Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Необходимо считаться также с тем обстоятельством, что компоненты с высокими коэффициентами поглощения, нагреваясь, сами могут начать испускать излучение. За счет смещения спектрального распределения коэффициентов погло|цения при повышении температуры Защита от совместного теплового воздействия излучение внешней части пограничного слоя будет беспрепятственно проходить через «окна» спектра пропускания пристеночного слоя и достигать поверхности тела.
Как видим, проблема экранировки радиационного теплового потока сильно поглощающими компонентами, вдуваемыми через поверхность, достаточно сложна и многогранна. Расчеты, проведенные для случая вдува газов с оптическими свойствами, подобными атому и молекулам углерода и углекислого газа, позволили получить некоторую аппроксимацию для оценки теплового эффекта «радиационного» вдува 1Л. 10-61, которая изображена на рис. 10-9,а.
Параметром вдува здесь является отношение расхода вдуваемой компоненты (г к удельному расходу набегающего газового потока р Р . Видно, что при достижении сравнимых величин скорости уноса массы и расхода внешнего газа удается снизить радиационный тепловой поток более чем в 2 раза.
Отметим, что подобная интерпретация влияния вдува пока не является общепризнанной. Так, в работе 1Л. 10-191 при анализе спуска в ат- Рис. !0-8. Проенли концентраций (а) и температур (О) при интенсивном вкупе пронуктоа раерумеиня ирн совместном рацнациоино-конеектиеном нагреае. нл аааа к Бааз База )а-т а Б им аааа з Б нм б) а) мосфере Юпитера предлагается в качестве множителя в параметр вдува ввести давление за ударной волной (рис. 10-9, б). Параметр вдува при этом будет иметь вид: б„р,/р 'у" . Такая модификация, по утверждению авторов, вызвана тем, что с увеличением давления газ становится заа более поглощающим, что плохо учитывается в первом варианте.
Способы теплово~ Вдув инородных газов открывает широкие возможности в части 2 рестройки спектрального распределения падающего радиационного тб лового потока. Как уже отмечалось, основная доля энергии излучен', сжатого слоя приходится на ультрафиолетовый диапазон спектра, пре де всего на область вакуумного ультрафиолета. Однако, как будет по зано ниже, блокирование излучения в этом диапазоне представл большие трудности во многих вариантах тепловой защиты, которая пешно противодействует излучению в области больших длин волн.
Если вдувать через поверхность тела вместе с продуктами разру ния газообразные компоненты, обладающие высокими коэффициента поглощения в вакуумном ультрафиолете, то они «срежут» излучение этом диапазоне. При этом продукты вдува нагреются до температ в несколько тысяч градусов и сами смогут излучать энергию в направл нии поверхности тела. Иными словами, в определенных спектральн4 интервалах возникнет вторичное излучение вдуваемых продуктов ра рушення. Тем не менее это вторичное излучение будет менее опасны ибо вследствие различия температуры торможения набегающего пото1 н температуры оттесненного пограничного слоя оно в соответствии с з коном смещения Вина будет происходить в основном в видимом или д же в инфракрасном диапазоне спектра. Несмотря иа схематичное и определенную приближенность подобных рассуждений, они помогав Рис.
1О-а. Симшение радиационнОго теплового потока Е Л Й при аду- ве газообразных продуктов разрушения с расходом О а — вдув продуктов разрушения графита в воздухе; б — вду'в в атмос- фере Юпитера. 00 40 0,0 0,0 0,4 0,4 0,26 оаа а) Па 0 б) понять принцип отбора газов, наиболее перспективных для блокировв падающей лучистой энергии. Среди газообразных продуктов, которые могут применяться в сист~ мах тепловой защиты от радиационного теплового потока в воздух~ следует назвать пары лития, магния, бора, алюминия и некоторые др~ Звщнтв от совместного теплового воздействия гие, имеющие коэффициенты поглощения в вакуумном ультрафиолете более высокие, чем кислород. Эффективность применения этих газов зависит от их концентрации в оттесненном пограничном слое, а точнее, от оптической толщины этого слоя.
Последнюю нетрудно рассчитать, если значения концентрации и температуры в пограничном слое принять постоянными (см. рис. 10-8), а также использовать результаты численных расчетов по зависимости толщины этого слоя от интенсивности вдува 6„. Переходим ко второму способу защиты от радиационного теплового потока, который основан на ослаблении излучения за счет вдува в пограничный слой газопылевого облака с большим числом распределенных в нем микрочастнц. При этом эффективность такой защиты определяется не столько увеличением коэффициента поглощения смеси, сколько значительным возрастанием доли отраженной и рассеянной энергии. Существует много способов создания газопылевых облаков. В высокотемпературном пограничном слое проще всего получить распыленные микрочастнпы как продукты химической реакции разложения.
Например, при адуве в пограничный слой продуктов разрушения некоторых термопластов или при подаче газов типа метана или ацетилена при определенных условиях можно получить частицы твердого углерода (сажи). Наконец, тугоплавкие порошки можно вдувать через проницаемую поверхность или вводить внутрь сублимирующего или разлагающегося теплозащитного покрытия. По мере уноса массы последнего частицы порошка будут освобождаться и вноситься внутрь пограничного слоя током газообразных продуктов разрушения.
Подаваемая с поверхности аппарата газовзвесь должна иметь достаточную степень черноты для эффективного ослабления радиационного потока и небольшую молекулярную массу для снижения конвективного теплового потока. В качестве такой смеси можно использовать водород сдобавками щелочных металлов, сажистых или твердых металлических частиц. Гидродинамика газовзвесей в пограничном слое достаточно сложна, поскольку следует учитывать непрерывное поступление частиц через проннцаемую поверхность, их нагрев за счет поглощенного радиационного теплового потока и теплообмена с окружающим газом, постепенное испарение и, наконец, полное исчезновение. Скорость испарения вначале определяется только температурой поверхности частиц, а затем при некотором минимальном диаметре частицы начинает зависеть и от ее размера.
Температура частиц, даже очень маленьких, при больших радиационных потоках может отличаться от температуры окРужающего газа, В связи со сложностью задачи ее теоретическое решение еще пе точно, а результаты экспериментальных исследований неполны. Однако опыт, накопленный при анализе рассеяния энергии при наличии оптических неоднородностей среды (например, в метеорологии, астрофизике и акустике), позволяет сделать определенные заключения и в случае 29З тепловой защиты от интенсивного радиационного теплового потока.
Способы тепловой ! г Причиной рассеяния энергии является оптическая неодн< родность, создаваемая присутствием инородных частиц, обусловливая щих непостоянство комплексного показателя преломления. Теорию ра< сеяния энергии на частицах, много меньших длины волны падающе света, создал Релей. Для видимого света (1<=0,5 мкм) верхни1м пред лом применимости теории Релея служит размер частиц порядка 0,03 мк а нижним — размер молекулы. Полное аналитическое решение зада рассеяния излучения сферическими частицами, сравнимыми по разм рам с длиной волны падающего света, было получено Ми в 1908 г.
Известны многие работы, в которых выполнены расчеты коэффиц1 ентов ослабления на основании формул, полученных Ми для сферич< ских частиц различных размеров с разными комплексными показателям преломления. Наиболее обстоятельны таблицы Кроми, в которых прин< дены коэффициенты рассеяния и ослабления для частиц с такими кол плексными показателями преломления, в которых действительная част не меньше мнимой. Однако для металлических частиц соотношение мнт мой и действительной частей противоположное, поэтому для них эт таблицы неприменимы.
Суммируя некоторые результаты проведенных исследований, можн сделать следующие выводы. Ослабление, характеризуемое коэффици ентом К, складывается из двух составляющих. Первая — это собственн поглощение падающей извне энергии в двухфазной среде. Хзрзктеристикойэтого рнс. 10.10, кееффиниентн»слабле- ПОГЛОШЕНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ КОЭффнЦИЕНт К» ннн К, и»глен<енин Кд н лассенннн ВТОРЗЯ СОСТЗВЛЯЮ<ЦЗЯ ОСЛЗбЛЕНИЯ РЗС" с Х дц сеяние энергии на частицах, характеристикой которого является специальный 3 „ коэффициент К,.
Рассеяние происходит в том случае, когда размер препятствия б( имеет тот же порядок, что и длина волны падающего излучения. Ослабление энергии на малых б, частицах (<1«л) происходит главным образом за счет поглощения, тогда как бе рассеянием можно пренебречь. Для больших частиц (<(»Х) коэффициент ослабления К перестает зависеть от диаметра частиц и стремится к двум. Применение больших частиц невыгодно, поскольку в этом случае процесс поглощения радиационного теплового потока полностью подобен поверхностному разрушению теплозащнтного покрытия с тем ж1 коэффициентом поглощения (т. е. теряется преимущество газовзвес< перед слоем частиц, уложенных на поверхности). В качестве примера на рис.
10-10 приведены результаты расчетов п< теории Ми коэффициентов ослабления К, поглощения К, и рассеяния К1 3внгптв от совместного теплового вовпействпп радиационной энергии на сферических частицах железа с показателем преломления, равным 1,27 — 1,37 при различных параметрах; х=— не Л Оценки показывают, что пограничный слой с введенными в него мельчайшими частицами эффективно ослабляет падающий радиационный тепловой поток только в узком диапазоне изменения параметра Х: 1~<Х С б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
