1.1. Радиационное охлаждение

Этот метод тепловой защиты использует способность нагретой поверхности излучать тепло.

В соответствии с законом Стефана - Больцмана интеграл от плот­ности потока излучения по всем длинам волн равен

где n - коэффициент преломления среды, для газов и вакуума он прини­мается раным 1; σ – 5,57-10^-8 Вт/(м² ∙К⁴) - коэффициент излучения; Т – абсолютная температура, К; λ – длина волны.

Но q_R всегда меньше Т⁴, т. к. реальная степень черноты всегда меньше 1, поэтому

где ε – степень черноты.

Степень черноты одного и того же материала может меняться в широких пределах и в зависимости от многих факторов, в том числе от вида предшествующей обработки. Например, для полированно­го алюминия при температуре поверхности Т = 870 К ε = 0,06, в то время как для окисленного – 0,33; окисленная медь имеет степень черноты 0,76; резина при 300 К – 0,86...0,94.

Многие покрытия на металлах увеличивают степень черноты. Так покрытие МoSi₂ на молибдене толщиной 50 мкм обеспечивает защиту металла от окисления вплоть до 1 900 К и повышает степень черноты.

Радиационный метод тепловой защиты применяется в ги­перзвуковой авиации и в ракетной технике.

1.2. ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛ ЗА СЧЕТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА ИХ ПОВЕРХНОСТИ

Фазовые превращения – плавление и испарение или сублима­ция – широко применяются при охлаждении горячих поверхностей тел. Наиболее эффективным является отбор тепла при испарении, который в 10... 12 раз интенсивнее, чем при плавлении. Кроме того, температура испарения примерно вдвое превышает температуру плавления.

Согласно правилу Трутона теплота испарения определяется как

где К₂ = 80...90 кДж/(моль∙К).

Отсюда следует, что чем меньше атомная масса вещества и выше температура испарения, тем больше теплота испарения. Так значение Q_исп изменяется от 500 кДж/кг у низкотемпературных металлов, до 10 000 кДж/кг у тугоплавких оксидов и 20 000 кДж/кг у графита. Высокое значение теплоты испарения графита играет существенную роль, поэтому при создании высокотемпературных теплозащитных материалов нужно стремиться к тому, чтобы в них было как можно больше атомов углерода. Кроме того, в пограничном слое может происходить многократная диссоциация и ионизация продуктов уноса при высоких температурах, что способствует дополнитель­ному поглощению тепла, выделяемого нагретой поверхностью.

Энергия диссоциации и ионизации некоторых веществ состав­ляет соответственно (кДж/кг): О₂ – 15 450 и 41 000; N₂– 33 480 и 50 000; Н₂0– 13 430.

Общие требования к теплозащитным материалам, использова­ние которых базируется на физико-химических превращениях, мож­но сформулировать следующим образом: они должны

1) поглощать большое количество тепла при физико-химичес­ких превращениях;

2) иметь высокое значение объемной теплоемкости С;

3) обладать высокой прочностью при высоких температурах для обеспечения небольшого механического уноса;

4) по возможности иметь высокую температуру разрушающейся поверхности и большое значение степени черноты ;

5) образовывать при разрушении газообразные продукты с ма­лой молекулярной массой для эффективного снижения конвектив­ного теплового потока;

6) в случае образования жидкой пленки, вязкость последней дол­жна быть значительной.

Конечно, трудно найти материал, удовлетворяющий всем этим требованиям. Поэтому выбор производится в зависимости от кон­кретных условий работы. Разрушающиеся теплозащитные материа­лы широко используются для защиты спускаемых космических аппа­ратов, камер сгорания, сопловых блоков РДТТ и т. д.