Задачи экспериментального исследования

Успешное применение в конструкции тепловой защиты теплозащитных материалов 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, требующей значительных материальных затрат. Поэтому экспериментальное исследование взаимодействия теплозащитных материалов с высокотемпературной средой проводится последовательно в три основных этапа.

Сначала проводят сравнительные (отборочные) испытания вновь разработанных рецептур теплозащитных материалов. Параметры среды и метод испытания подбирают таким образом, чтобы выявить наиболее важные свойства материала, характеризующие 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 получаемой информации для того, чтобы с заданной точностью проводить сравнение материалов. По результатам сравнительных испытаний отбирают наиболее эффективные материалы, которые подлежат дальнейшему изучению.

Второй этап исследований посвящен изучению механизма разрушения материала и определению его основных характеристик в широком диапазоне изменения параметров высокотемпературной среды (энтальпии, давления, скорости, cостава). 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.

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

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

2) Выяснение 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 в условиях, моделирующих натурные.

Проведенный в курсе “ Тепловое проектирование КА” анализ конвективного и радиационного теплового воздействия, а также исследование различных механизмов разрушения позволяет указать следующие основные параметры, воспроизведение которых важно при экспериментальной отработке теплозащитных материалов:

1) энтальпия заторможенного потока газа ;

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

3) давление заторможенного потока газа ;

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

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

Указанный перечень, конечно, 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 энтальпия торможения .

Что касается габаритов модели, то они должны быть достаточно большими, чтобы исключить неодномерность прогрева материала, а также зависимость результатов испытаний от соотношения между структурой материала и размеров модели.

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 воспроизводить наиболее важные параметры набегающего потока газа, 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. Это требует осуществления комплексных программ испытаний при высоких точности измерения всех важнейших параметров потока.