Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 39
Текст из файла (страница 39)
1 — раб а 1Л. 7-Мо г — таблица ЛАМАР. Рис. 7-11. Зависимость суммармого теплового аффекта сублимации угле- рода ЬО„от температуры поверкиостн Т 1 — работа [Л. 7-101; г — таблица ЛАМАР. кднггкг г/моль гйааа 1га маоа за оооо о гооо о гааз заоа 3000 40па К (рис. 7-11). Если согласно таблицам 3АИАЕ молекулярная масса парой во всем рассмотренном диапазоне температур поверхности и давлений и, равна примерно 33, то модель Долтона указывает на возможностз увеличения молекулярной массы с 37 при р,= !О' Па до 100 при р. =1О' Па. Что касается суммарного теплового эффекта сублимации Агбю1 В зарубежной литературе наиболее известны термодинамические таблицы 3А(к(АГ, в которых приводятся данные для 25 компонент, содержащих С, 1К) и О. Расчеты позволяют выявить роль каждой из них в процессе разрушения графита в потоке воздуха.
До начала ионизации набегающего потока содержание отдельных компонент в продукта разрушения может колебаться в следующих пределах: СО от 20 до 1000/ по массе, СХ от 0 до 6%, Сгг"17 от 0 до 5%, Сг114, а также С, Сг и Сс о 0 до 6% каждая, Сз от 0 до 62% и, наконец, Сз от 0 до 110/о. Было по казано, что из 25 компонент, рассмотренных в таблицах, достаточн учесть всего 10, чтобы рассчитать состав газовой смеси с точностып до 0,1% во всем диапазоне давлений от 1Оз до 107 Па 1Л. 7-151. С другой стороны, известна работа Долтона [Л.
7-161. Оценка термодинамических свойств паров углерода, прежде всего высокомолекулярных продуктов сублимации Сз — См, проведенная по методике Долтона, дает значения, существенно отличающиеся от таблиц ЯА)к)АЕ. Этс ведет к значительным расхождениям в молекулярной массе продуктов сублимации (рис. 7-10) и суммарном тепловом эффекте сублимации Химическое взаимодействие потока с покрытием то из-за различий в молекулярных массах появляются расхождения и в тепловых эффектах реакций, которые при высоких температурах могут отличаться в 3 раза.
Интересно сравнить результаты расчетов по различным методикам друг с другом и с данными измерений суммарного давления паров графита при различных температурах. Так, температура, при которой давление паров составит 10' Па !значение, близкое к тройной точке), согласно расчетам по данным ЛА)х)АР равна 5170 К, а по данным [Л. 7-15] — 4250 К. Различные экспериментальные исследования дают величину этой температуры в диапазоне от 4000 до 4650 К. Следует, однако, отметить, большие трудности измерения столь высоких температур.
Т а 6 л н ц а 7-3. Коэффициенты аккомодации для различных компонент 1Л. 7-16) дз варианта расчета Компонента ! ) 2 ! 3 ) в Скорость сублимации графита рассчитывалась как сумма скоростей сублимации отдельных молекулярных компонент С, См-, Свм определенных по кинетическому уравнению Кнудсена — Ленгмюра.
При этом результат расчета существенно связан с достоверностью коэффициентов аккомодации каждой компоненты. В табл. 7-3 приведены некоторые экспериментальные данные по величине этого параметра, (1-й столбец), а также принятые произвольно значения коэффициента аккомодацин, использовавшиеся в вариантах 2 — 4 численных оценок неравновесной сублимации, На рис.
7-12 показано влияние заложенных кинетических констант на расчетную скорость сублимации при различных давлениях р,. 182 Энтальпия заторможенного потока предполагалась постоянной С Сз Сз С, С, С, С, Св С, Стз С С, См Ств Ств Ств 0,24 0,50 0,023 0,25 О,!9 !Π— в О, 5! ° 10 — в О,!6 10 — з 0,42 !Π— в О,!2 10 — в 0,36 10 — в 0'95,10 в 0'28,10 в 0,75 10 — т 0,21 10 — т 0,64 10 — з 0,17 10 — в 0,37 0,34 0,08 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,О 1,0 0,0! 0,01 0,01 0,01 0,0! 0,01 0,01 0,01 0,01 0,0! 0,01 0,0! 0,01 0,0! 0,01 0,0! Сублимационный режим разрушения г( Те=9300 кДж)кг, так же как и тепловой поток к неРазРУшающейсЯ поверхности ()о 45000 кВт)мз.
Видно, что даже между предельными кривыми (варианты 3 и 4) различие не превышает 23%. Это говорит о ела. бом влиянии коэффициентов аккомодации на суммарную скорость сублимации. Тем самым показано, что процесс сублимации близо)( к равновесному. На рис. 7-13, заимствованном из 1Л. 7-14), зависимость приведенно)~ скорости сублимации от температуры поверхности, рассчитанная пц данным ЗАМАР, сопоставляется с кривыми, определенными по методи) кам Скала и Долтона. Там же нанесены экспериментальные точки, полученные в той же работе 1Л.
7-!41 при давлении, близком к атмосферному, и радиусе кривизны графитовой модели в окрестности точки торможения порядка Я=1,8 см. Видно, что экспериментальные данные не совпадают ни с одной из расчетных моделей. При этом расчеты по таблицам 3АХАг, давая качественно правильный ход зависимости скорости разрушения от температуры на участке сублимации, занижают скорость уноса на переходном участке (причем даже сильнее, чем методика Ска.
ла или любая другая). В то же время и расчеты по методике Долтона ложатся выше экспериментальных точек. Рис. 7-13. Влияние отчичий в воаффициенте аккомадацнн на скорость сублимации графита 6 при различных давлениях р (цифры соответствуют вариантам табл. 7-3). Рнс. 7-13. Сравнение расчетных и измеренных зависимостей сиорости разрушены» графита от температуры поверхности (Л.7-14). à — расчет работы (Л. 7-13); 3 — расчет па методике )Л.
7-1! с уточнен. ной теплотой образоиання ода 3 — расчет по таблицам )АНАР; 4 — расчет по методике работы (Л. 7 Ц с заниженной теплотой абразоеания Сйь 3 — экспериментальные данные. кгу(му с) кг/(мг с) 1,4 0,4 (,г о,г 1,0 'О,О) О,) ),О 10 оа !О 0 3000 0000 и В различных методиках используются сильно отличающиеся исход ные данные (число компонент, константы реакции, коэффициенты акко модации, давление насыщенных паров и т.
д.), что создает предпосылку того, что и соотношение результатов расчета в различных условиях мо~ жет оказаться различным. Такое положение создает большие трудноств Химическое изаимодейстиие потока с покрытием для интерпретации экспериментальных данных и переноса результатов стендовых испытаний на натурные условия. Заметим, однако, что согласно работе 1Л. 7-161 использование в расчетах по методике Скала нового значения теплоты образования циана — 347,5 кДж/моль, такого же как в методике Долтона, приводит к существенно большей скорости уноса массы, приближая ее к экспериментальным данным (кривая 2 на рис.
7-13). Теплота образования циана в таблицах ЛАМАР на 35о/о выше этого значения и равна 466,2 кДж/моль. Чтобы иллюстрировать влияние выбора методики расчета на конечный результат, приведем данные анализа толщины унесенного слоя для носка баллистической головной части с радиусом кривизны 12,5 мм при полете ее по траектории спуска с баллистическим коэффициентом 25000 кг/мт [Л. 7-!51. Минимальную толщину унесенного слоя дают расчеты по методике Скала — 18 мм графита, прн оценках по данным работы Долтона она получается равной 32,5 мм, а по данным таблиц 3А1т(АР— 21 мм. Различие в скорости уноса массы достигает 80 — 90с/о, а в максимальной температуре разрушающейся поверхности — 800 К. Как показали расчеты, с ростом давления р, занижение теплоты образования циана сказывается все в меньшей степени и для рассмотренной головной части отличие в толщине унесенного слоя этого варианта от расчетов по таблицам 3АХАЕ составляет не более 3%.
7 4 Влияние состава газа на разрушение графита. Возможность механического уноса массы в экстремальных условиях При анализе взаимодействия различных газов с графитом кислород занимает особое положение. Графит обладает очень высокой реакционной способностью по отношению к кислороду, причем он является восстановителем для подавляющего числа содержащих кислород соединений, особенно при высоких температурах. Поэтому все газы, содержащие кислород, кроме СО, так нли иначе вступают во взаимодействие с графитом. Среди других веществ выделяется азот. Данные экспериментальных исследований 1Л. 7-91 указывают на избирательную реакцию графита с молекулярным и атомарным азотом.
Если в набегающем потоке присутствует атомарный азот, то его взаимодействие с графитом во многом напоминает реакцию кислорода и графита. Напротив, при обтекании графитовой поверхности молекулярным азотом разрушение может начаться лишь при температурах, соответствующих режиму сублимации. Если внешний поток представлен газами, не образующими с углеродом химических соединений (инертные газы: гелий, аргон), то происходит чистая сублимация графита.
В этом случае при одинаковых температурах поверхности Т„скорость упоса массы тем выше, чем меньше 1в4 молекулярная масса набегающего потока (рис. 7-14), Если газ при боль- Ваияние состава газа на разрушение и ших температурах поверхности Т„является или становится активным по отношению к углероду, то скорость уноса углерода будет относительно высока уже в режиме взаимодействия, близком к диффузионному.
При увеличении температуры скорость уноса массы, как и при об4 текании инертным газом, определяется лишь отношением молекулярных масс набегающего газа и продуктов испарения, т. е. соотношениями равй новесной сублимации (см. гл. 6). Как уже говорилось, графит при давлениях до 10' Па и любых температурах не образует расплава. В этом смысле можно назвать еггх полностью газифицирующимся материалом (Г=1,0). Однако условия эксплуатации могут оказаться такими, что и на поверхности графита будет образовываться жидкая фаза. Недостаточное знание термодинамических свойств паров — продуктов разрушения поверхности из графита, о котором говорилось в предыдущем параграфе, не позволяет достоверно оценить точку его плавления.
Согласно различным расчетам тройная точка лежит в области ре (1,0 — 1,1) 10г Па и температур от 4400 до 5150 К, однако есть мнение 1Л. 7-15), что расплав можно обнаружить и при температурах ниже 4000 К. Промышленный графит представляет собой не однородный материал, а смесь менее плотного связующего с зернами кристаллического графита. В диффузионном режиме горения при равномерном поступлении окислителя компонент к различным участкам разрушающейся поверхности может происходить химико- механическое выкраш ванне р ф тж,м ЭТО Оэиаяаст, ЧТО ПРИ раВНЫХ МаССО- газового автова иа зависимость саоросто вых скОростях разрушения связуЮщего оазогыеииа гвааита а от теиаеватгаы и зерен наполуштеля (кристаллическо иовевхоости тынис го паь го графита) их линейные скорости разрушения окажутся обратно пропорцио- В4 нальными исходным плотностям. По- пе этому по истечении некоторого време- Ме 4 ни зерна наполнителя окажутся ого- Аг ленными са всех сторон (рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
