Теплозащитные материалы, применяемые в самолётостроении, их основные характеристики

Предметом рассмотрения в данной курсовой работе являются теплозащитные материалы, применяемые в самолётостроении, их основные характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

1. Принцип работы разрушающихся  теплозащитных систем…...……………..5

2. Сублимирующие материалы…………….………………………………...…18

3. Постановка задачи об оплавлении стеклообразного материала………..….20

4. Свойства некоторых  теплозащитных материалов…………………………..23

Заключение……………………………………………………………………….24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Теплозащитные материалы в авиастроении — конструкционные материалы, применяемые в качестве пассивного средства защиты какой-либо поверхности ЛА или других элементов конструкций от аэродинамического нагревания или воздействия горячего газового потока. Различают 3 основных типа теплозащитных материалов: абляционные материалы; материалы с высокой эрозионной стойкостью и теплопоглощающей способностью; неразрушающиеся материалы с низкой теплопроводностью и высокой излучательной способностью.  
В авиационной технике в качестве теплозащитных материалов обычно используют высокопрочные керамические или органические материалы с наполнителями. Наиболее распространены абляционные теплозащитные материалы Основные абляционные теплозащитные материалы — графит, фенольный стеклопластик, силикат циркония. Конструкционные Т. м. с высокой эрозионной стойкостью эффективны, если они обладают высокой теплопоглощающей способностью, оцениваемой по общему количеству теплоты, затрачиваемой на нагревание материала до температуры плавления. Наиболее эрозионностойкими являются углеродсодержащие теплозащитные материалы и вольфрам, применяемые в авиационно-космической технике, например для изготовления вкладышей сопел РДТТ. Неразрушающиеся теплозащитные материалы с низкой теплопроводностью и высокой излучательной способностью относятся к многократно используемым средствам пассивной защиты. Так, теплозащитные материалы на основе кварцевых волокон с эрозионно-стойким покрытием, содержащим кварц и борид кремния, имеющий плотность 150—250 кг/м³, теплопроводность менее 0,1 Вт/м°С, степень черноты не менее 0,9, способен десятки часов работать при температуре до 1250°С. Рабочая температура теплозащитных материалов многоразового использования на основе элементоорганических связующих и неорганических наполнителей при плотности не более 1640 кг/м³ не превышает 1000°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принцип работы разрушающихся теплозащитных систем

 

В этом разделе речь пойдёт об абляционных материалах и механике самого процесса абляции.

Различают следующие виды абляционных материалов: разлагающиеся (политетрафторэтилен, полиэтилен и др.), сублимирующиеся (напр., графит при температурах около 3800°С, давлениях до 10 МПа и отсутствии окисляющего агента), плавящиеся (кварц, пенокерамика и др.). Наиболее распространены армированные органические и кремнийорганические материалы, абляция которых характеризуется совокупностью нескольких одновременно протекающих процессов, как показано на рисунке. В начальный момент на поверхности образуется пленка расплава и начинается нагрев нижележащих слоев, возникает зона абляции, т.е. плавления и пиролиза с образованием твердого, обычно пористого углеродного остатка. С течением времени эта зона смещается в сторону защищаемой поверхности, толщина слоя неизменного абляционного материала уменьшается, а температура возрастает. После окончания воздействия высокотемпературного газового потока зона абляции может достигнуть защищаемой поверхности, что допустимо лишь по истечении расчетного времени работы изделия.

Абляционные материалы могут быть твердыми (на основе термореактивных синтетических смол и линейных полимеров) и эластичными (на основе нитрильного этилен- пропиленового, синтетического изопренового каучука и др.); армирование материалов волокнистыми наполнителями существенно улучшает их абляционные свойства (табл. 1 и 2).

Эластичные абляционные материалы используют главным образом для защиты камер сгорания крупногабаритных ракетных двигателей, для внеш. теплозащиты гиперзвуковых самолетов, ракет и космических аппаратов, входящих в атмосферу Земли или др. планет. Их эластичность, характеризуемая, напр., относит. удлинением при разрыве, может составлять 200% и более. Низкую плотность абляционных материалов (до 0,16 г/см³) обеспечивают введением пенообразователей или полых стеклянных, фенольных или др. микросфер (т. н. синтактные абляционные материалы).

               Абляционные материалы успешно использовали в неохлаждаемых камерах горения реактивных двигателей для корректировки полета на низкой высоте. В этих реактивных двигателях, работающих на жидком топливе, поток жидкого топлива недостаточен для обеспечения регенеративного охлаждения. Таким образом, здесь требуются какие-то другие виды охлаждения. Некоторые абляционные армированные пластмассы имеют значительную долговечность при огневых экспозициях порядка 22 мин. Кроме того, они успешно выдерживают несколько тысяч повторных запусков двигателя.

Абляционные материалы  наносят на наружную поверхность  конструкционных материалов и таким  образом защищают несущую конструкцию  от воздействия высоких температур окружающей среды. Способность абляционного материала к локализации высокой температуры окружающей среды в неглубоком поверхностном слое также является его важной характеристикой. Показатель этого свойства материала называют защитным индексом. Его обычно выражают как минимальную толщину (или массу) материала, необходимую для сохранения заданной температуры на тыльной стороне слоя в конце периода нагревания.

Эксплуатационные качества абляционных материалов представляют сложную функцию свойств самих материалов и характеристик окружающей среды. Поскольку характеристики газовых сред при высоких температурах могут сильно различаться между собой, один материал не может отвечать всем требованиям в отношении оптимальности его свойств. Каждый материал проявляет присущие только ему одному эксплуатационные качества в данной газовой среде и может оказаться непригодным в других условиях интенсивного нагрева.

Общее количество абляционного материала складывается из того количества материала, которое подвергается абляции при взаимодействии с окружающей средой, и дополнительного количества материала, предназначенного для теплоизоляции.

Термически ослабленный  поверхностный слой абляционного материала  разрушается также вибрационными  силами. Этот эффект с трудом поддается изучению. Он имеет место в раструбах многих реактивных двигателей. Инерционные силы (ускорения или торможения) могут усиливать стекание расплава с поверхности пластмасс.

Фенолоформальдегидные смолы, армированные полиамидными волокнами, были первыми материалами, использованными в качестве абляционной теплозащиты головных частей ракет и возвращаемых космических аппаратов.

            Теперь рассмотрим механику и особенности самого процесса абляции. Принцип работы разрушающихся теплозащитных систем характеризуется потерей поверхностного слоя (или разложением одной из компонент материала) ради сохранения благоприятного теплового режима внутренних слоев и самой защищаемой конструкции. Разрушение поверхностного слоя происходит в результате различных физико-химических превращений под воздействием подводимых к поверхности конвективных и радиационных тепловых потоков, диффузионных потоков химически активных компонент, а также под действием сил давления и трения. Химические реакции могут протекать как при участии компонент набегающего потока, так и независимо от них. Кроме того, на поверхности теплозащитного покрытия под действием внутреннего давления или внешних сил, а также вследствие термических напряжений может иметь место эрозия — механический унос в виде отдельных частиц.

Использование разрушающихся  теплозащитных систем имеет существенные преимущества перед другими способами  тепловой защиты. Главное из них  заключается в саморегулировании  процесса, т. е. в изменении массового  расхода материала покрытия при изменении тепловой нагрузки. Процессы разрушения сопровождаются фазовыми и химическими превращениями, а также вдувом в набегающий поток продуктов разрушения. Благодаря этим факторам указанный тип покрытий существенно превосходит по эффективности системы, работающие на принципе поглощения тепла. Разрушающиеся теплозащитные покрытия применяются преимущественно в области интенсивных или резко изменяющихся тепловых нагрузок на поверхности тела.

Наиболее распространенные разрушающиеся теплозащитные материалы представляют собой, как правило, сложные композиции, причем отдельные их составляющие обладают различной термохимической стойкостью при заданных условиях внешнего обтекания. Иными словами, каждая составляющая композиционного материала имела бы свою температуру и скорость разрушения. При изменении внешних условий законы изменения температуры разрушения или скорости уноса массы у каждой из компонент оказались бы строго индивидуальными.

В связи с этим возникает  вопрос, существует ли вообще в такой ситуации какая-либо общая скорость разрушения или при нагреве композиционный материал распадается на отдельные составляющие, поведение которых не зависит друг от друга. Оказывается, для большинства разрушающихся теплозащитных материалов такая общая скорость существует и практически всегда удается обнаружить последовательность (схему) процессов разрушения — в дальнейшем она будет называться определяющим механизмом разрушения, которая обусловливает появление такой скорости и позволяет при любых заданных условиях обтекания рассчитывать результирующие характеристики поведения данного материала в целом. У композиционных материалов механизм 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 воздействию потока при высоких температурах.

Что касается остальных  составляющих композиционного теплозащитного материала, то их функция в процессе разрушения, конечно, не сводится к роли некоего теплоемкого балласта. Благодаря химическому и физическому взаимодействию с определяющей компонентой они влияют на унос массы последней. Важно отметить, что скорости разрушения всех неопределяющих компонент в композиции могут оказаться меньше «индивидуальных» скоростей разрушения при данных условиях обтекания. Это снижение обусловлено наличием теплового, гидродинамического и диффузионного сопротивлений пористого каркаса из определяющей компоненты, внутри которого происходит разрушение всех остальных компонент. Рассмотрим механизм выравнивания линейных скоростей разрушения различных составляющих композиционного теплозащитного материала на примере стеклопластика на органическом связующем . При квазистационарном разрушении органическое связующее, имеющее весьма низкую температуру термического разложения, уносится с той же скоростью, что и тугоплавкий стеклянный наполнитель. При этом фронт разложения связующего находится в глубине покрытия, т. е. в области существенно более низких температур и значений теплового потока. Поры, образующиеся в прогретом слое, создают определенное сопротивление диффузии компонент набегающего газового потока, затрудняя их химическое взаимодействие с органическим связующим. С другой стороны, выход газообразных продуктов термического разложения связан с преодолением гидродинамического сопротивления пор. Таким образом, положение фронта термического разложения связующего вещества внутри тугоплавкого стеклянного каркаса будет определяться балансом подведенного тепла и химически активных компонент, с одной стороны, и расхода связующего — с другой. Последние соответствует скорости перемещения внешней поверхности.

Может случиться и так, что компонента, обладающая более высокой теплохимической стойкостью по сравнению с остальными компонентами, не сможет образовать прочного связанного каркаса (примером может служить асботкань). Тогда логично предположить, что даже при высоком содержании этой компоненты в исходном материале она будет подвержена механическому уносу. В этом случае роль определяющей  компоненты композиционного теплозащитного материала  может выпасть на долю связующего или другого наполнителя, которые имеют достаточную прочность при высоких температурах по отношению к напряжениям сдвига со стороны внешнего течения.

Установить механизм разрушения можно лишь на основании  экспериментального и теоретического изучения теплофизических и прочностных свойств материала в условиях аэродинамического воздействия высокотемпературного газового потока. Механизм разрушения является по существу схематической моделью, фиксирующей количество и вид важнейших физико-химических процессов, сопровождающих унос массы теплозащитного материала, и позволяющей рассчитывать и сопоставлять характеристики теплозащитного покрытия в различных условиях.

По способу рассеяния или поглощения тепла схемы тепловой защиты целесообразно разбить на следующие четыре группы:

а)   аккумуляция тепла веществом при нагреве до температуры разрушения (теплоемкость);

б)  излучение от нагретой поверхности;

в)   поглощение тепла при фазовых  или физико-химических превращениях;

г)  снижение конвективного теплового потока к поверхности при вдуве газообразных продуктов разрушения в пограничный слой.

 

 

В общей форме абляция может  быть описана след. уравнением:

q_k+q_R=G_åDH_пл+εσT⁴_w+q_вд+G_wDH_w+q_λ

где q_к -конвективный тепловой поток к поверхности материала; q_R –радиационный тепловой поток; G_å -суммарный унос массы в результате пиролиза поверхности, выделения газообразных продуктов и стекания расплава;DH_пл -энтальпия плавления; G_W -унос продуктов пиролиза; DН_W -энтальпия физико-химических превращений; ε -коэффициент черноты; σ -постоянная Стефана - Больцмана; Г_W -абсолютная температура поверхности; q_вд - тепло, отводимое в результате вдувания газообразных продуктов пиролиза; q_λ -тепловой поток к защищаемой поверхности.

 

Рис. 1 Схема тепло- и массообмена в комбинированном абляционном материале.

А- уносимый слой; Б- зона абляции; В- неизменный материал; Г пример возможного достижения зоной Б теплозащищаемой стенки; q_{k ,} q_R, q_λ –см. обозначения в тексте; 7-начальная температура; Т ₂ - температура кипения; Т₃-,т-ра плавления, T₄ - температура начала "коксования"; Г ₅ - температура начала термического разложения; Т ₆ -температура теплозащищаемой стенки в момент времени, соответствующий указанному положению зоны Б; М-направление движения уносимой массы.