1.6. Радиационный теплообмен

Температура в сжатом слое может доходить до 30000...40000 К. В зависимости от оптических свойств различают:

• прозрачный газ, который только излучает, но не поглощает;

• поглощающий газ, в объеме которого происходит как излуче­ние энергии, так и поглощение.

Лучистый поток в стенку обтекаемого тела

где Е_е = 4К_рТ_с⁴ - энергия, излучаемая единицей объема газа в единицу времени; σ – константа (постоянная Стефана-Больцмана); К_р – коэффи­циент поглощения, усредненный по Планку; δ – толщина ударного слоя.

При разрушении ТЗП в пограничный слой могут вдуваться сильнопоглощающие компоненты, такие как СО, СN, С и др.

Двухфазный поток, содержащий твердые или жидкие части­цы, размеры которых соизмеримы или больше длины волны излу­чения, в большинстве случаев не только поглощает и испускает энер­гию, но и рассеивает проходящее через поток излучение. Полу­прозрачные материалы нашли широкое применение в качестве тер­морегулирующих покрытий, внешних слоев солнечных батарей, ТЗП летательных аппаратов.

Композиционный теплозащитный материал – стеклопластик образует на поверхности тонкую пленку из полупрозрачного ком­понента покрытия. Оптические свойства зависят от температуры, наличия примесей, технологии изготовления, ионизирующего излу­чения. Вот почему лучше применять чистый кварц.

Скорость уноса массы плавленного кварца слагается из скоро­стей оплавления и поверхностного испарения. Стенка, обтекаемая газом, может быть катализатором реакции в ТЗП, в частности дис­социации. Константа скорости каталитической реакции вычисляет­ся по формуле

где – доля атомов, рекомбинирующих при соударении с поверх­ностью; т – молекулярная масса недиссоциированного газа; К_да — зависит от рода поверхности, атомов, соударяющихся с повер­хностью, ее химической чистоты и изменяется в широких пределах. Измеряется в см/с (м/с). Ниже приведены значения К_w для некото­рых подложек и газов: Сu - N₂ – 1000 м/с; Сu - Н₂ – 380 м/с; Сu - O₂ – 2200 м/с; W-N₂ – 6...6,6 м/с.

Процессы, протекающие в пограничном слое, очень сложны: диссоциация и рекомбинация, другие химические реакции, конвек­тивный и лучистый теплообмен, испарение с поверхности, эрозия и т. п. В двухфазных потоках процессы усложняются, что, например, имеет место в РДТТ.

Исходя из специфики встречающихся на практике ТЗП, целесообраз­но классифицировать механизмы их разрушения следующим образом:

- сублимация;

- термическое разложение;

- химическое взаимодействие с компонентами набегающего га­зового потока;

- химическое взаимодействие отдельных составляющих КМ друг с другом и с компонентами набегающего потока;

- оплавление;

- растрескивание и выкрашивание тугоплавких материалов.

В углепластиках химические свойства обоих компонентов близки. Кроме названных процессов учитывается нагрев (С_р), излу­чение (Т_w⁴)эффект вдува в поток с поверхности КМ. Эффект вдува может играть определяющую роль.

Рассмотрим отдельно (для примера) взаимодействие графита с компонентами набегающего потока. Реакция графита с воздухом является гетерогенной, т. е. соединение их происходит в твердой фазе, и нет необходимости в предварительной сублимации графита. Но кислород должен диффундировать через пограничный слой к по­верхности, а продукты реакции наоборот. Этот процесс формально

описывается с помощью закона Аррениуса:

Энергия активации Е изменяется от 33 до 250 кДж/моль. Порядок реакции п для пирографита чаще всего равен 0,5, Е = 190 кДж/моль.

Для технического графита В = 3∙10⁹ кг/(м²∙с∙ат^-0,5), для пирогра­фита В = 2∙10⁵. Первое значение считается характерным для «быст­рой» кинетики, второе – для «медленной».

По кинетике все ТЗП укладываются между этими двумя мате­риалами. При температуре Т_w > 3 300 К существенной становится сублимация. Тогда окисление происходит не на самой поверхности, а в пограничном слое, продукты испарения С, С₃ и т. п. Кислород- и азотсодержащие компоненты отнесены наружу. Полная скорость сублимации определяется суммой молекул С, С₃, С₄С₁₆, а скорость уноса – суммой продуктов взаимодействия углерода с компонента­ми газового потока и испарившегося углерода.

Разложение органического связующего в композиционных теп­лозащитных материалах или углепластиках приводит к образова­нию значительных масс газообразных продуктов с высоким содер­жанием углерода. По мере их фильтрации через пористый коксовый остаток часть углерода может выпасть в виде пиролитического нале­та на стенках пор, однако, при больших скоростях истечения газа, значительная часть этих продуктов попадает в пограничный слой с замороженным составом. Это нужно учитывать при расчетах.

Если рассматривать ТЗП на основе стеклоткани, фенолоформальдегидной смолы, то в пограничный слой могут поступать:

1. Летучие продукты разложения связующего (СО и Н₂).

2. Испарившиеся молекулы стекла – SiO₂.

3. Продукты горения кокса.

Тепломеханическое разрушение теплозащитного материала сложно, но все-таки в основном обусловлено действием тангенци­альных сжимающих напряжений, которые оцениваются как

где β – коэффициент термического расширения (КТР); Е – модуль уп­ругости материала; ∆Т – перепад температур в рассматриваемом слое.

Градиенты температур достигают 100... 1 000 К/мм в зависимос­ти от интенсивности теплообмена и теплопроводности материала. В «холодных» слоях появляются растягивающие напряжения. По мере достижения критических значений градиента температур про­исходит чисто механическое выкрашивание материала (эрозия). Осо­бенно это характерно для керамических материалов в высокотемпе­ратурных условиях. Кроме этих напряжений могут возникать и дру­гие за счет усадки, фильтрации газообразных продуктов, наличия трещин на поверхности и т.п.

Так же как и в газовом потоке, при воздействии частиц двух­фазного потока, поверхность материалов может разрушаться вслед­ствие нагревания, механического или химического взаимодействия. Считают, что разрушения, вызванные жидкими и твердыми частица­ми, сходны между собой. Обычно рассматривается отношение глу­бины проникновения частицы (R) к ее радиусу (r)

где v – скорость частицы.

Есть более сложные отношения и они учитывают плотность ча­стицы, механические характеристики поверхности и частицы. Если поверхность оплавляется или испаряется, то соотношения усложня­ются, так как падающие частицы могут взаимодействовать с унося­щимися частицами, с пристеночным слоем и т. п. Кроме того, возможно химическое взаимодействие частиц с продуктами субли­мации и расплава [2].