5.3. Методы экспериментального исследования теплозащитных материалов.

Успешное применение теплозащитных материалов в системе тепловой защиты СА зависит от того, насколько подробно изучены поведение и свойства материалов в различных условиях конвективного и радиационного нагрева. Воспроизведение подобных условий является, как правило, очень сложной технической задачей, требующих значительных затрат. Поэтому экспериментальное исследование взаимодействия теплозащитных материалов с высокотемпературной средой проводится последовательно в три основных этапа [7].

Вновь разработанные рецептуры теплозащитных материалов сначала проходят сравнительные (отборочные) испытания. Параметры среды и метод испытаний подбираются таким образом, чтобы выявить наиболее важные свойства материала, характеризующего его поведение и возможности в заданных условиях. Сравнительные испытания проводят при постоянных параметрах набегающего потока на одном режиме работы установки. При исследованиях такого типа необходимо учитывать воспроизводимость условий испытаний, надежность и точность методов контроля параметров высокотемпературной среды, достаточность объема полученной информации для того, чтобы с заданной точностью проводить сравнение материалов. По результатам сравнительных испытаний отбирают наиболее эффективные материалы, которые подлежат дальнейшему изучению.

Второй этап посвящен изучению механизма разрушения материала и определению его основных характеристик в широком диапазоне изменения параметров высокотемпературной среды (энтальпии, давления, скорости, состава). Результаты этих исследований используются для построения модели разрушения материала, проверки теоретических методов расчета, рекомендации области преимущественного использования данного материала и т.п.

Третий этап исследований охватывает широкий круг вопросов, связанных с изучением теплофизических свойств материалов, в том числе степени черноты поверхности, теплоты физико-химических превращений, молекулярной массы продуктов разложения связующего и ряда других свойств, которые могут зависеть от характера воздействия набегающего потока, а также технологии изготовления, структуры наполнителя и связующего и т. д. Проведение исследований такого типа требует разработки специальных методик и целого комплекса измерений в условиях высокотемпературной среды.

Итак, можно следующим образом сформулировать основные задачи экспериментальных исследований разрушающихся теплозащитных материалов:

1) Проведение сравнительных испытаний теплозащитных материалов при определенных “стандартных “ режимных параметрах, обусловленных условиями их будущего применения.

2) Выявление определяющего механизма разрушения при изменении условий воздействия потока в широких пределах, в том числе и в нестационарных тепловых условиях, с последующим использованием этой модели для расчета теплозащитных свойств покрытия и выбора необходимой толщины теплозащитных материалов.

3) Определение теплофизических и кинетических характеристик разрушающихся теплозащитных материалов при моделировании натурных условий эксплуатации.

Рассмотренные выше особенности конвективного и радиационного воздействия, а также исследование различных механизмов разрушения материалов позволяет указать следующие основные параметры, воспроизведение которых важно при экспериментальной отработке теплозащитных материалов:

1) энтальпия заторможенного потока газа для окрестности точки торможения затупленного тела;

2) химический состав набегающего газового потока, в особенности концентрация химически активных компонент;

3) давление заторможенного потока газа (в окрестности точки торможения затупленного тела);

4) режим течения в пограничном слое - ламинарный или турбулентный;

5) уровень сдвигающих напряжений на разрушающейся поверхности - градиент давления и силы трения.

Указанный перечень не может считаться достаточно полным для всех этапов отработки теплозащитных материалов. В нем указаны лишь те параметры, которые влияют на механизм разрушения в условиях конвективного нагрева.

При анализе совместного конвективного и лучистого теплового воздействия на материал появляются дополнительные определяющие параметры, причем главные из них - отношение тепловых потоков и энтальпии торможения .

Так как при лабораторной отработке теплозащитных материалов обычно не удается смоделировать сразу все перечисленные особенности теплового и силового воздействия, то выбирают такую методику, которая позволяет воспроизвести наиболее важные параметры набегающего потока, т.е. ставится задача о частичном моделировании одного или нескольких параметров и о переносе результатов отдельных экспериментальных исследований на натурные условия с помощью теоретических моделей разрушения.