Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Установлено, что вклад этого излучения тем выше, чем меньше толщина излучающего слоя (или размер аппарата, перед которым возникает сжатый слой), а также чем больше высота полета (или меньше давление р,) и выше скорость У . При изменении скорости полета Г от 10 до 16,5 км1с, высоте полета 57 — 67 км и при радиусе кривизны аппарата )с=0,003 м рост излучения в атомных линиях приводил к увеличению радиационного теплового потока в 3,6 — 5,5 раза, однако при ге=3 м вклад излучения атомных линий снижался до 0,53 — 0,9 от радиационного теплового потока, учитывающего только континуальное излучение [Л.
10-201. Причина такого поведения кроется в механизме самопоглощения не- серого газа. Если не учитывать самопоглощение, то основная часть энергии излучения приходится на «вакуумный ультрафиолет» (Х =.0,19 мкм). Однако именно в коротковолновой части спектра оптическая толщина сжатого слоя оказывается весьма большой (половина континуального звв излучения поглощается уже на расстоянии в 1 см).
Поэтому для тел большого размера, у которых сжатые слои составляют многие санту метры, доля вакуумного ультрафиолета оказывается не так уже вели (Л, 10-4, 10-5, 10-101. Для случая обтекания тела радиусом Я=З м п~ температуре заторможенного потока Т,=14000 К иа вакуумный ультр~ фиолет при|ходится лишь около 30ю|ю суммарного радиационного тепл ного потока (рис. 10-6).
С другой стороны, при большей длине волны (кварцевый ультрафи лет, видимый и инфракрасный диапазоны спектра) сжатый слой мож1 считать практически прозрачным для излучения. По крайней мере ув( личение размера сжатого слоя пропорционально увеличивает радиац| онный тепловой поток в этом спектральном интервале. Именно эти особенности нашли свое отражение в результатах чи~ ленных расчетов, учитывающих излучение атомов в линиях. Хотя спек ральный коэффициент излучения и возрастает при этом весьма сущес венно, радиационный тепловой поток увеличивается относительно мал< Последнее связано с влиянием самопоглоп|ення, а также раднацно| ного охлаждения, которые проявляк|тся тем сильнее, чем больше толщина рнс.
|о-а. относительный вклан раалнпнь спектральных интервалов в суммарный р сжатого слоя. В некоторых работах нианноиный поток с (Л. 10-1, 10-б| высказывается мнение, 1 — у,=по|в к, л-з м, р, -1|ю и ЧтО Прн ИНжЕНЕрНЫХ раСЧЕтаХ 4)л дпя у — 1'е '4ЮЮЮ Л=З ре |Ю" у 1'с '4М достаточнО Толетых СЛоен ИЗЛУчаюше- р |ю'- 4 — г -14ЮЮЮ Я=Э р =1 ГО ГаЗа ДОПУСтИМа СтОПРОЦЕНтНаЯ, У,=|Уса| К, Л=З м, Р, -|Ю6 й . ошибка в определении величины коэффициента поглощения вакуумного ультРафиолета, посколькУ отклонение 41а при этом не превысит 20%. В настоящее время принято увеличивать в 1,5 кй раза величину радиационного теплового потока, рассчитанного для сплошного излучения (кривая 4 на рис. 10-4), с тем, чтобы учесть излучение атомов в линиях (соответствующая скорректированная зависимость представлена кривой б на рис.
10-4). При численном анализе можно ограничиться введением дополнительной ступеньки в спектральном распределении коэффициента поглощения, учитывающей излучение в линиях атомов в видимой и инфракрасной областях спектра (Л. 10-11. Подводя итог, можно сказать, что основной целью тепловой защи|' аппаратов, имеющих большие линейные размеры, является рассеянк или поглощение радиационных тепловых потоков в ближнем ультрафи( лете н видимой области спектра. Что касается конвективного теплово~ потока, то взаимодействие поля излучения с полем течения оказыва а от совместного теплового воздействия Способы тепловой защиты при совместном действии радиационного и конвективного тепловых потоков Принципиальное отличие тепловой защиты материала от радиационного теплового потока состоит в резком снижении эффективности защитного действия вдува.
При воздействии конвективного теплового потока основная часть тепла отражается за счет вдува, причем с ростом энтальпии заторможенного потока пропорционально возрастает указанный эффект. Прн Уе)30000 кДж/кг и ламинарном пограничном слое тепловой эффект вдува превосходит все остальные затраты тепла на разрушающейся поверхности. Вдуваемые газо- Рнс. 10.7. Тепловой аффект адуев при ра киакиоином (0 и коивективпом (Ут нагре ввх н равных скоростях уиоса массы.
образные продукты как бы оттесняют высокотемпературный набегающий газовый поток, уменьшая не только тепловое, но и химическое, диффузионное и механическое (за счет сил трения) воздействие потока на поверхность теплозащитного покрытия. Иное дело при наличии внешнего излучения. Если коэффициенты поглощения вдуваемых паров и набегающе- 0,90 0,090 9 00 5 2,0 го потока близки, то эффективность вдува весьма мала и связана лишь с некоторым утолщением низкотемпературной части сжатого слоя. На рис. 10-7 приведено сравнение эффективности вдува газообразных продуктов разрушения покрытия в части снижения конвективного и радиационного тепловых потоков на поверхности сферы радиусом 1 м, обтекаемой воздухом с температурой торможения Т,=12000 К.
Свойства слабое влияние (до 20%) как на величину этого потока, так и на другие связанные с конвекцией параметры (например, силу поверхностного трения). Поэтому все полученные в предыдущих главах этой книги соотношения могут быть с достаточной степенью точности перенесены и на случай сверхорбитальных скоростей полета космических аппаратов. За счет высвечивания снижается температура на внешней границе пограничного слоя, пропорционально уменьшается конвективный тепловой поток, однако это уменьшение обычно не выходит за 20%. Эффекты, связанные с неравновесностью излучения, а также поглощением ультрафиолетового излучения, направленного от сжатого слоя навстречу набегающему потоку, применительно к воздушной атмосфере Земли оказываются достаточно слабыми.
В других условиях, например при полете в атмосфере Марса, этот вопрос требует дополнительного рассмотрения. Способы тепловой в; паров и воздуха считались одинаковыми. Видно, что влияние вдува на радиационный поток на порядок слабее, чем на конвективный, Излучение высокотемпературного сжатого слоя как бы пронизывает пограничный слой и почти без изменения попадает на поверхность тела. Указанное положение приводит к тому, что из всех слагаемых эффективной энтальпии разрушения при конвективном нагреве в случае совместного конвективно-радиационного теплового воздействия при преобладающем вкладе излучения по существу сохраняет свое значение лишь «термодинамическая» составляющая. С другой стороны, при интенсивном радиационном нагреве появляются новые способы отражения тепла, которые не могли использоваться в условиях конвективного нагрева, Мы рассмотрим лишь три из них, наиболее полно освещенные в отечественной и зарубежной литературе: поглощение падающего радиационного теплового потока вдуваемыми в пограничный слой газами с высокими коэффициентами поглощения; рассеяние падающего радиационного потока с помощью впрыска в пограничный слой мельчайших частиц; отражение энергии излучения поверхностью теплозащитного покрытия с надлежащими оптическими свойствами.
Каждый из этих способов имеет очевидные преимущества перед другими, но у каждого есть и свои технические трудности реализации. Вероятно, поэтому наиболее оптимальной окажется некоторая комбинация двух или трех способов отражения радиационного теплового потока в одной системе тепловой защиты. Вдув и диффузия сильно поглошающих (и излучающих) молекул, атомов и ионов с разрушающейся поверхности в излучающий сжатый слой могут изменить не только величину радиационного теплового потока, падающего на эту поверхность, но и, что даже более существенно, спектр излучения. При высоких значениях скорости уноса массы продукты разрушения концентрируются в сравнительно однородном по температуре пристеночном слое, выше которого находится зона смешения, переходящая в слой газа, представленный лишь компонентами набегающего газового потока (рис.
10-8). Таким образом, наблюдаемая картина может быть интерпретирована как оттеснение пограничного слоя (в котором происходит смешение вдуваемых компонент с компонентами набегающего потока) от разрушающейся поверхности. Очевидно, что в режиме оттеснения безразмерные скорости разрушения 6„= 6 ((а!сп) о столь высоки, что можно полностью пренебречь величиной конвективного теплового потока. При малых скоростях уноса массы вдув может, наоборот, привести к увеличению конвективного теплового потока, что связано с поглощением энергии излучения продуктами разрушения и увеличением температуры во внешней части пограничного слоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
