Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 5
Текст из файла (страница 5)
1-5) оно покрывается теплоизолятором (например, пенокерамикой) . Алюминий полированный » окисленный Вольфрам Медь полированная » окисленная Серебро полированное » окисленное Никель полированный » окисленный Сталь полированная » окисленная Асбест (асбоцемент) Бетон грубый Бумага белая Вода, слой 1 мм и более Дерево (дуб, ель) Кварц Кирпич красный грубый огнеупорный шамотный Резина Стекло кварцевое 2 мм Тефлон где они излучают сами (учитывая низкую температуру поверхности). Система радиационного охлаждения может быть выполнена трехслойной с тем, чтобы избавиться от основного недостатка высокотемпературных металлов — способности их к интенсивному окислению в воздухе.
Для уменьшения этого несущий (конструкционный) слой из ту- 200 †6 100 †5 700 2800 100 40 40 40 — 550 40 — 250 40 — 250 40 40 40 40 40 40 40 40 — 550 40 1000 40 250 †5 100 0,04 — 0,06 0,2 — 0,33 0,15 0,39 0,02 0,76 0,01 0,02 — 0,04 0,05 — 0,07 0,35 — 0,49 0,07 0,8 0,96 0,94 0,95 — 0,98 0,96 0,82 — 0,9 0,89 — 0,58 0,93 0,59 — 0,75 0,86 — 0,94 0,94 — 0,75 0,1 Методы тепловой ващпты Радиационный метод тепловой зашиты применяется в гиперзвуковой авиации и в ракетной технике для охлаждения выступающих частей, насадков, крыльев и выхлопных раструбов сопл.
В заключение параграфа несколько слов о модификации этого способа применительно к таким условиям аэродинамического нагрева, когда излучение набегающего потока соизмеримо или выше по интенсивности конвективного теплового воздействия. В этом случае целесообразно переизлучать тепловую энергию не с поверхности теплозащитного покрытия, а нз пограничного слоя. При защите поверхностей массообменом пограничный слой является практически прозрачным для падаюшего излучения.
По этой причине вдув газа в пограничный слой не может быть эффективным средством защиты от интенсивного радиационного нагрева, В этом случае следуе~ «зачернять» пограничный слой, увеличивая его коэффициент ослабления излучения. С этой целью в пограничный слой вводят различные присадки, добиваясь снижения величины падаюшего на поверхность радиационного теплового потока.
Наибольшего ослабления следует ожидать при вводе в пограничный слой газопылевого потока с большим числом распределенных в нем микрочастиц, т. е. при создании «непрозрачных» экранов. В этом случае происходит ослабление энергии не только за счет поглощения, но в еше большей степени за счет отражения и рассеяния излучения. -5. Электромагнитное регулирование теплообмена Для регулирования температуры внешней поверхности можно использовать методы электрического или магнитного воздействия на плазму, обтекающую защищаемую поверхность. Магнитногидродинамический способ требует создания поля снл в нонизнрованной плазме, обтекающей тело (проблема аналогична задаче удержания плазмы пргг управляемой термоядерной реакции).
Магнитное поле, воздействуя на, слой сжатого газа, в состав которого входят, кроме нейтральных молекул и атомов, электрически заряженные ионы и электроны, увеличивает расстояние между ударной волной и поверхностью тела. Это приводит к росту пограничного слоя, а следовательно, к уменьшению градиентов скорости и температуры.
Термоэлектрический способ основан на поглощении тепла н преобразовании его в другую форму энергии, например электрическую. Примером устройства, использующего этот способ преобразования энергии, является всем хорошо известная термопара. Однако как магнитногидродннамический, так и термоэлектрический способы уменьшения тепловых потоков к поверхности тела, несмотря на всю свою привлекательность, еще очень слабо изучены, особенно в условиях высокой интенсивности теплообмена. Охлаждение за счет фазовых превра Охлаждение тел за счет физико-химических преврап4еиий на их поверхности Использование фазовых превращений — плавления и испарения или сублимации — открывает перспективы существенного улучшения теплозашитных свойств систем охлаждения. Любое фазовое превращение, как правило, сопровождается значительным тепловым эффектом (количество тепла, требуемое для перевода 1 кг вещества из одного состояния в другое).
Величина теплового эффекта связана с температурой фазового преврашения. Так, для большинства чистых металлов ЛЯ =КгТпл, где К1 — — 10,0 кДж/(г-атом К), При плавлении происходит частичное ослабление межатомных связей, поэтому по своей тепловой эффективности оно намного (в !Π— 20 раз) уступает испарению, когда рвутся все связи кристаллической решетки и атомы становятся практически независимыми друг от друга. Согласно правилу Трутова теплота испарения определяется как " 'киса Кзуисп т а б л и ц а 1-4.
Теплота фазовых переходов отдельных материалов Тепловые эффекты и температуры фааовык иревращеннй Эффективность поглощения теплоты нсяарсния (относительная доля) Тепло, поглощенное при нагрева нии до 0000 К. кдж/кг Материал а 0 ~ Г , К ) ДЕи,п, ~ Т„,п, кдж!кг 1 пл' ( кдж1кг 1 К 62 850 41 860 20 930 0,00 0,05 0,06 0,22 335,0 273 205 1350 1570 668 460 1970 2 262 373 7 374 2570 3170 24 5!О 1470 8 589 2770 Вода (лед) Медь Бериллий Литий Двуокись кремния На разрушение материала затрачивается значительная часть тепла, поступающего к поверхности тела извне, в результате лишь малая его часть отводится внутрь материала теплопроводностью. При высоких температурах в пограничном слое может происходить многократная диссоциация н ионизаппя продуктов уноса, что связано с дополнительным поглощением тепла. Сложным и вместе с тем очень важным является выявление механизма разрушения, т. е.
установление определяющих элементарных физнкохимических процессов, имеющих место при разрушении теплозашитного где Кз=80 —:90 кДж((моль К). Температура испарения (Тп„) часто вдвое превышает температуру плавления (табл. 1-4). Значение теплоты испарения колеблется от 5000 кДж(кг у низкотемпературных металлов до 10000 кДж/кг у тугоплавких окислов и 20000 у графита. Методы тепловой защиты материала. На практике далеко не все вещества, обладающие высокими значениями теплоты испарения, могут быть использованы в качестве теплозащитных материалов.
В последней графе табл. 1-4 приведены данные по эффективности использования теплоты испарения различных веществ при определенных условиях аэродинамического нагрева. Низкие значения эффективности у воды и металлов связаны с тем, что при плавлении они образуют пленку с очень низким значением вязкости расплава, которая практически мгновенно сдувается с поверхности набегающим потоком газа. Поэтому важно не только выбрать вещество с высоким тепловым эффектом испарения, но и разработать систему мер, обеспечивающих обязательную реализацию этого эффекта при разрушении поверхности.
Строго говоря, разрушающиеся теплозащитные системы являются комбинированными, поскольку они поглощают тепло и одновременно с этим блокируют падающий тепловой поток за счет вдува газа в пограничный слой (как это имеет место в массообменных способах охлаждения); кроме того, они излучают тепло с нагретой поверхности, как н в радиационном охлаждении. Важно только подчеркнуть, что сам принцип разрушающейся тепловой защиты немыслим без фазового илн, в общем случае, физико-химического превращения, приводящего к переходу части материала в газообразное состояние. Общие требования к теплозащитным системам, базирующимся на физико-химических превращениях, можно сформулировать следующим образом.
Теплозащитные материалы должны: 1) поглощать большое количество тепла при физико-химических превращениях; 2) иметь высокое значение объемной теплоемкости рс; 3) обладать хорошей прочностью при высоких температурах для обеспечения небольшого механического уноса массы; 4) по возможности иметь высокую температуру разрушающейся поверхности и большое значение степени черноты е; 5) образовывать при разрушении газообразные продукты с малой молекулярной массой для эффективного снижения конвективного теплового потока; б) при образовании жидкой пленки ее вязкость должна быть значительной.
Кроме того, технология изготовления покрытия должна быть простой, покрытие должно быть дешевым и сохранять свои свойства при длительном хранении на воздухе. Трудно найти материал, одновременно удовлетворяющий всем требованиям. Поэтому выбор производится в зависимости от конкретных условий. Разрушающиеся теплозащитные системы благодаря большому числу располагаемых материалов, в частности полимеров, практически не имеют ограничений ни по максимальному тепловому потоку, ни по суммарз4 ному подведенному теплу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
