Тепловое разрушение материалов - часть 1

50 лет тому назад началась эра практической космонавтики. Она произвела переворот не только

в мировоззрении людей, но также во многих научных представлениях, особенно связанных с тепло-
физикой. До этого момента человек научился летать в атмосфере Земли лишь со скоростью, втрое
превышающей скорость звука. А тут предстояло осваивать диапазон в десять раз больших скоростей.

Аэродинамика, теплообмен и тепловая защита, заговорили о гиперзвуке.
Термин «гиперзвук» появился намного раньше, еще в 1946 году. Американец китайского про-

исхождения Цзянь, наблюдая за обтеканием сферы в сверхзвуковой аэродинамической трубе, заме-
тил необычный эффект. Если при числах Маха М = 2, 3, 4, 5 ударная волна, образующаяся перед об-
текаемым телом, все плотнее прижималась к его поверхности, то, начиная с М = 6, она как бы стаби-
лизировалась и при увеличении скорости обтекания уже не перемещалась. Позже смогли объяснить
причину этой стабилизации. Она была обязана изменению самой структуры воздуха. Если раньше он
был смесью молекул азота и кислорода, то, начиная с М = 6, температура за ударной волной стала
достаточной для диссоциации молекул кислорода на атомы.

Так обнаружился гиперзвуковой барьер, который по существу стал еще одним препятствием

перед творцами летательных аппаратов

− барьером «тепловым».

Этот барьер не смогла (или не захотела) до сих пор преодолеть не только авиация, но и сама

мать-природа. Достаточно сказать, что из миллиардов космических летательных аппаратов

− метео-

ритов, лишь считанные единицы долетают до поверхности планеты Земля. Подавляющее большинст-
во их сгорают высоко в атмосфере.

Тем более значительно достижение человеческого разума, который через четыре года после за-

пуска первого спутника Земли смог возвратить на Землю первого космонавта

− Ю. А. Гагарина.

Решить до конца проблемы теплообмена и тепловой защиты гиперзвукового полета возвращае-

мых отсеков тогда до конца не удалось. Об этом говорит печальный опыт американской «Колумбии»,
когда 7 космонавтов погибли на глазах миллионов телезрителей. Однако накоплен бесценный теоре-
тический и экспериментальный материал. Его надо осмыслить и обобщить, чтобы дать в руки нашим
последователям мощное оружие в борьбе с высочайшими тепловыми и силовыми нагрузками, кото-
рые уже есть или возникнут в будущем перед создателями новой техники.

Сегодня известны десятки способов тепловой защиты. Но ресурс их работы или способность

предсказать их надежность в различных штатных или нештатных ситуациях требуют проведения об-
ширных экспериментальных и теоретических исследований. В этой книге приведены десятки стен-
дов, созданных для отработки космической техники. На них получено много ценной информации, но
эту информацию не так-то просто использовать при решении конкретных задач. Поэтому мы предла-
гаем несколько способов обобщения экспериментальных данных, позволяющих распространить на-
копленные знания на другие условия, зачастую далеко отличающиеся от тех, где мы работали.

Вот несколько примеров. Известно, что попытки избавиться от влияния условий нагрева на те-

плофизические характеристики теплозащитных материалов несмотря  на детальный анализ всех фи-
зико-химических  процессов,  происходящих  внутри  материала,  так  и  не  привели  к  положительному
результату. В то же время мы подошли к этой проблеме иначе, не стали разделять унесенный и про-
гретый слои материала и рассмотрели зависимость их суммарной толщины от времени. В результате
оказалось, что эта зависимость  изменяется  прямо  пропорционально  корню  квадратному из  времени
нагрева. Такой вывод позволил предложить методы определения эффективных теплофизических ха-
рактеристик  и  толщины  прогретого  слоя  без  определения  десятков  констант,  которые  необходимы
при традиционном подходе. Далее, для определения теплового эффекта физико-химических превра-
щений  на  поверхности  теплозащитного  материала  приходится  рассматривать  большое  количество
химических реакций и только в немногих случаях эту задачу удается довести до конца. Проведя об-
работку экспериментальных данных и численных расчетов по зависимостям безразмерной скорости
уноса различных теплозащитных материалов соответствующим образом мы обнаружили, что она из-

Предисловие

меняется прямо пропорционально корню квадратному из энтальпии набегающего газового потока.
При этом тангенс угла наклона этой зависимости приблизительно равен удвоенному максимальному
тепловому эффекту физико-химических превращений на поверхности. Отсюда родился сравнительно
простой экспериментальный метод определения этой важнейшей характеристики материала.

Да, эти способы обобщения далеко не очевидны и сильно отличаются от тех, что описаны в

классической теплофизике. Но во многих случаях они нам помогли найти, почему различные компо-
зиционные материалы ведут себя тем или иным образом, как установить предельные возможности их
применения, или как выбрать лучшие из них. Мы надеемся, что в будущем эти, во многом интуитив-
ные, полуэмпирические зависимости получат более строгое обоснование. В любом случае они могут
быть полезны нашим читателям.

В помощь читателю, желающему разобраться в существе вопроса, два представителя ученого

мира: теоретик – космический математик, сокращенно «Косматый», и экспериментатор

− специалист

по моделированию аэродинамического нагрева на установках и стендах, сокращенно «Усатый», в
особых случаях будут стараться помочь понять «откуда ноги растут».

Для экспериментальных исследований были использованы тысячи образцов теплозащитных

материалов различных классов и составов, созданные в различных организациях, занимающихся раз-
работкой ракетно-космической техники. Основным материалом-эталоном, на котором были провере-
ны почти все установленные закономерности теплового разрушения, явилась легированная окисью
хрома кварцевая стеклокерамика, поэтому мы очень признательны сотрудникам ОНПП «Техноло-
гия», создавшим этот материал.

Мы выражаем глубокую благодарность Двернякову Василию Семеновичу

− основателю экспе-

риментальной базы ИПМ НАНУ для испытаний теплозащитных материалов; Пасичному Владиславу
Васильевичу

− одному из создателей экспериментальной базы ИПМ НАНУ и соавтору многих пуб-

ликаций; Цыганенко Вере Сергеевне – руководителю экспериментальных исследований на стенде
ЖРД-2М; Король Анастасии Аркадьевне, внесшей большой вклад в выявление механизма разруше-
ния теплозащитных материалов; Судаку Юлию Анатольевичу, изобразившему путь представителей
ученого мира

− «Косматого» и «Усатого» в поисках истины; и всем сотрудникам, принимавшим ак-

тивное участие в создании высокотемпературных стендов и экспериментальном исследовании тепло-
защитных материалов, без которых эта книга никогда бы не появилась.

Мы с благодарностью примем любые конструктивные замечания и пожелания. Эта книга под-

водит итоги многолетней работы по исследованию и совершенствованию систем тепловой защиты
возвращаемых космических аппаратов. Нам остается только пожелать успеха тем, кто продолжает
заниматься этой проблемой.

Авторы

Посвящается памяти основоположника ракетно-космического

материаловедения, первого директора Института проблем

материаловедения Национальной академии наук Украины,

академика Ивана Никитича Францевича

ВВЕДЕНИЕ

Тепловые проблемы в ракетно-космической технике стали предметом серьезного анализа в на-

чале 50-х годов ХХ столетия. Так же, как и звуковой, тепловой барьер был преодолен за период око-
ло 10 лет. Однако в отличие от звукового барьера научно-технические разработки для обеспечения
теплового режима продолжались с нарастающим темпом и продолжаются до сих пор.

Если быть строго пунктуальным, с проблемой, названной позже «входом в атмосферу» или

«гиперзвуковым полетом» ученые столкнулись впервые при анализе метеорных явлений. Интенсив-
ное свечение, возникающее при вторжении космических тел в атмосферу Земли со скоростью от 11
до 72 км/с [1], позволяло лишь догадываться, с какими температурами придется иметь дело при воз-
вращении космических аппаратов на Землю или посадке на поверхность других планет. Физическая
теория метеоритов в своем развитии охватила широкий круг явлений, однако итогом ее явилось
весьма пессимистическое для ракетчиков утверждение: подавляющее большинство метеорных тел
полностью сгорает в атмосфере Земли, не достигая ее поверхности. Тем не менее, пионеры ракетной
техники – К. Э. Циолковский, Ф. А. Цандер и другие пришли к выводу, что торможение в атмосфере
за счет трения о воздух гораздо экономичнее, чем снижение скорости ракеты с помощью тормозной
двигательной установки. Однако до 50-х годов, несмотря на известные успехи в создании баллисти-
ческих ракет, тепловые проблемы анализировались весьма поверхностно, по крайней мере, по срав-
нению с проблемами баллистики и двигателестроения.

Если тело проходит сквозь атмосферу с гиперзвуковыми числами Маха, то оно совершает значи-

тельную работу по преодолению сопротивления воздуха. Работа, затраченная телом, в конечном счете,
проявляется в виде тепла. Это повышает температуру в следе за телом, вызывая его свечение (вспом-
ним падение метеоритов), и увеличивает приток тепла к поверхности тела.

Переход от обтекания острых тел к затупленным явился первым важным этапом на пути созда-

ния возвращаемых летательных аппаратов (ЛА), весьма специфичных изделий ракетной техники
(рис. В. 1).

Во второй половине 50-х годов начался этап разработки инженерных методов решения проблем

входа в атмосферу баллистических ракет среднего и дальнего радиуса действия, а затем и аппаратов,
спускаемых с орбиты искусственного спутника Земли. В это время практика зачастую шла впереди
теории, большой объем данных, полученных при испытаниях натурных ракет и космических аппара-
тов, служил пищей для плодотворных теоретических исследований.

Наконец современный этап характеризуется углублением в физику и химию явлений, имеющих

место при обтекании тел высокотемпературным или высокоскоростным потоком. В результате поя-
вилась возможность существенно повысить точность расчетов теплообмена, предложить оптималь-
ные методы тепловой защиты и не только для условий обтекания однофазными (гомогенными) пото-
ками, но и при наличии в них дисперсных примесей. Теперь уже можно с достаточной уверенностью
распространить методы расчета на условия, существенно отличающиеся от тех, для которых имеются
надежные экспериментальные результаты.

Введение

Данная книга посвящена развитию одного из направлений высокотемпературной теплофизики,

а именно изучению теплового разрушения материалов, которое особенно полно проявляется при теп-
ловой защите ЛА с помощью аблирующих (разрушающихся) теплозащитных покрытий (ТЗП).

Из всех методов тепловой защиты, которые достаточно подробно описаны в ряде монографий,

метод охлаждения поверхности космического аппарата (КА) с помощью жертвенного слоя часто ока-
зывается значительно надежнее и намного эффективнее в весовом отношении, чем с помощью каких-
либо других способов. При этом практически не налагаются ограничения ни на максимальный тепло-
вой поток, ни на суммарное подведенное тепло. Высокая степень надежности, саморегулирование
расхода потребной массы охладителя в зависимости от интенсивности теплообмена, отсутствие
вспомогательных систем

− все это приводит к тому, что разрушающиеся ТЗП не имеют конкуренции

особенно при высоких тепловых нагрузках и ограниченном времени эксплуатации.

Рис. В. 1. Возвращаемые космические аппараты

Кроме решения важнейшей задачи – тепловой защиты ракетно-космических аппаратов, само

исследование взаимодействия твердого тела с высокотемпературной средой, которая способна в счи-
танные секунды не только расплавить материал, но и перевести его в газообразное состояние, пред-
ставляет чрезвычайный интерес в научном плане. Именно нагреть, расплавить и перевести в газооб-
разное состояние. Только в этом случае можно рассчитывать, что количество тепла, поглощенное
жертвенным материалом, будет близко к его максимальным тепловым возможностям. При этом надо
помнить, что материал нагревается с поверхности и, главным образом, с одной стороны. Это не ис-
ключает реакций внутри материала, которые протекают с выделением или поглощением тепла при
разложении связующего, что характерно для большинства теплозащитных материалов (ТЗМ), но их
вклад незначителен по сравнению с тепловым воздействием, например, аэродинамического нагрева.

В зависимости от свойств материала, плотности теплового потока и вида нагрева материал мо-

жет разрушиться под воздействием подводимого тепла различными способами. При разрушении
вследствие термоудара практически никакой реализации тепловых возможностей, заложенных в ма-
териале не произойдет

− он просто развалится на куски. При этом не имеет значения, какой вид на-

содержание .. 1 2 3 ..