Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 57
Текст из файла (страница 57)
9-19). В соответствии с уравнением (9-7) из внутренних слоев материала в пограничный слой поступает значительная масса окиси кремния 510, которая при наличии избытка кислорода может вступать с ним во взаимодействие: 510(газ)+ 0,50, ~ — 510е(газ), причем двуокись кремния согласно кинетическому уравнению Ленгмюра — Кнудсена (9-19) может конденсироваться на поверхности покрытия. Это произойдет в том случае, если парциальное давление двуокиси р,о превысит давление насыщенного пара стекла р", . Степень зазю1 Я вершения реакции (9-7), т. е.
доля углерода Гс,„,прореагировавшего Композиционные теплозащитиые материалы с двуокисью кремния, зависит от уровня температур в зоне реакции и времени пребывания тр в ней реагентов. Величина тр обратно пропорциональна скорости разрушения, ибо с ростом о уменьшается глубина прогрева Ьт и одновременно сужается зона реакции, а также возрастает скорость прохождения реагентов через зту зону. Расчеты показывают, что даже при значениях кинетических параметров, соответствующих максимальной скорости взаимодействия 5)Оу и С (9-8), влияние скорости разрушения (роо..) на время тр оказывается существенно более сильным, чем влияние температуры в зоне реакции (последнюю можно оценить по температуре Тш, рис.
9-2). Г)ри достаточно малых скоростях разрушения (ров ) практически весь имеющийся в материале свободный углерод успевает прореагировать со стеклом еше до выхода на разрушающуюся поверхность. Напротив, при больших скоростях уноса массы (роо ) основная часть углерода сгорает на поверхности, взаимодействуя с парами стекла и кислородосодержащими компонентами набегающего потока. Соответствен- Рнс. р-)В.
Модель разрушения стеклопластика прн гетерогенном взаимодействия стекла и углерода. 1 — газовый пограничный слой; у — расплав конденсированного стекла; 3 — расплав исходного стекла; 4 — фронт термического разложения смолы; Б — исходный материал; и†углерод (какср но и конденсация молекул стекла на поверхности (Гз)о,(0) реализуется лишь при относительно малых значениях скорости о (кривая 2 на Рис. 9-20), когда наиболее благоприятны условия для протекания реакции (9-7) внутри материала н одновременно наименее подходящи усло- 274 вия для диссоциации испарившихся молекул стекла. Процессы в подповердностн( Выпавшая на поверхность из пограничного слоя двуокись кремния (рис. 9-19) образует дополнительную пленку расплава, через котору)с проходят частицы углерода, не прореагировавшие в основной зоне ре) акции.
Поэтому при наличии в материале избытка углерода возможе такой режим разрушения, когда во взаимодействие с углеродом вступае больше стекла, чем его содержится в уносимом слое материала (кри вая 1 на рис. 9-20). Практически это означает, что некоторые молекул Ряс. 9-29. Зависимость относительной доли компонент Гг, вступающих во взаимодействие внутри н на поверхности стеклопластика, от скоро- сти разрушения 0 ) — Г О внутри материала; 2 — Г . аа поверхности; 3 — Г С внУтри мо, гно, материала; 4 — Г на поверхности.
0 — в кг/(и'сп с Е Рис. 9-21. Зависимость 0 в Г.. от тем. ЗЮ, пературм Тю прн различных моделях взаимодействия стекла и углерода. 1 и 3 — гетерогенное взаимодействие; 2 и 4 — поверхностное взаиь~одействие. 1,5 20 !,5 0,5 -0,5 -),0 а 2300 2500 2200 2 двуокиси кремния успевают прореагировать с углеродом по нескольк' раз, являясь своеобразными переносчиками кислорода из пограничногс слоя газа на разрушающуюся поверхность.
Реакция (9-7) весьма энергоемка: на 1 кг массы сгорающего углерод~ поглощается почти 55000 кДж тепла Следствием этого является су1 позиционные теплозащитные материалы щественная деформация температурного профиля в материале, что в свою очередь оказывает влияние на скорость оплавления материала ввиду сильной зависимости вязкости расплава от температуры.
Одновременное увеличение скорости газификации и снижение роли оплавления приводит к тому, что суммарная скорость уноса массы в этом случае оказывается намного ниже, чем при поверхностном горении в том же температурном диапазоне (рис. 9-21). После того как пленка расплава полностью исчезнет с разрушающейся поверхности, гетерогенное взаимодействие уже принципиально не изменяет зависимости скорости разрушения от температуры, а сам механизм разрушения практически не отличается от чистой сублимации вещества.
Влияние механизма разрушения и параметров набегающего потока на квазистационарные характеристики уноса массы композиционных теплозащнтных материалов Основным средством исследования теплозащитных материалов является проведение большого числа параметрических расчетов по тем нли другим моделям механизма разрушения в широком интервале параметров набегающего газового потока н сопоставление полученных результатов между собой и с экспериментом.
Такие расчеты помогают глубоко понять внутренние взаимосвязи между различными физико- химическими процессами, дают возможность обобщить имеющиеся экспериментальные данные. Важно учесть, что современный уровень измерительной техники пока не позволяет с достаточной достоверностью получать зависимости теплофизических или кинетических характеристик веществ от температуры во всем желаемом диапазоне ее изменения. Поэтому попытки провести единичные расчеты по таким характеристикам, используя даже самые сложные теоретические модели, обречены на неудачу.
Только серии расчетов с широким диапазоном изменения основных параметров, тщательное излучение всех возможных физико-химических процессов, сравнение отдельных моделей между собой, создание и оценка комбинированных моделей разрушения — вот единственно правильный путь изучения разрушающихся теплозащитных покрытий. Как при экспериментальном, так и при теоретическом исследовании необходимо стремиться сопоставлять характеристики разрушения различных материалов одного класса. Так, в классе оплавляющихся покрытий интересные результаты дает сравнение однородного материала — кварцевого стекла и различных стеклопластиков (на фенолформальдегидном, эпоксидном, кремнийорганическом и других связующих). Такие расчеты н эксперименты позволяют установить зависимость основных характеристик разрушения от геплофизическнх свойств и состава материала.
Одновременно удается проследить основные закономерности механизма разрушения. Влияние механизма раз Следует заметить, что эффективность всей теплозащитной систем существенным образом зависит от теплофизических свойств и в перву очередь от величины коэффициента теплопроводности. Поэтому в нек торых случаях оптимальными оказываются не те покрытия, котор имеют минимальный унос, а те, у которых высокая эффективная энтал пия сочетается с отличной теплоизолирующей способностью. Это обсто тельство, конечно, намного усложняет оптимизацию теплозащитных с стем, поскольку увеличивается число определяющих параметров.
Кро, того, расчет приходится делать применительно к самым разнообразн ы конкретным условиям изменения внешних параметров газового пото и проводить их с самого начала. В некоторых приложениях целесоо разно использовать многослойные теплозащитные системы, отдельнь слои которой обладают повышенной стойкостью к какому-то одноМ определяющему фактору аэродинамического нагрева, Например, вер~ ний слой выполняется стойким к разрушению, а нижний — теплоизол| рующим.
В настоящее время приходится констатировать, что, несмотря и большое число исследований, пока отсутствуют универсальные критери отбора и оптимизации теплозащитных систем. В связи с этим мы огр~ ннчимся использованием частных критериев сравнения теплозащитн~( материалов, характеризующих только процесс квазистационарного ра' рушения. При этом скорости подачи всех продуктов разрушения к п верхности считаются равными, а массовые расходы отдельных комп нент пропорциональными их массовым долям ~; в исходном матерна Заметим также, что при монотонно возрастающей тепловой нагруз квазнстационарные параметры разрушения соответствуют максималы возможным в данных условиях значениям скорости (или расхода).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
