Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Анализируя два предельных случая, замечаем, что отличия в результатах расчета по той или иной методике зависят от относительного вклада радиационного теплового потока с разрушающейся поверхности — еаТ'. По мере приближения температуры поверхности к равновесной, при которой тепловой поток дм, для непрозрачной пленки равен нулю, указанное отличие должно непрерывно возрастать. Как видим, картина получается достаточно сложной. Для любого конечного значения бн всегда существует такая малая скорость уноса массы и„, при которой в соответствии с критерием ун(0,005 данный материал из категории полупрозрачных должен быть переведен в класс непрозрачных.
Если же, наоборот, унос массы значителен, то отличие в толщинах пленки, вычисленных по двум представленным выше предельным формулам, уже не является существенным, ибо теплоотвод за счет излучения еаТ' оказывается много меньше тепла, поглощенного материалом при его нагреве до температуры разрушения с/ н= =ри с(҄— Т,). До сих пор мы вели рассуждения, не обращая внимания на различия в степени черноты прозрачного или непрозрачного стеклообразного материала.
Однако характерной особенностью полупрозрачных материалов является то, что их оптические свойства зависят от величины нагретого объема. В частности, степень черноты полупрозрачных покрытий тем больше, чем больше часть тела, находящаяся в зоне температур, близ- Пнннящнсся тонлозащнтиые покрытия 23ф 18 лы имеют меньшие скорости разрушения по сравнению с непрозрачными при малых давлениях р, и при нанесении их на тела очень больших размеров. Что касается глубины прогрева, то при больших длинах свободного пробега излучения ба она может оказаться весьма большой, что ликвидирует все указанные 6,78 б,б ма преимущества полупрозрачных теплозащитных материалов. Другой вывод состоит в том, что практически во всем диапазоне давлений р,)0,1 10-8 Па и температур набегающего потока газа Т,) )8000 К методы расчета разрушения непрозрачных материалов также применимы к полупрозрачным материалам, если только внешний лучистый тепловой поток отсутствует.
ких к максимальной, т. е. к температуре поверхности пленки. В работе 1Д. 8-141 показано, что степень черноты оплавляющегося материала с точностью 15% может быть описана формулой а=амане(1+4уа) где е а, — максимальное значение степени черноты данного материала при температуре Т (т. е. для изотермического слоя бесконечной толщины). Представленная на рис. 8-80 зависимость степени черноты от скорости разрушения показывает, что при заданной температуре поверхности Т тело, разрушающееся с большей скоростью, должно излучать слабее, чем тело, имеющее меньшую скорость плавления о .
Большое число расчетов, проведенных для полупрозрачных материалов, позволило установить диапазон параметров обтекания, в котором скорость оплавления и сугцественно зависит от переноса тепла излучением в пленке расплава. Если применить понятие эффективной энтальпии разрушения не только для непрозрачного, но и полупрозрачного стеклообразного материала, то результаты численных расчетов можно аппроксимировать следующей зависимостью для приращения Тофф в полупрозрачном материале ~ — ~Тзфф — гзфф~ (1зфф — 1,1 1О е Те Ре гт гдеТе,К;ре,10 8Па;И,м.
Точность этой аппроксимации 15878 при условии, что Л(0,5. Все результаты соответствуют окрестности точки торможения полусферического затупления. Важно отметить, что при столь значительном отличии в скоростях уноса массы непрозрачного и полупрозрачного ма- териала, изменение температуры порно. 8 98. Зависимость степени черноты в Верхности В рассмотренных Варианот безРазмеРной данны свободного пРобе- тах не преВысило 100 К га напученно Р, . Завершая параграф, можно ука- зать, что полупрозрачные материа- Глава девятая КОМПОЗИЦИОННЫЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Влияние состава материала на теплофизические свойства и механизм прогрева и разрушения Большинство реальных теплозащнтных материалов являются композиционными и обычно состоят из наполнителя и связующего. Термин «наполни- тель» не совсем точно отражает его истинную роль в системе тепловой защиты, поскольку в большинстве случаев именно наполнитель обеспечивает не. обходимую прочность и жесткость оболочки.
Существуют два наиболее распространенных способа построения композиционных теплозащитных материалов. В первом несущий каркас образуется переплетенными тугоплавкими волокнами, а связующая компонента не позволяет волокнам наполнителя скользить друг относительно друга. Во втором случае конструкционной основой являются соты из стеклопластика или металла, а их внутренний объем заполняется смесью органической смолы, пористых микрошарнков н микроволокон. Второй тип теплозащитных систем хорошо работает в условиях длительного нагрева с умеренным силовым воздействием потока. Поэтому его целесообразно использовать, например, в пилотируемых спускаемых космических аппаратах. Напротив, первый тип композиционных теплозащитных материалов хорошо противостоит сверхвысоким тепловым и динамическим нагрузкам, но обладает меньшей эффективностью прн длительном нагреве умеренной интенсивности. Учитывая огромное разнообразие композиционных теплозашнтных материалов, не представляется возможным описать процесс их нестацнонарного нагрева и разрушения какой-то одной схематиче- Композиционные теплозащитиые материалы '238 ской моделью.
В сязи с этим мы ограничимся иллюстрацией общего подхода к исследованию этих процессов, а для определенности в процессе изложения будем ориентироваться на стеклопластики на фенолформальдегидной смоле как на типичного и наиболее распространенного представителя армированных композиционных теплозащитных материалов.
Из стеклопластиков изготовлены теплозащитный экран американского космического корабля-спутника «Меркурий», камеры сгорания и корпуса ступеней ракет «Атлас», «Минитмен», «Поларис» и т. д. Что касается второго типа композиционных теплозащитных материалов (на основе сотовых конструкций), то механизм их разрушения, как правило, подобен разрушению материалов разлагающегося типа и ниже анализироваться не будет. Сначала рассмотрим теплофизические свойства композиционных теплозащитных материалов. При комнатной температуре их можно рассчитать, если известны теплофизические свойства и массовые доли составляющих.
Так, для стеклопластиков с массовым содержанием смолы ~рс плотность рс связана с плотностями наполнителя рп и связующего рси соотношением 1/Ро (Чз /Р )+0р /Р) Ч 1 Ч Аналогично теплоемкость сс описывается уравнением: се = <р,„с,„+ (1 — <р,„) с„.
Если материал имеет начальную пористость, то при расчете результирующих теплофизических свойств ее можно учесть, если соответствующим образом изменить теплофизические характеристики одной из компонент, например связующего (см. гл. 4). При расчете коэффициента теплопроводности )с определяющим параметром является не массовая доля компонент, а их объемное содержание, которое связано с массовой долей через отношение плотности смеси к плотности данной компоненты Хси= (~рсиро)/Рси, Хп= (срирс)/Рп. В первом приближении коэффициент теплопроводности композиционного материала можно представить в виде суммы )с~ = Л,„Х,„+ )с,Ха. Однако в действительности особенности структуры композиционного материала могут привести к значительным отличиям в величине коэффициента теплопроводности ас.
На основании обработки экспериментальных данных для расчета теплопроводности стеклопластиков рекомендуется следующая формула: — "(( — х„)+((+х„) )" е )с —" (! + Х„) + (1 — Ха) ~н (9-1) Влияние состава ма 2,5Х„ 1 — 1,35Х п (9-21 При малых Х формула (9-2) переходит в известное соотношение Эйнштейна для вязкости суспензии.
С ростом температуры не только изменяются теплофизические свойства материала, в нем начинают протекать определенные физико-химические процессы, для расчета которых необходимы соответствующие ме. годы расчета. Так, в условиях интенсивного нагрева стеклопластик на. гревается как однородный материал всего лишь до 400 К, после чегс в нем происходит первое физико-химическое превращение — испарение влаги. По степени влияния на механизм разрушения этот процесс не может конкурировать с большинством других физико-химических пре вращений, среди которых особое место занимает термическое разложе ние связующего.
Начинаясь при температурах порядка 850 К, разло жение органического связующего не только сопровождается поглоще пнем тепла, но, главное, приводит к образованию значительных мас< газообразных продуктов. При этом в материале появляется большо~ число полостей и каналов, через которые летучие компоненты из вонь разложения просачиваются (фильтруются) к внешней нагреваемой по верхности.
Стенки пор или внутренних каналов состоят из спеченньп и частично разрушенных волокон наполнителя, между которыми распре делены твердые частички кокса — второго конечного продукта термиче ского разложения органического связующего. Газообразные продукты разложения в процессе нх фильтрации чере: вышележащий нагретый слой подвергаются дальнейшему разложения до низкомолекулярных, устойчивых компонент типа СО или Нм причет возможно осаждение на стенках пор тонкого налета пиролитическоп углерода. При высоких температурах (выше 1700 К) молекулы стекл, и углерода (как пиролитического, так и кокса) могут вступать в хими ческое взаимодействие друг с другом непосредственно в твердой фазе продуктом этой реакции являются как газообразные, так и новые твер дые компоненты. Для построения модели нестационарного прогрева композиционнс го материала необходимо знать температурные интервалы, в которы протекают важнейшие физико-химические превращения твердой фаз1 (термическое разложение связующего, гетерогенное взаимодействн компонент и т.д.).
Степень значимости того или иного физико-химв Сравнение результатов расчетов по этой формуле с данными измерений приведено в приложении на рис. П-1Ч-!8. Соответствующим образом могут быть рассчитаны и другие тепло физические свойства. Так, вязкость расплавленного стекла, в которов~ находятся твердые частички примесей (например, углерода), будет тел~ сильнее отличаться от вязкости чистого стекла рзю, чем больше объем ное содержание примесей Хсз Компознпнонные теплозантитные материалы (9-4) ческого превращения в материалах определяется в соответствии с выводами 5 3-5. Температурный интервал реакции можно установить, располагая данными по ее кинетике или уравнением, описывающим скорость изменения плотности материала.
Допустим, что для всех реакций в твердой фазе внутри композиционного материала можно использовать уравнение аррениусовского типа: — = (à — Ь)" В ехр~ — — р Ь = 1 — — . Е~ р пт ВТ ре Здесь через Ь (Т, т) обозначена доля газообразных продуктов реакции, а через à — максимально возможное содержание этих продуктов в общей массе прореагировавшего вещества. Если говорить о процессе коксования, то величина Г непосредственно связана с коксовым числом К и является функцией температуры Г(Т) = 1 — К. Параметры и (порядок реакции), В (предэкспонентный множитель) и Е (энергия активации) определяются экспериментально. Интеграл кинетического уравнения (9-3) при постоянной температуре записывается в следующем виде (для п=1): Ь = Г (7) ~1 — ехр ~ — Втехр ~ — — )11.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
