Тепловое разрушение материалов - часть 7

2.1. Общие требования к экспериментальным исследованиям тепловой защиты

вании этого вида нагрева на теплозащитный материал. При раздельном моделировании совместного
радиационно-конвективного нагрева появляется возможность более детально исследовать процесс
теплового разрушения материалов.

Как видно из табл. 1.1, помимо конвективных тепловых потоков на спускаемый аппарат могут

одновременно воздействовать лучистые потоки. Начиная со 2-й космической скорости лучистый на-
грев возрастает значительно быстрее конвективного и становится доминирующим [16

−20]. Совмест-

ный нагрев имеет место и в ракетных двигателях, работающих на смесевых металлизированных топ-
ливах [21].

При моделировании условий входа в атмосферы планет большое значение также имеет распре-

деление  спектральной  интенсивности  излучения.  Наиболее  полно  спектральный  состав  воспроизво-
дится на специальных ударных трубах и магнитных ускорителях плазмы [22, 23]. Спектр излучения
ксеноновых ламп и Солнца близок к спектру абсолютно черного тела [24, 25], поэтому область ваку-
умного  ультрафиолета,  которая  вносит  заметный  вклад  в  излучение  нагретого  газа,  на  установках
раздельного моделирования лучистого и конвективного нагрева невоспроизводима. Однако этот не-
достаток не должен оказывать существенного влияния, поскольку, как указано в работах [26, 27], от-
носительно холодная пристеночная область при больших давлениях практически полностью блоки-
рует  тело  от  мощного  ультрафиолетового  излучения,  а  до  поверхности  доходит  излучение  инфра-
красной, видимой и ближней ультрафиолетовой областей спектра.

Кроме основной задачи (моделирование условий входа в атмосферы планет с космическими

скоростями)  установки,  оснащенные  источниками  конвективного  и  радиационного  нагрева,  очень
удобны  при  исследовании  механизма  разрушения  теплозащитных  материалов.  Сравнивая  механизм
разрушения  материалов  при  раздельном  и  совместном  радиационно-конвективном  нагреве,  можно
лучше понять закономерности теплового разрушения материала.

В работах [22, 23, 28] дано описание некоторых существующих установок радиационно-

конвективного нагрева.

Рассмотрим основные схемы установок для проведения экспериментов по исследованию разру-

шения теплозащитных материалов в  высокотемпературных потоках газа.  Все схемы  можно разбить
на  четыре  класса:  схемы  для  испытаний  в  дозвуковой  струе  (рис. 2.1, а,  в ) ,   в  сверхзвуковой  струе
(рис. 2.1, б, г ) ,  в щелевых каналах (рис. 2.1, д

−ж ) , в каналах или профилированных соплах (рис. 2.2,

, к ) . Кроме того, испытания в струях могут проводиться при закрытой рабочей части (аэродинами-

ческая труба) и в свободной струе, истекающей в атмосферу.

Испытания в дозвуковой свободной струе по схеме (рис. 2.1, а) обычно ограничены точкой

торможения. В этом случае размер модели d может почти в 1,5 раза превышать диаметр среза сопла
D.

Это объясняется особенностями распределения давления при натекании дозвуковой струи на бес-

конечную пластину (см. раздел 2.4, рис. 2.22, б). Недостатком такой схемы является интенсивное пе-
ремешивание периферийной зоны струи с окружающей средой, что ограничивает возможность испы-
таний материала в различных средах.

В схеме (рис. 2.1, б) требуется, чтобы давление в ресивере превышало атмосферное более чем в

(

)

[

]

(

)

[

]

−

раз. Тогда с помощью профилированного сопла можно получить сверхзвуковое обте-

кание модели. Обычно используют сопла на числа М = 2. Это позволяет избавиться от влияния дер-
жавки на параметры обтекания и в то же время иметь достаточно высокое давление торможения пе-
ред моделью, а, следовательно, и высокий тепловой поток. Эксперимент организуется так же, как и в
предыдущем случае. Основная область применения этой схемы

− измерение квазистационарных па-

раметров разрушения.

Метод моделирования обтекания затупленных тел с помощью сопла-кожуха показан на (рис.

2.1, д) . Эта схема выгодно отличается тем, что практически весь горячий газ участвует в теплообме-
не. Благодаря этому нагревается значительная часть боковой поверхности модели, и тем самым теп-
ловой потенциал струи из подогревателя используется значительно полнее. Такая схема позволяет
испытывать модели больших размеров, чем в предыдущих вариантах. Недостатком схем с твердыми
стенками кожуха является большая чувствительность распределения давления в зазоре к уносу массы
теплозащитного покрытия. Это привело к разработке струйных «кожухов» (схема рис. 2.1, е). В дан-
ном случае внутренняя струя горячего газа прижимается к испытываемой поверхности внешним
холодным потоком газа.

Влияние режима течения и сдвигающих усилий при разрушении теплозащитных материалов

можно исследовать по схеме на рис. 2.1, ж. Если критическое сечение находится у основания конуса
или клина, то образец испытывается дозвуковым потоком. При перемещении критического сечения

Глава 2. Методы и средства моделирования конвективного и радиационно-конвективного нагрева

Рис.2.1. Принципиальные схемы установок для испытаний образцов разрушающихся теплозащит-
ных материалов в потоке нагретого газа: а

− испытания в дозвуковой свободно расширяющейся струе; б

− разрушение образца в сверхзвуковой свободно истекающей струе; в − испытания в дозвуковом потоке за-
крытого типа; г

− аэродинамическая труба с электродуговым нагревом газа; д − испытание образцов в ще-

левых каналах (сопле-кожухе); е

− испытания крупных моделей с поджатием горячего газа к поверхности

образца холодным потоком; ж

− испытания конических моделей с охлаждаемым носиком;

− испытания образцов в условиях радиационно-конвективного нагрева; и − испытания образца в виде ци-

линдрического канала; к

− испытания модели в виде профилированного канала; 1 − сопло; 2 − исследуемый

образец; 3, 4

− следящая кинокамера; 5, 6 − пирометры для измерения яркостной и цветовой температуры;

− защитный кожух; 8 − термопары; 9 − ударная волна; 10 − охлаждаемый или разрушающийся защитный

конус; 11

− кожух; 12 − вывод к вакуумным насосам; 13 − газовый «кожух»; 14 − эллиптическое зеркало;

− формы торца, 15 − эллипсоид, 16 − конус с полусферическим затуплением, 17 − плоская поверхность

с закругленной фаской, 18

− цилиндрическая поверхность со сферическим сегментом, 19 − форма торца

при разрушении в турбулентном пограничном слое

2.1. Общие требования к экспериментальным исследованиям тепловой защиты

в цилиндрическую часть сопла обтекание производится сверхзвуковым потоком. При расположении
критического  сечения  в  середине  конуса  максимальный  градиент  давления  вдоль  поверхности  со-
ставляет  p/L,  что  в 2 раза  превышает  градиент  давления,  который  можно  получить  в  первых  двух
случаях. Перемещение критического сечения вдоль поверхности образца можно достигнуть измене-
нием угла раствора между образующими модели и сопла. Для сохранения в процессе испытания по-
стоянной  площади  критического  сечения  соответствующие  места  в  образце  должны  заменяться  не
разрушающимися охлаждаемыми медными вставками.

Испытания при течении в цилиндрических каналах (схема на рис. 2.1, и) используются, во-

первых,  для  изучения  специфики  внутренних  задач  и,  во-вторых,  для  получения  переходного  или
турбулентного  течения  в  пограничном  слое  (и  больших  величин  поверхностного  трения),  которые
невозможно достигнуть при экспериментах в окрестности точки торможения затупленного тела. Ос-
новная  трудность  в  проведении  экспериментов  по  этой  схеме  заключается  в  сложности  измерения
текущих значений скорости перемещения поверхности раздела покрытие

− газовый поток.

Если при внешнем обтекании измерение координат разрушающейся поверхности можно

произвести достаточно точно, то при внутреннем режиме испытаний нужны особые приемы. Один из
них

− газодинамический, применяемый для определения скорости увеличения размера наиболее

узкого проходного сечения (критического сечения).

Для этого делается два критических сечения, в каждом из которых устанавливается скорость

звука. Важно, чтобы давление в камере между этими сечениями было столь велико, что, несмотря на
обгорание одного из них, расход газа оставался бы неизменным. Давление в промежуточной камере
будет при этом однозначно характеризовать площадь поперечного сечения сопла из исследуемого
разрушающегося материала.

Второй способ связан с использованием рентгеновских лучей. Если размер втулки из теплоза-

щитного материала позволяет получить снимок в плоскопараллельном пучке, то удается зафиксиро-
вать не только поверхность раздела, но и все зоны изменения плотности.

Приведенные различные схемы иллюстрируют многообразие условий испытаний теплозащит-

ных материалов. Экспериментальная установка и схема испытаний выбираются в зависимости от на-
значения теплозащитных покрытий и требований к ним по продолжительности и интенсивности на-
грева. Проведение испытаний на различных установках и по различным методам испытаний во мно-
гих случаях затрудняет сравнение результатов, полученных различными исследователями.

Рассмотрим основные методы проведения экспериментов. Поскольку электродуговые установ-

ки не обеспечивают полного моделирования натурных условий разрушения теплозащитных материа-
лов, исследуется влияние на разрушение каких-либо одних важнейших параметров при постоянстве
других. Можно выделить несколько экспериментальных методов, с помощью которых выясняется
влияние:

− энтальпии заторможенного потока,

var;

− давления заторможенного потока,

var;

− химического состава набегающего потока;
− состава материала − содержания наполнителя (связующего) при

const.

Модель для испытаний, как правило, выбирается в виде осесимметричного тела, обычно ци-

линдра или конуса с различной формой торца. Ввод образца в поток производится после того, как
установка вышла на стационарный режим работы. Модель устанавливается на определенном рас-
стоянии от среза сопла l.

Расстояние l обычно не превышает нескольких диаметров сопла и выбирается исходя из необ-

ходимости обеспечения требуемых тепловых и газодинамических условий (равномерность распреде-
ления тепловых и других параметров на рабочем участке струи), а также удобства расположения из-
мерительной аппаратуры. Модель устанавливается по оси струи и должна полностью находиться в
набегающем потоке.

Если диаметр образца меньше диаметра сопла на срезе, т. е. d / D < 1, то при этом особое значе-

ние приобретает теплоизоляция образца с боковой поверхности. Для этого используют как охлаж-
даемые, так и разрушающиеся конусы (рис. 2.1, в), из которых испытываемая модель должна высту-
пать не более чем на 1

−5 мм. При использовании охлаждаемых конусов-державок необходимо иметь

следящую систему, которая по мере уноса массы подает разрушаемый торец образца в заданную
плоскость и поддерживает постоянным расстояние между срезом сопла и образцом. Для этого при-
меняют различные оптические и рентгеновские устройства.

Продолжительность испытаний определяется временем, необходимым для измерения важней-

Глава 2. Методы и средства моделирования конвективного и радиационно-конвективного нагрева

ших величин в условиях квазистационарного разрушения. Отключение установки производится либо
после отработки установленного периода времени, либо по показанию термопары, вмонтированной в
теплоприемник на обратной поверхности модели (рис. 2.1, а).

Для изучения динамики протекания различных явлений на поверхности можно использовать

высокоскоростную микрокиносъемку (рис. 2.1, а). Перемещение разрушающейся поверхности также
фиксируется с помощью кинокамеры, устанавливаемой в плоскости торца модели. Наблюдение за
процессами на поверхности, образованием обугленного слоя, поведением пограничного слоя сильно
затруднено большой яркостью излучения поверхности и пристеночного газового слоя. Необходимо
использовать специальную технику съемки, применять светофильтры, голографические и рентгенов-
ские методы измерений и т. д.

Важнейшим параметром, характеризующим и определяющим различные кинетические процес-

сы на разрушающейся поверхности, является ее температура

T . Знание ее также необходимо для

пересчета результатов измерения тепловых потоков к холодной поверхности калориметра на значе-
ния тепловых потоков к горячей поверхности разрушающихся ТЗМ.

Температуру разрушающейся поверхности для некоторых материалов удается измерить с по-

мощью микротермопар, заделанных внутри покрытия и выходящих на поверхность при уносе выше-
лежащего слоя. Результаты экспериментов, обработанные в виде зависимости безразмерной скорости
разрушения от температуры

T позволяют установить внутренние закономерности процесса. Методы

измерения температуры и излучательной способности представлены в разд. 4.6.

При разработке новых теплозащитных материалов экспериментальные исследования проводят-

ся  последовательно  в  три  основных  этапа.  Разработанные  рецептуры  сначала  проходят  сравнитель-
ные (отборочные) испытания. Параметры среды и метод испытаний подбирают таким образом, чтобы
выявить наиболее важные свойства материала, характеризующие его поведение и возможности в за-
данных  условиях.  Испытания  проводят  при  постоянных  параметрах  набегающего  потока  на  одном
режиме  работы  установки.  При  исследованиях  такого  типа  необходимо  учитывать  воспроизводи-
мость условий испытаний, надежность и точность методов контроля параметров высокотемператур-
ной  среды,  достаточность  объема  получаемой  информации  для  того,  чтобы  с  заданной  точностью
проводить сравнение материалов. По результатам сравнительных испытаний отбирают наиболее эф-
фективные материалы, которые подлежат дальнейшему изучению.

Второй этап исследований посвящен изучению механизма разрушения материала и определе-

нию его основных характеристик в широком диапазоне изменения параметров высокотемпературной
среды (энтальпии, давления, скорости, состава). Результаты этих исследований используются для по-
строения модели разрушения, проверки теоретических методов расчета, рекомендации области пре-
имущественного использования данного материала и т. п.

Наконец, третий этап исследований охватывает широкий круг вопросов, связанных с изучением

теплофизических свойств материалов, в том числе излучательной способности поверхности, теплоты
физико-химических превращений, молекулярной массы продуктов разложения связующего и ряда
других свойств, которые могут зависеть от характера воздействия набегающего потока, а также тех-
нологии изготовления, структуры наполнителя и связующего и т. д. Проведение исследований такого
типа требует разработки специальных методик и целого комплекса измерений в условиях высоко-
температурной среды.

При таком подходе основные задачи экспериментальных исследований разрушающихся тепло-

защитных материалов можно сформулировать следующим образом:

1. Проведение сравнительных испытаний вариантов теплозащитных материалов при опреде-

ленных «стандартных» режимных параметрах, обусловленных условиями их будущего применения.

2. Выяснение определяющего механизма разрушения при изменении условий воздействия по-

тока в широких пределах, в том числе и в нестационарных условиях, с последующим использованием
этой модели для расчета теплозащитных свойств покрытия и выбора его необходимой толщины.

3. Определение теплофизических и кинетических характеристик разрушающихся теплозащит-

ных материалов при моделировании натурных условий.

Однако даже в случае проведения полного объема перечисленных выше испытаний далеко не

всегда  удается  получить  всю  необходимую  информацию  для  проведения  расчетов  теплозащитного
покрытия. В частности, для расчета нестационарного уноса массы необходимо знание коэффициента
теплопроводности  материала  при  температурах  разрушения  поверхности,  что  практически  опреде-
лить  очень  сложно.  Похожие  проблемы  возникают  и  при  определении  тепловых  эффектов  физико-
химических процессов на поверхности разрушающегося теплозащитного покрытия.

содержание .. 5 6 7 8 ..