1.3. Перенос тепла в теплозащитном покрытии (тзп)

Конвективный или радиационный тепловые потоки, подведен­ные извне к поверхности ТЗП, в общем случае поглощаются или рас­сеиваются.

1.3.1. Пористое охлаждение

Механизм пористого охлаждения складывается из двух процес­сов: внутреннего теплообмена, во время которого газ отбирает теп­ло от внутренней стенки при фильтрации к внешней поверхности, и внешнего теплообмена, когда охлаждающий газ, покинув стенку, диффундирует через пограничный слой, разбавляя и оттесняя от поверхности высокотемпературный газовый поток.

Под пористой средой понимают твердое тело, содержащее пустые поры, распределенные более или менее равномерно по объему тела.

Объемная пористость – это отношение объема пор V_п к объе­му тела V₀

Если обозначить через V_Т объем материала, занятого частицами твердого каркаса, то

Для каркаса их сферических частиц получаем

где N₃ – число частиц в единице объема; d – диаметр частицы.

Металлические пористые материалы (рис. 1) обычно получают прессованием сферических порошков или плетением из волокна или проволоки. Наиболее употребляемыми материалами при создании пористых изделий являются нержавеющая сталь, вольфрам, никель.

Скорость течения охладителя в порах при заданном перепаде дав­ления Р поперек пористой стенки толщинойh может быть уста­новлена с помощью закона Дерси:

г

Рис.1. Модели структуры пори­стых

материалов:

а- кубическая укладка;

б- ромбическая;

в- плетеная сетка

де К_п – коэффициент проницаемос-

ти, который определяется структурой пористого материала; μ –коэффициент вязкости охладителя.

Массообменное охлаждение может быть реализовано не только че­рез пористую стенку, но и с помощью разрушающихся материалов. Нап­ример, вкладыш критического сечения изготавливается из тугоплавко­го материала, пропитанного легкосублимирующими компонентами.

1.4. Физико-химические основы разрушения теплозащитных материалов

Принцип работы разрушающихся ТЗП состоит в потере по­верхностного слоя ради сохранения благоприятного теплового ре­жима внутренних слоев и самой защищаемой конструкции.

Химические реакции могут протекать как при участии, компо­нент набегающего потока, так и независимо от них. Кроме того, под действием внутреннего давления или внешних сил, а также терми­ческих напряжений может иметь место эрозия, т. е. механический унос в виде отдельных частиц.

Процессы разрушения сопровождаются фазовыми и химичес­кими превращениями, а также вдувом в набегающий поток продук­тов разрушения. Благодаря этим факторам указанный тип покры­тий по эффективности существенно превосходит системы, работаю­щие на принципе поглощения тепла.

У композиционных материалов процесс разрушения обычно определяется поведением какой-либо одной компоненты, мас­совое содержание которой в материале достаточно велико, либо она в состоянии образовать механически прочный каркас, обладающий лучшей среди других компонент способностью противостоять аэро­динамическому (газодинамическому) воздействию потока при высо­ких температурах. Выход газообразных продуктов термического разложения связан с преодолением гидродинамического сопротивле­ния пор. Таким образом, положение фронта термического разложе­ния связующего внутри тугоплавкого каркаса будет определяться балансом подведенного тепла и химически активных компонент, с одной стороны, и расхода связующего – с другой.

Такая же картина наблюдается и в случае тугоплавкого карка­са, поры которого заполнены испаряющимися или сублимирующи­ми компонентами, например, в случае пористого вольфрама, микроканалы которого заполнены медью.

Фазовые превращения являются одним из самых эффективных способов поглощения тепла, особенно на переходе в газообразное состояние, поскольку теплота сублимации почти на порядок пре­восходит теплоту плавления. Кроме того, отвод газифицированного вещества сопровождается вдувом массы в пограничный слой.

Многие химические реакции протекают с выделением тепла, что может ухудшить тепловой баланс, но, все-таки, образование при этом газообразных продуктов является положительным эффектом. Оно ведет к снижению доли механического уноса материала с поверхно­сти за счет вдува газов в пограничный слой.

Разность между тепловыми потоками к непроницаемой по­верхности и к поверхности с расходом массы через нее равна

где q₀– удельный тепловой поток к поверхности при отсутствии вдува со стороны поверхности; q_w – удельный тепловой поток к поверхности при наличии вдува за счет сублимации материала или химических ре­акций; q_вд – удельный тепловой поток, поступающий в пограничный слой за счет вдува; γ – коэффициент, зависящий от отношения молеку­лярных масс вдуваемых продуктов и набегающего газового потока, а также от режима течения в пограничном слое; С_т – удельный расход материала; I_С, I_W – значения энтальпии потоков без вдува и при его наличии соответственно. Значение у принимается постоянным и рав­ным для ламинарного потока 0,6, для турбулентного γ _т = 0,2.

При больших энтальпиях торможения I_с >30 000 кДж/кг вдув по своей эффективности превосходит все другие способы рассеивания и поглощения тепла на разрушающейся поверхности.

Для сравнения теплозащитных и абляционных материалов введено понятие эффективной энтальпии, определяющей количество тепла, кото­рое может быть поглощено при разрушении единицы массы материа­ла, поверхность которого имеет температуру Т_№ в результате действия всех физико-химических процессов, сопровождающих разрушение.

где Q_н – тепло, расходуемое на нагрев материала; (Q_ПЛ – тепло, рас­ходуемое при плавлении; Q_хп – теплота химических превращений; Q_исп – теплота испарения из жидкой фазы; Q_субл – теплота сублима­ции из твердой фазы, она несколько выше Q_ИСП.; Q_ион – энергия иони­зации, имеющая место при очень высоких температурах; Q_изл – ко­личество тепла, отдаваемого поверхностью за счет излучения. Все значения теплот отнесены к единице массы материала.

В литературе имеются другие выражения для Н_эф, но авторы считают, что такое представление является хоть и не весьма стро­гим, но наиболее понятным.

Чем выше эффективная энтальпия, тем лучше теплозащитный или другой аблирующий материал. Эффективная энтальпия не является термодинамическим параметром, т. к. величина ее для одного и того же материала зависит от температуры, скорости набегающего потока и других условий. В каждом конкретном случае тип аблирующего материала нужно выбирать так, чтобы могла максимально реализоваться его эффективная энтальпия. Например, углерод–углеродные материалы лучше всего могут реализовать Н_эф при температурах выше 3 500 К, а кварцевые ТЗП – до 3 000 К. Как говорят в этом случае ракетчики, «нужно, чтобы материал работал».

Общая задача исследования разрушающихся ТЗП и других «жер­твенных» материалов требует установления определяющего механизма разрушения и получения зависимости уноса массы от тем­пературы и условий обтекания. С этой целью удобно разбить все многообразие материалов на несколько классов:

1. Сублимирующие материалы.

2. Разлагающиеся материалы.

3. Материалы, химически реагирующие с компонентами набе­гающего газового потока.

4. Оплавляющиеся материалы.

5. Композиционные материалы.

В качестве сублимирующих материалов при атмосферном дав­лении и соответствующих температурных условиях могут выступать сухой лед (твердая углекислота), нафталин, графит и некоторые дру­гие (табл.З). Практически все вещества могут сублимировать; нуж­но, чтобы давление паров данного вещества над поверхностью было ниже, чем в тройной точке. В замкнутом объеме с течением времени наступает состояние динамического равновесия, при котором ско­рость испарения равна скорости конденсации.

Таблица 3

Давление, температура и теплота испарения некоторых веществ

Вещество	Р∙10-5, Па	Т, К	∆Qисп., кДж/кг
Сухой лед (СО2)	5	215	560
Нафталин	0,015	353	400
Графит	110	4200	20000

Обозначения: Р – давление; Т – температура; ∆Q_исп – теплота испарения.

Скорость испарения описывается формулой Кнудсена-Ленгмюре

где а – коэффициент аккомодации (прилипания), который может изменяться в очень широких пределах, от 1 для металлов до 10^-9 для красного фосфора; Р_i^н –давление насыщенных паров веще­ства при температуре Т_w; Р_i – давление паров вещества над по­верхностью; μ_i – молекулярная масса; Т_w – температура поверхно­сти сублимирующего вещества. При сублимации с поверхности уг­лерода в его порах могут содержаться не только одноатомные, но и многоатомные молекулы: С₂, С₃...С₇. При этом каждая молекула об­разуется при сублимации твердой фазы.

Заметим, что в связи с открытием новых структур у углерод­ного вещества, таких как карбины и фуллерены, реальная картина сублимации углерода может существенно отличаться от наших со­временных представлений об этом процессе.

Полимерные теплозащитные материалы при высоких темпера­турах претерпевают процесс деструкции, которая представляет со­бой совокупность гомогенных и гетерогенных химических реакций и фазовых превращений, сопровождающихся, как правило, погло­щением тепла и потерей массы за счет выделения продуктов разло­жения и механической эрозии.

Гомогенные реакции протекают в объеме, гетерогенные – на поверхности раздела фаз. Константа скорости реакции описывает­ся уравнением Аррениуса:

где В – предэкспоненциальный множитель, моль/с; R – универсаль­ная газовая постоянная, кДж/(моль∙К); Т – температура реагирую­щих веществ, К; Е – энергия активации реакции, кДж/моль. Газооб­разные продукты, получающиеся при разложении полимеров, явля­ются сложными органическими соединениями. Предэкспоненциаль­ный множитель для реакции разложения имеет порядок В =10¹³ 1/с. Энергия активации Е не превышает энергии связи С – О и С – Н, т. е. она не больше 200...400 кДж/моль.

Время реакции разложения при названной энергии активации составляет 10^-7...10^-3 с. Термореактивные смолы обладают сетчатой структурой. Они разлагаются, образуя коксовый остаток без предва­рительного перехода в вязкотекучее состояние и газообразные про­дукты. Деструкция феноло-формальдегидных смол протекает в ин­тервале 500...800 К.

Важной характеристикой при разложении смол является коксо­вое число К, определяемое по формуле

где р – плотность коксового остатка; р₀– начальная плотность смолы.

Для фенольной смолы К~0,5...0,6, для эпоксидной – К~0,2, для фуриловых смол К достигает значений 0,82.