Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 4
Текст из файла (страница 4)
На практике используются обычно отверстия диаметром 1 — 2 мм. Наиболее эффективными охладителями, как будет показано ниже, являются вещества, обладающие максимальной удельной теплоемкостью и образующие газообразные продукты с минимальной молекулярной массой. В табл. 1-2 приведены основные предполагаемые охладители. Та блиц а 1-2.
Свойства охладителей Удельная теплсамнвсть с Молекулярная масса Вещества 14,45 5,20 2,!4 2,22 1,03 1,00 1,72 0,52 0,91 2,40 Водород Гелий Вода (пар) Аммиак !ЧНз Азот Воздух Метиловый спирт СНзОН Аргон Двуокись углерода Глицерин СзНзОз 2 4 !8 !7 28 29 32 40 44 92 Систему заградительного охлаждения можно использовать в ракетных двигателях на твердом топливе для зашиты внутренних поверхностей сопл, когда требуется обеспечить постоянный контур критического сечения сопла. Увеличение критического диаметра сопла на 5% вызыва- !5 ет падение давления в камере сгорания на 15 — 20%, что приводит к снн- Массообменный принцип охла жению реактивной силы и удельного импульса.
Необходимый для зг щиты газ с относительно низкой температурой получается при сгоранн специального топлива, небольшое количество которого размещаетс перед входом в сопло (рис. 1-2, в). Эффективным способом тепловой защиты является пористое охлаж дение. Одним из его преимуществ является равномерная подача охлг дителя через поверхность. В ряде случаев, представляющих интерес дл практики, приходится иметь дело с весьма большими интенсивностям вдува. Последние бывают необходимы в случае химически агрессивны набегающих потоков, при создании защитной лучепоглощающей завес1 и т. д. Здесь мы рассмотрим только физические основы пористого охлаж дения, так как ему посвящена полностью одна из следующих глав.
Проходя через поры (рис. 1-2, г), охладитель отбирает тепло от стен ки; а выйдя на поверхность, снижает интенсивность теплообмена межд горячим газом и стенкой. Оба эти фактора ведут к понижению темпера туры пористой стенки. Охладитслсм может быть газ или гкидкостг Предпочтение обычно отдается газообразным веществам из-за боле высоких рабочих температур и меньшего перепада давления при их те чении через поры. Если охлаждающий агент — жидкость, то при е испарении поглощается скрытая тейлота фазового перехода. Во многих приложениях немаловажная роль отводится химическом составу вдуваемого газа.
Так, для кромок крыльев и рулей в сверхзву ковом потоке представляет опасность не только тепловой нагрев, н. и окисление поверхности набегающим потоком. Поэтому в последне время большое внимание уделяют такому газообразному охладителю как аммиак. Обладая хорошей теплоемкостью, он, кроме того, попав пограничный слой, связывает кислород: 4ИНа+30а= 2Ха+ 6Н,О, Образовавшаяся вода и азот практически инертны по отношения к материалам пористой матрицы. Одной из разновидностей пористого охлаждения является так пазы ваемое самоохлаждение. Появление высококалорийных алюминизиро ванных топлив с температурой горения свыше 2800 К для РДТТ вызвал< необходимость создания новых эрозионностойких материалов для вкла йышей горла сопла 1Л.
1-131. Температура стенки сопла превышает ра бочую температуру неохлаждаемого вольфрама. Однако. наполняя иле пропитывая пористый вольфрам другим материалом, который може1 испаряться при меньшей температуре, поглощая при этом тепло, можнс добиться снижения температуры стенки. Составной вкладыш работае1 как поглотитель тепла до тех пор, пока температура его поверхности не достигнет точки кипения или разложения заполняющей фазы.
Тогда на чинается его испарение с образованием зоны пористого вольфрама, через которую фильтруется парообразный охладитель. Пар отбирает допол. нительное количество тепла от пористого вольфрама, понижая таким Методы тепловой еощвты образом температуру поверхности. Выбор охладителя и пористости матрицы зависит от условий работы. Такие охладители, как серебро, медь, цинк и гидрид лития, привлекли наибольшее внимание. По расходу охладителя на единицу защищаемой поверхности пористое охлаждение более эффективно, чем рассмотренные ранее способы тепловой защиты.
Но использование пористого охлаждения требует изготовления пористых стенок по довольно сложной технологии. Кроме того, при эксплуатации такой системы необходимо принимать меры для очистки охладителя, чтобы избежать засорения пор. В настоящее время пористое охлаждение применяется в ракетных двигателях на водородном топливе, авиационных двигателях, электродуговых подогревателях газа, МГД-установках, теплообменных аппаратах и т.
д. -4. Радиационное охлаждение Этот метод тепловой защиты использует способность нагретой поверхности излучать тепло. Поступающий к поверхности конвективный или радиационный тепловой поток повышает ее температуру. На основании второго закона термодинамики можно показать, что существует предельное количество энергии, которое может излучаться телом при данной температуре н при данной длине волны. Источник такого излучения называется абсолютно черным телом. Плотность потока излучения абсолютно черного тела определяется законом Планка Показатель преломления и относится к среде, окружающей абсолютно черное тело.
Для газов и вакуума п=1. В соответствии с формулой Стефана — Больцмана интеграл от плотности потока излучения по всем длинам волн равен: т7 = ) 7 (Т)~17 =п~оТ", о где о=5,57 10 ' Вт/(м' К'). На рис. 1-3 представлен диапазон длин волн и температур, на который приходится основная доля излучаемой энергии абсолютно черного тела, При температуре Т=ЗОО К тело излучает в далекой инфракрасной области с длиной волны от 7 до 25 мкм, а прн Т=ЗООО К длина волны излучения снижается до 0,7 — 2,5 мкм.
Реальные вещества не являются абсолютно черными телами, а при каждой длине волны излучают лишь часть Тх, равную ех(х. Коэффициент вх называется спектральной излучательной способностью или, проще, спектральной степенью черноты. Радиационное охлати Спектральное значение степени черноты следует отличать от интегральной степени черноты: Излучаемый тепловой поток равен: гу = еаТ', я и.
В основе радиационного метода охлаждения заложена идея равенства подведенного теплового потока до и излучаемого обратно с нагретой поверхности теплового потока дв. Температура поверхности, при которой достигается это равенство, называется равновесной и может быть вычислена с помощью соотношения Т„= Ртдо/ео. При этом предполагается, что теплоотвод внутрь покрытия равен нулю.
Понятно, что равновесная температура поверхности не может быть выше температуры разрушения данного типа покрытия Тр„р, поэтому максимальный тепловой поток, который может быть снят с поверхности методом радиационного охлаждения, ограничен следующей величиной г)в =.еоТ' В качестве конструкционных материалов для систем с радиационным охлаждением применяются тугоплавкие металлы — молибден, вольфрам и др., однако в окислительной среде, в том числе и в воздухе, температура их разрушения Тр„р оказывается намного ниже температуры плавления. В тех случаях, когда радиационная система тепловой защи- Рис. )-8. Зависимость паатиости потока излучения от карактеристнческого комплекса пХТ, определяюнсего длину волам излучення и температуру нагретой поверхности.
Максимум плотности патока излучения приходится на оХТ-. 0000 (мкм КЬ а 80гг излучение соответствуют диапазону пхг от 8000 до 8000 мкм.К. 25 20 5000 )аайа мкм К ты работает при малых давлениях окружающей среды необходимо считаться с возможностью сублимации поверхности. Следует иметь в виду, что радиационный метод защиты применим для охлаждения открытых в окружающее пространство частей изделия, поскольку в противном случае возможно самооблучение конструкции.
Методы тепловой защиты В табл. 1 — 3 приводится сводка значений интегральной степени черноты некоторых материалов как при стандартной, так и при повышенных температурах. Если спектральная степень черноты е сравнительно слабо зависит от температуры излучающей поверхности Т, но сильно меняется с длиной волны )ь, то интегральное значение степени черноты существенно зависит от температуры, поскольку максимум распределения плотности потока излучения с ростом Т сдвигается в область коротких длин волн. Вид кРивых зависимости Бд от 2.
пРинципиально Различен У полированных металлов (или в общем случае проводников) и окислов (или диэлектриков) (рис. 1-4, а, б). У металлов степень черноты уменьшается с ростом длины волны, а у диэлектриков — она в инфракрасной области возрастает. Соответственно чистые полированные металлы характеризуются низкими значениями интегральной степени черноты при малых температурах. Однако шероховатость, загрязнение поверхности илн наличие толстого слоя окислов (лнбо анодирование) может уров- нять степени черноты металлов и диэлектриков. Интегральные степени черноты металлов с увеличением температуры несколько растут, тогда как у диэлектриков падают.
Рис. 1-4. Зависимость моиохроматнческой степени черноты различных материалов от длины волны БП. 1-5] прн комнатной температуре. 1 — полированный алюминий; 2 — промышленный алюминий; 3 — анодироваиный алюминийс 4 — белая эмаль; 5 — шамот. 1,а 1.О а,в о.в О,Б О,Б О,а О,а 02 о,г а а 2 4 Б Вмкм 2 4 Б В мам а) б) Принципиально возможна защита и от радиационных тепловых потоков. Так, в открытом космосе используются терморегулируюшие покрытия, обладаюшие низкими степенями черноты (или коэффициентами поглощения) в видимом диапазоне спектра, на который в основном приходится изучение Солнца, и большими ей в инфракрасной области, Радиационное охлак Та блиц а 1-3.
Степень черноты некоторых материалов 1Л 1 — 5) ! Интегральная степень ° с' черноты с Материал Рис. ЬЗ. Схема радиационного охлаждения. à — защитный слой; т — слой металла; 3 — изо. ляция. вот„ а гоплавкого металла покрывается различными силицидами (%81», Моо)з) или окислами. Покрытие толщиной 50 мкм из Мол)з обеспечивает защиту молибдена от окисления при температуре 1900 К в течение нескольких часов и к тому же позволяет увеличить степень черноты. Наконец, с внутренней стороны покрытия (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
