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