Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 63
Текст из файла (страница 63)
При Х=20 эффективность рассеяния в 4 — 5 раз ниже, чем в указанном диапазоне. Следует отметить, что полученные здесь количественные соотношения опираются на вполне определенные численные значения комплексного показателя преломления, поэтому для других веществ результаты могут несколько изменяться. Общий вывод останется прежним: размеры частиц вдуваемых порошков должны быть одного порядка с длиной волны, соответствующей максимуму интенсивности свечения сжатого слоя. Если учесть, что применительно к полету в атмосфере со скоростями выше второй космической максимум излучения приходится на вакуумный ультрафиолет (Л= =0,1 мкм), то понятно, сколь малы должны быть размеры частиц газо- взвеси.
На практике приходится иметь дело не с монодисперсной средой, а с порошками, характеризуемыми неким распределением частиц по размерам. Более того, в процессе движения частиц от разрушающейся поверхности происходит резкое изменение их размеров вследствие сублимации (испарения). Нельзя забывать и о том, что реальные оптические характеристики облака частиц могут существенно отличаться от расрчитанных по формулам, справедливым для случая рассеяния света на одной изолированной частице. И, наконец, получение частиц размером много меньше одного микрона и распыление подобного порошка представляют значительные технические трудности.
Все эти проблемы ограничивают область применимости данного способа тепловой защиты при интенсивном радиационном тепловом воздействии в сжатом слое воздуха. Третий способ тепловой защиты требует разработки специальных пойрытий, обладающих высоким коэффициентом отражения по отношению к падающему извне радиационному потоку и сохраняющих этот коэффициент. Основное внимание, по-видимому, следует обратить на разрушающиеся теплозащитные покрытия, поскольку сохранность материала, учитывая уровень радиационных и конвективных тепловых потоков, приводившийся в 5 !0-1, даже при наличии высокого коэффициента отражения представляется проблематичной.
В связи с этим необходимо вкратце рассмотреть основные особенности механизма разрушения при совзвв местном тепловом воздействии. Механизм разрушения теплозащитных мг~ Механизм разрушения теплозащитных материало в условиях радиационно-конвективного теплового воздейств Появление радиационной составляющей в тепловом балансе на п верхности теплозащитного покрытия заставляет полностью пересмотре модели разрушения, изложенные в предыдущих главах. Это связа прежде всего с изменением соотношения между тепловым и динами ским воздействиями на теплозащитное покрытие. Как известно, уровень динамического воздействия зависит от гр диента давления в набегающем потоке ((р,/б(х, а также величины си трения т . Последняя через аналогию Рейнольдса связана с величинс конвективного теплового потока (7 . Градиент давления также опредсл. ет величину теплового потока, но только для непроницаемых поверхн~ стей.
При наличии вдува происходит снижение конвективного теплово( потока и трения, но градиент давления практически не изменяется. Неизменность (постоянство) соотношения между тепловым и дин: мическим воздействиями при конвективном теплообмене приводит к т( му, что безразмерная скорость уноса массы или эффективная энтальпи оплавляющихся материалов почти не зависит от размеров тела, хот уровень как теплового, так и динамического воздействия при увелич( нии радиуса кривизны Я с 0,007 до 1 м изменяется на порядки. Рис. (а-!т.
Изменение конвектнвного (а) и суммарааго (Ш тепловых потоков при увеличении размера тела й для различных теплозащитных материалов. à — непроницаемая поверхность; 2 — графит; 3 — фенальный найлон; 4 — политетрафтарзтилен; 5 — кривая изменеаия чиста радиационного потока, яот/смй кот/смй 0 3 о 30 3ОО мм 3 3О 300 мм а) б) Радиационный тепловой поток в отличие от конвективного потока трения и градиента давления резко увеличивается с ростом размеро( тела (рис.
10-1!), при этом одновремеьно возрастает и скорость унос' массы. Начиная с 6„=3, можно считать, что конвективный поток тепл( и диффузионный поток массы к поверхности теплозащитного покрыта( Защита от совместного тенвового воздействие равны нулю (при ламинарном режиме обтекания). Одновременно прекращается действие трения со стороны набегающего потока. Таким образом, единственными составляющими аэродинамического воздействия при 6 3 остаются радиационный тепловой поток дв и градиент давления с(р,/с(х.
Вдув газообразных продуктов разрушения, если они не обладают высокими коэффициентами поглощения, слабо уменьшает интенсивность подводимой энергии излучения. В этих условиях можно считать, что определяющий механизм разрушения большинства теплозащитных материалов должен включать либо сублимацию, либо термическое разложение. Действительно, отсутствие химически активных компонент набегающего газового потока исключает диффузионный режим горения графита. Отсутствие трения и малые градиенты давления (при больших)с) благоприятствуют интенсивному перегреву пленки расплава стеклообразных материалов и ее полному испарению. В случае композиционных материалов (гл. 9) взаимодействие отдельных составляющих (стекло и кокс) также должно стимулировать выход на третий (сублимационный) режим разрушения. Итак, скорость разрушения различных теплозащитных материалов может определяться лишь двумя параметрами: суммарным тепловым эффектом поверхностных процессов ЛЯ„и коэффициентом поглощения К, .
Последний зависит ие только от спектрального распределения степени черноты разрушающейся поверхности ел (Х), но и от спектра падающего радиационного теплового потока дл ().); 5'ел(х) чя,л(л) пх к в,м Чя где у„= ) дл л()с)дЛ. о Баланс тепла на разрушающейся поверхности в случае высоких радиационных тепловых потоков упрощается до следующего выражения: д К, =6 ЛЯ +6,с(Т вЂ” Т,)+еаТ'. В том случае, когда механического разрушения материала не происходит, суммарная скорость уноса массы 6 равна скорости поверхностного разрушения (сублимацни) 6 и можно ввести энтальпию разрушения материала прн интенсивном радиационном тепловом воздействии (по аналогии с эффективной энтальпией для конвективного теплового потока): ( е дл — — оТ (10-6) Механизм разрушения тецлозащнтных ма В табл.
10-1 пРедставлены РезУльтаты оценки величины /я длЯ Рг личных веществ в предположении, что они непрозрачны в диапазо длин волн 1ь от 0,2 до 1 мкм. Анализ данных табл. !0-! позволяет сдела парадоксальный вывод: при интенсивном радиационном тепловом вс действии энтальпии разрушения графита и фторопласта (разлагающе ся полимера) оказались близкими, причем величина их почти вт меньше, чем у окислов (ЬЮ, и МдО).
Заметим, что скорости уноса м сы графита и окислов будут различаться не так сильно, как величины Это связано с тем, что температуры разрушения у этих веществ разл ны и соответственно различаются числители в формуле (10-6) Т а б л и ц а 10-1. Характеристики разрушения различных веществ при интенсивном радиационном тепловом воздействии Материал 35 000 75 000 115 000 30 000 0,85 0,2 0,13 О,1 30 000 15 000 15 000 3 000 Графит Кварц Окись магния Фторопласт Однако при высоких радиационных тепловых потоках влияние те пературы поверхности быстро убывает.
Действительно, максимальн значение температуры разрушения существующих материалов мож оценить по температуре графита в тройной точке, равной 4200 К. П этом оТ4 18000 кВт/м'. Учитывая, что у реальных материалов при в соких температурах еж К... получаем, что прн г/в) 100000 кВт/м' (ур вень тепловых потоков, соответствующий спуску в атмосфере Юпиз ра) различия в температуре разрушающейся поверхности отдельн1 классов теплозащитвых материалов уже не играют принципиально значения.
Итак, чем выше интенсивность радиационного теплового воздей! вия, тем более существенную роль играет коэффициент поглощения р! рушающейся поверхности. Попытки создать экраны с высокой отражательной способност! уже неоднократно описаны в литературе 1Л. 10-13, 10-14]. При эт( можно идти двумя путями. Первый вариант предусматривает совмец ние блокирования конвективного теплового потока (за счет вдува га! образных продуктов разрушения) с высокой отражательной способа стью разрушающегося материала (примером может служить фтор пласт).
Во-втором варианте предлагается использовать двухслойн1 покрытия, В частности, можно применить кварцевое стекло с подсло яз серебра. Кварцевое стекло, обладая высоким тепловым эффект4 сублимации, эффективно блокирует конвективную составляющую те лового потока. Однако оно является полупрозрачным в оптическом дп Защита от совместного теплового воздействия ОООО назоне излучения, в результате чего значительная часть радиационного теплового потока проходит внутрь материала. В итоге профиль температуры внутри покрытия из кварцевого стекла существенно зависит от его приведенного коэффициента поглощения К„ (рис.
10-12), а скорость уноса массы и глубина прогрева могут изменяться при этом в несколько раз. Чтобы исключить вредные последствия полупрозрачности кварцевого стекла, со стороны внутренней поверхности покрытия можно поставить металлическое зеркало с высокой отражательной способностью (рис. 10-13, б) . Кварцевое стекло прозрачно в области длин волн от 0,2 до 2,3 мкм. Если использовать в качестве зеркала серебро, то оно эффективно отражает при Х)0,4 мкм. Такая система должна успешно противостоять не только тепловому воздействию сжатого слоя, но и лазерному облучению с энергией до 200000 кВт/мз [Л. 10-14].
Возвращаясь к первому из рассмотренных вариантов (рнс. 10-13, а), отметим, что главную трудность представляет проверка сохранения поверхностью хорошей отражательной способности при ее интенсивном разрушении. Так, в работе [Л. 10-13] показано, что литрид бора, имеющий в кт стандартных условиях отражательную способность выше 0,9, в процессе его испытания при совместном конвективном и 1ейаы радиационном нагреве снизил отражательную способность до О 0,55. В связи с этим особое зна- 2 чение приобретает эксперимен- тальная отработка теплоза- ~ООО щитиых материалов в условиях 4 ' интенсивного радиационного нагрева. Для этой цели пспользуются различные раднационные и гелиоустановкп [Л. О 10-!1, 11-16].
В процессе таких ООО ОО ООО я 'ОО испытаний необходимо измерять оптические характеристики разрушаюпйейся поверхности, ее температуру Т„и скорость уноса массы 6, Строя зависимости скорости уноса массы от величины радиационного теплового потока, поступившего через разрушающуюся поверхность [Ч, — (е/К, „)аТ')], Механизм Разрушения теплозашитньгх мат1 можно определить величину энтальпии разрушения 7н. Она соответству. ет наклону прямолинейного участка зависимости, который устанавливается у любого теплозащитного материала при достаточно высоком ра. диационном тепловом потоке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
