Теплозащитные материалы, применяемые в самолётостроении, их основные характеристики

 

Фазовые превращения являются одним  из самых эффективных способов поглощения тепла, особенно переход в газообразное состояние, поскольку теплота сублимации почти на порядок превосходит теплоту плавления. Кроме того, отвод газифицированного вещества сопровождается вдувом массы в пограничный слой. С этих же позиций необходимо рассматривать и химическое взаимодействие отдельных компонент внутри материала между собой, а также с компонентами набегающего потока. Во многих случаях химические реакции протекают с выделением тепла, что ухудшает тепловой баланс в поверхностном слое. Тем не менее образование в результате этих реакций больших масс газообразных продуктов считается положительным явлением, так как оно ведет к снижению доли механически унесенного материала с поверхности и вдува газа в пограничный слой.

Снижение конвективного теплового  потока при вдуве газообразных продуктов  с разрушающейся поверхности  является важнейшей принципиальной особенностью данного способа тепловой защиты, определяющей ее преимущества перед другими методами. Разность между тепловыми потоками к непроницаемой поверхности и к поверхности с расходом массы через неё в первом приближении равна:

                      q₀-q_ω=q_вд=γG(I_e-I_ω)

Коэффициент γ в линейной аппроксимации зависит от отношения молекулярных масс вдуваемых продуктов и набегающего газового потока, но прежде всего он является функцией режима течения в пограничном слое. В инженерной практике с учетом реального состава продуктов разрушения для ламинарного пограничного слоя принимают постоянное значение γ_л=0,6, в турбулентном пограничном слое коэффициент вдува приблизительно втрое меньше, и его принимают равным γ_т=0,2.

Важно отметить, что тепловой эффект вдува возрастает по мере увеличения теплонапряженности внешнего обтекания (перепада энтальпий). При больших энтальпиях торможения I_е >30 000 кДж/кг вдув по своей эффективности превосходит все другие способы рассеяния и поглощения тепла на разрушающейся поверхности.

Казалось бы, программа  поиска оптимальных теплозащитных  систем должна сводиться к термодинамическим  расчетам различных рецептур и выбору материалов с максимально высокой температурой и теплотой сублимации или газификации. Однако в действительности при таком подходе приходится считаться с рядом серьезных ограничений, обусловленных специфическими особенностями воздействия аэродинамического потока высокотемпературного газа на материал. Обычно вводят два параметра: Г и AQ_w, которые характеризуют степень реализации заложенных в материале «термодинамических» возможностей при заданных параметрах внешнего обтекания.

Первый из них Г называется коэффициентом газификации. Рассмотрим, как изменяются его значения на примере стеклообразных теплозащитных материалов.

Большинство веществ, при умеренных давлениях, прежде чем перейти в газообразное состояние, проходят фазу расплава.

Сам процесс плавления  в потоке высокотемпературного газа существенно зависит от того, является ли данное вещество кристаллическим или аморфным. На практике широко используются стеклообразные материалы, относящиеся к классу аморфных веществ. Они не имеют четко выраженной точки (температуры) плавления, а размягчаются постепенно, причем вязкость расплава экспоненциально убывает с ростом температуры. Это обстоятельство приводит к тому, что аморфные вещества могут значительно перегреться относительно температуры размягчения, при этом значительная часть расплава перейдет в пар (испарится) . Иными словами, при аэродинамическом нагреве аморфных веществ вообще и стекол, в частности, в поверхностном слое имеют место сразу два фазовых превращения, причем каждое не связано с какой-то фиксированной температурой, а может протекать в широком температурном интервале в зависимости от заданных уровней динамической и тепловой нагрузок.

Позже мы покажем, что  массовая скорость испарения при  интенсивном нагреве определяется температурой поверхности и давлением (при заданных размерах и форме тела). От этих же параметров в первом приближении зависит и доля вещества, унесенного в жидком виде. Действительно, в окрестности точки торможения давление непосредственно определяет уровень сдвигающего воздействия потока (силы трения и распределенное нормальное давление), а температура поверхности — вязкость расплава. Поэтому для каждого конкретного стеклообразного материала можно построить соответствующую диаграмму (Рис. 2), на которой будут

 

 

Рис. 2 Диаграмма механизмов разрушения стеклообразных материалов.

 

изображены области  преимущественного протекания того или иного фазового превращения. Для кварцевого стекла можно принять, что при температурах поверхности ниже 2000 К оно практически не разрушается в потоке газа. При давлениях выше атмосферного существует ограниченный интервал температур T_w, когда кварцевое стекло плавится почти без испарения. Наиболее характерным режимом разрушения следует считать плавление с испарением. В этой области параметр Г в зависимости от температуры и давления изменяется от 0 до 0,5. В диапазоне малых давлений доля испарения может превысить Г=0,5.

Наконец, при очень  высоких T_w и малых р_е возможно столь интенсивное испарение, что произойдет оттеснение пограничного слоя испаряющейся компонентой и вблизи поверхности тела dp/dy станет отличным от нуля, т. е. давление паров превысит внешнее давление. На практике этот режим может реализоваться лишь при интенсивном подводе тепла излучением.

Для большинства других теплозащитных материалов также  приходится вводить параметр Г. Он показывает, что часть массы уносится в жидкой фазе либо в виде твердых частиц. Этот параметр не может быть принят постоянным для каждого материала, поскольку он существенно изменяется с внешними условиями обтекания. Таким образом, параметр Г характеризует степень реализации в конкретных условиях возможностей, заложенных в материале и связанных с переходом последнего в газообразное состояние.

Рассмотрим теперь на примере графита понятие «суммарного  теплового эффекта поверхностных процессов» ΔQ_ω,. Графит при умеренных давлениях не образует расплава, т. е. величина Г у него практически не отличается от единицы. Однако количество тепла, поглощаемого поверхностью графита в газовом потоке, может быть намного меньше теплоты сублимации. Это связано с тем, что на поверхности графита могут протекать не только сублимация, но и целый ряд химических реакций, тепловой эффект которых отличается от теплоты сублимации. Указанная разница зависит не только от параметров и состава набегающего газового потока, но даже от размеров тела.

Разрушение графита  начинается задолго до достижения температуры сублимации, и оно вызвано высокой реакционной способностью графита во многих газовых средах, особенно в кислороде и воздухе (рис. 2). При температурах поверхности до 1100 К на воздухе и до 1400 К в парах воды (пунктир на рис. 3) разрушение графита, как правило, целиком определяется кинетикой реакции, т. е. скорость разрушения экспоненциально меняется с температурой поверхности T_W. После небольшого    переходного    участка    начинается    область,    где    процесс разрушения лимитируется скоростью встречной диффузии окислителя и продуктов разрушения в многокомпонентном пограничном слое; в этом случае скорость разрушения слабо зависит от температуры поверхности, которая может меняться от 1200—1600 до 2400—3800 К в зависимости от давления (рис. 3)

Рис. 3 Диаграмма механизмов разрушения графита в потоке воздуха

 

Это область, где необходимо учитывать размеры и форму  тела, значения коэффициентов диффузии и возможные продукты реакций всех компонент, число которых может достигать нескольких десятков. И лишь при высоких температурах все большую, роль в уносе массы графита начинает играть собственно процесс сублимации, который зависит от давления окружающей среды ре. Скорость уноса массы экспоненциально возрастает с T_ω.

Заметим, что экспериментальные данные указывают на возможность частичного механического разрушения графита — эрозии в виде пылинок, поэтому нельзя принимать коэффициент газификации Г=1.

 

Рис. 4 Зависимость скорости разрушения графита от температуры  поверхности T_ω и давления окружающей среды p_e

 

Что касается теплового  эффекта разрушения, то при низких температурах поверхности он не только сильно отличается от теплоты сублимации (в случае окисления он может стать даже отрицательным) но и существенно зависит от состава газа в пограничном слое (в частности, от соотношения таких компонент, как СО, СО2, CN, СH₄ C₂ H₂.

Задача теоретического анализа тепловой защиты состоит  не только в том, чтобы построить  модель процесса или выявить так  называемый определяющий механизм разрушения, но и в том, чтобы на основании этой модели уметь рассчитывать для конкретных условий обтекания величины Г и ΔQ_ω. Введение двух этих параметров позволяет использовать для сравнительной оценки и отбора различных теплозащитных материалов весьма удобную характеристику разрушения — эффективную энтальпию I_эфф

2. Сублимирующие материалы

 

При интенсивном нагреве  все теплозащитные материалы  претерпевают поверхностные или  объемные физико-химические превращения. Характерным примером первых является сублимация или испарение, а вторых-—деструкция (пиролиз), деполимеризация материалов, объединенные термином «термическое разложение».

При воздействии теплового  потока на теплозащитное покрытие может происходить переход вещества из твердой фазы непосредственно в газообразную. Если этот процесс идет на поверхности, к которой подводится конвективный тепловой поток, говорят о сублимирующем покрытии. В качестве сублимирующего покрытия при атмосферном давлении и соответствующих температурных условиях могут выступать сухой лед (твердая углекислота), нафталин, графит и другие материалы. Следует отметить, что в определенных условиях практически все вещества могут сублимировать, достаточно лишь, чтобы давление паров материала над поверхностью было меньше давления паров в так называемой тройной точке. В табл. 1 приведены температуры и давления в тройной точке для перечисленных выше веществ.

При превышении этого  давления вещества перестают сублимировать, что проявляется в возникновении на их поверхности жидкой пленки.

Коэффициент аккомодации а, который также называют коэффициентом испарения, прилипания или конденсации, показывает, какая доля молекул из числа соударившихся с поверхностью адсорбируется ей. Коэффициент аккомодации для различных веществ меняется в широких пределах (табл. 1).

 

 

 

 

 

 

Таблица  1

 Коэффициент аккомодации  некоторых материалов

Вещество	Коэффициент аккомодации а	Диапазон температур, К
Бериллий	1	1170—1550
Медь	1	1180—1460
Железо	1	1320—1870
Молибден	1	2070—2500
Никель	1	1320—1600
Титан	0,5—1,0	1650—1810
Вольфрам	1	2520—3300
Углерод С	0,4	2670
Углерод С2	0,3	2670
Углерод С3	0,1	2670
Углерод С5	10-3	2670
Вода   (лед)	0,5—1,0	(214) —(232)
Вода   (лед)	0,94±0,06	(188) —(213)
Фосфор красный	10-9 - 10-7	580—750
Йод	0,055—0,208	310—340
Бензол	0,9	280
Хлороформ	0,16	275
Камфара  (синтетическая)	0,139	260
Метиловый спирт	0,045	270
Нафталин	0,135	310—340

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Постановка задачи об оплавлении однородного стеклообразного материала

 

 

Среди разнообразных  разрушающихся теплозащитных материалов особо выделяются волокнистые или армированные, обладающие высоким сопротивлением механическому и тепловому удару высокой эрозионной и окислительной стойкостью и сравнительно легко формующиеся при изготовлении крупногабаритных изделий. Наиболее распространенные материалы этого класса — стекло пластики на основе кремнеземных или кварцевые волокон. В условиях интенсивного аэродинамического нагрева на поверхности таких стеклопластиков может образовываться вязкая пленка расплава,

Несмотря на малую толщину, пленка оказывает сильное влияние на процесс разрушения, в частности сцепление частиц поверхностного слоя предотвращает их эрозионное выдувание потоком. Кроме того, пленка снижает интенсивность окисления химически активных компонент материала набегающим потоком газа. Для создания теоретическое модели разрушения стеклопластиков необходимы соотношения, определяющие интенсивность уноса вещества в расплавленном виде (скорость снос* пленки).