Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Как видно, повышение температуры материала стенки в слоях, удаленных от огневой поверхности, происходит с запаздыванием и медленнее. Для приближенного расчета нагрева стенок камеры процесс теплопередачи обычно принимают одномерным; тепловым потоком от стенок в окружающую среду пренебрегают. При таких допущениях для расчета нестационарного теплообмена можно использовать уравнение (38.4) при следующих граничных условиях: т=О, Т(у, О)= Т„,; (38.5) у=О, ч=а,'(Т,— Т,„,); у=6, Л~ — ) =О, г дТ где б — толщина стенки; у — расстояние от огневой поверхности- в направлении, перпендикулярном стенке.
Уравнение (38.4) вместе с граничными условиями справедливо как для однослойной, так и для многослойной стенки, при этом для многослойной стенки теплофнзические параметры с„, р„ и Л„будут иметь различные значения для каждого слоя. Для решения уравнения (38.4) применяют либо приближенный метод элементарных балансов, разработанный А. П.
Ваничевым, либо численный метод интегрирования в конечных разностях. Очевидно, что время безопасной работы камеры с емкостным охлаждением будет ограничено временем, за которое температура стенки достигает предельно допустимого значения. При емкостном охлаждении эта температура близка к температуре плавления материала, если глубинные слои стенки обеспечивают прп этом необходимую прочность. Время достижения опасной в этом смысле 4!О )г7а, аа/ма ггг, т 7575 7750 тп 75а Ы5 и а 7 2 5 Е т,с а 7 г 5 0 55хс 38.8. Время безопасной работы стенки; à — из мигноа стали: 2 — из алю. миииевого сплава; 3 — из меди 38.5.
изменение температуры стенки и плотности теплового потока по времени: иг — — 2900 Втггмг. Кь сталь температуры зависит от плотности теплового потока, температуры плавления (или сублимации) и теплофизических параметров материала стенок. Чем выше теплоемкость материала, тем большее количество теплоты может аккумулироваться в массе стенки, тем медленнее будет увеличиваться температура стенки со стороны газа. Увеличение теплопроводности материала позволяет быстрее отводить теплоту от огневой поверхности и замедляет возрастание Т„„. Различные материалы имеют разные сочетания значений теплоеикости и теплопроводности, поэтому в одинаковых условиях время безопасной работы для них неодинаково.
На рис. 38.6 показано изменение температуры стенки со стороны газа в условиях, характерных для ракетных двигателей (начальная разность температур между газом и поверхностью 3300 К; г) = 16 10' Вт/м', а„' = 6600 Вт/ма град), для трех различных материалов. Кривые доведены до точек плавления. Как видно, время безопасной работы медной стенки существенно больше, чем стальной, несмотря на более низкую температуру ее плавления и примерно одинаковую теплоемкость. Причина— в значительно большей теплопроводности меди. Основной недостаток емкостного охлаждения — массивность кйнструкции. Вследствие этого емкостное охлаждение применяется лишь в небольших двигателях (часто модельных) с ограниченным временем работы. 4ы Тоблнца Эв 1 Распределение температур в стенке камеры сгорания РДТТ Параметры степин и положение тонн» Без термо- нзалнции С термоизо- лицией 3,05 3,30 0,25 Толщина стенки, мм Толщина слоя термоизоляции, мм Температура в конце горения, К: на внутренней поверхности термоизоляции на внутренней поверхности стальной стенки на наружной поверхности стальной стенки Средняя температура стальной стенки, К 1063 756 533 618 1453 1116 1238 38.2.4.
Теплоизоляционные покрытия 38.2.8. Абляционное охлаждение Термин «абляция» обобщает совокупность различных явлений, возникающих при нагреве, термическом разложении й последующем уносе массы твердого тела, омываемого горячий газовым потоком. При этом теплота расходуется на фазовые превращения 1плавление, испарение, сублимация) и эндотермиЧВ'- ские реакции пиролиза в поверхностном слое покрытия. Кройе того, защитное действие оказывают газообразные продукты, выделяющиеся при абляции, так как их температура обычно ниже температуры в ядре потока. Поэтому в отличие от инертных тугоплавких покрытий применение аблирующих теплозащитных пба крытий 1ТЗП) возможно при любой температуре продуктов сгорания.
Ниже приводятся основные требования, которым должны удовлетворять теплозащитные материалы, подвергающиеся абляции. М а л а я т е п л о п р о в о д н о с т ь, при которой преобразование и унос вещества будут происходить лишь в поверйгностном слое, что предупредит перегрев н потерю прочности основного материала. Высокая теплота а б л я ц и и, т.
е. 412 Для тепловой защиты РДТТ могут применять неразрушающиеся !инертные) теплоизоляционные покрытия, хотя и ограниченно. Для элементов конструкции РДТТ характерны большие толщины покрытий, чем в ЖРД, а также применение многослойных покрытий. В табл. 38.1 приведены расчетные дань ные, характеризующие влияние инертного тугоплавкого покрытия на распределение температур в стальной стенке. Как видно', тонкий слой покрытия с низкой теплопроводностью резко снижает тепловой поток в стенку и значительно улучшает условия ее работы.
большое количество теплоты, затрачиваемой в процессах нагрева и преобразования уносимого поверхностного слоя. Б о л ь ш о е г а з о о б р а з о в а н и е, обеспечивающее утолщение пограничного слоя и снижение тепловых потоков в стенку. В ы с о к а я механическая прочность, хорошая сопротивляемость тепловым и механическим ударам, эрозии. Т е х н о л ог и ч н о с т ь и н е д е ф и ц и т н о с т ь исходных материалов. Оптимальное сочетание упомянутых характеристик может обеспечить приемлемую массу ТЗП и относительно малый унос массы. Все абляционные материалы можно разделить на две большие группы; материалы, в которых происходит «жертвенный» у н о с .массы с поверхности покрытия без образования обугленного слоя: материалы, отличительной чертой которых является внутренний унос массы.
К первым относят вещества, сублимирующие при нагреве (покрытия из минеральных солей и органической связки), плавящиеся и испаряющиеся (различные типы каучуковой изоляции, кварц), а также их комбинации. Вторые— это армированные пластмассы высокой плотности (1,4 ... 1,6 г/см«) на основе фенольных, эпоксидных, кремнийорганических и других смол (теплопоглотитель) со структуроносителем из графитового или кварцевого волокна и других веществ.
Стеклянные или графитовые волокна укладываются таким образом, что при размыве связующего вещества выступающие концы волокон образуют «щетку». ТЗП такого типа показывает хорошую эрозионную стойкость. Обсуждают также возможность применения волокон из поликристаллической двуокиси цирконня. нитрида бора, двухслойных углекремнеземных волокон. В соответствии с характером уноса массы различают и два типа ТЗП: с поверхностным и внутренним уносом. Второй тип ТЗП получил большее распространение.
При интенсивном нагреве материала такого ТЗП происходит тепловое разложение — пиролиз связующего вещества (наполнителя). Остатки термического разложечия образуют на поЮрхности обугленный слой. Газообразные продукты пиролиза, цапример водород, углеводороды, проникают через поры и микро- трещины в нагретом слое кокса; прн этом происходит теплообмен между этими газами и карбонизированной средой и газообразные продукты поступают с поверхности в пограничный слой. Такой выброс газообразных продуктов пиролиза препятствует распространению теплоты в глубь материала, и в результате этого значительно уменьшается конвективный тепловой поток к силовой конструкции.
Эффективная работа абляционной тепловой защиты, в том числе и эрозионная стойкость возможны лишь в случае, если термическое разложение входящих в ее состав смол протпдает с образованием на поверхности сильно науглероженного слоя. Известным ограничением для применения многих теплозащитных материалов служит их высокая жесткость, что может при- 4!3 38.7.
Изменение скорости абляции в зависимости от плотности теплового потока при постоянной температуре поверхности 2500 К б, нмlг бб вести к их преждевременному б,2 разрушению под воздействием механических и термических б (б б (б, б)7)бз напряжений. Поэтому в качестве ТЗП применяют и так называемые эластифицированные полимеры. Наиболее распространенными из них являются акрилонитрилбутадиеновый каучук с наполнителем из ЬЮА и асбестовых волокон, бутадиенстирольный каучук с наполнителем из углерода (уголь, графит) и асбеста., Вследствие сложного механизма абляции и многообразия при-.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
