится встречаться на практике. Более того, ниже будут приведены лишь те механизмы разрушения, которые могут быть описаны на основании строгих термодинамических или гидродинамических соотношений. Из рассмотрения выпали различные гипотезы. механической эрозии, требующие введения эмпирических зависимостей, для предельных условий термопрочности. Такое ограничение вызвано, прежде всего, желанием авторов найти общий подход к построению методов расчета разрушающихся тепло- защитных материалов. Важно также, чтобы все теплофизические, кинетические и другие параметры расчетных моделей однозначно характеризовали сам материал, а не характер его нагрева или разрушения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
