Тепловое разрушение материалов - часть 15

2.5. Установки для исследования тепловой защиты многоразовых космических систем

Для всех рассмотренных режимов работы значения St

ложатся на одну прямую (все данные

приведены к теплоизолированным условиям). Кроме того, эта прямая (точнее ее правая часть) проходит
примерно посередине разброса экспериментальных данных [101, 102]. Такой результат свидетельствует
об общности законов трения и теплообмена для течений в начальных участках каналов и обтекания
плоской пластины.

Результаты расчетов теплообмена по методу работы [100] сравнивались с расчетами по методу,

предложенному в работе [103]. Небольшое (порядка 8%) отличие чисел St, рассчитанных по различ-
ным методам, является следствием того, что малые градиенты давления не оказывают существенного
влияния на закон теплообмена для рассматриваемого течения.

Таким образом, проведенные исследования дают возможность сделать вывод о том, что пред-

ложенные установки позволяют воспроизводить течения, достаточно близкие к условиям внешнего
обтекания плоской пластины.

Сравнительные исследования моделей ТЗП показали, что напряжение трения при обтекании

высокотемпературным газовым потоком зависит в основном от характера разрушения модели в про-
цессе нагрева, состояния ее поверхности, времени эксперимента и уровня теплового воздействия
(рис. 2.32, 2.33). Для повышения точности эксперимента лучше проводить сравнительные исследова-
ния с применением устройства, показанного на рис. 2.28. В качестве эталонной модели в зависимости
от уровня теплового воздействия может служит кварцевая или графитовая пластины.

На рис. 2.32 видно, что напряжение трения при обтекании графитовой пластины остается прак-

тически постоянным в течение всего эксперимента. В то же время при испытаниях моделей на основе
пенополиуретана, которые разрушаются в этих условиях нагрева, напряжение трения может как сни-
жаться, так и возрастать в зависимости от времени нагрева. Так, например, для материала, в котором
в  начале  выделяется  большое  количество  газообразных  продуктов  разложения,  происходит  значи-
тельное  снижение  напряжения  трения  до  тех  пор,  пока  поверхностный  слой  материала  не  потеряет
летучие  компоненты  (рис. 2.33). Затем,  по  мере  снижения  выделения  газообразных  продуктов,  на-
пряжение трения возрастает за счет увеличения шероховатости поверхности модели ТЗП.

Эти результаты подтверждаются численными расчетами, например [104, 105], которые показы-

вают, что при высоких тепловых потоках вследствие интенсивного вдува газообразных продуктов
абляции ТЗП следует ожидать снижение сопротивления трения на поверхностях головных частей ле-
тательных аппаратов.

Рис. 2.32. Зависимость напряжения трения на поверхно-
сти графитовой пластины (1) и температуры газа на оси
канала (2) от времени эксперимента

Рис. 2.33. Зависимость напряжения трения
ТЗП на основе пенополиуретана с пропиткой
поверхности летучей компонентой от време-
ни нагрева

Глава 3

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРУШЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРЕВА

В предыдущей главе мы рассмотрели экспериментальную технику для исследования различных

видов теплового воздействия на материал и тем самым на шаг приблизились к основной задаче

−

изучение процесса теплового разрушения твердого тела при взаимодействии с высокотемпературной
средой. Однако для того, чтобы оценить и по возможности исключить влияние осложняющих факто-
ров непосредственно на тепловое разрушение необходимо, во-первых, установить вид нагрева, кото-
рый гарантирует чисто тепловое одностороннее воздействие на материал, а, во вторых, выбрать в ка-
честве эталонного объекта материал, природа которого позволяет свести к минимуму влияние раз-
личных факторов на его тепловое разрушение.

3.1. Влияние окислительного и термомеханического воздействия набегающего

газового потока на скорость уноса теплозащитных материалов

На процесс разрушения одного из наиболее широко применяемых видов теплозащитных мате-

риалов

− коксующихся ТЗМ, в высокотемпературном потоке воздуха оказывает влияние большое ко-

личество различных, взаимосвязанных факторов, основными из которых являются тепловое, окисли-
тельное и термомеханическое воздействие набегающего газового потока. Унос материала с поверх-
ности может происходить в виде твердых частиц, газообразных продуктов и жидкой пленки распла-
ва. Наиболее сильно окислительное и термомеханическое воздействия газового потока проявляются
для коксующихся ТЗМ типа асботекстолита и углепластика, для которых уносом в виде жидкой
пленки расплава можно пренебречь.

Унос материала в виде твердых частиц может происходить под влиянием как внутренних, так и

касательных напряжений со стороны внешнего потока. Под воздействием поглощенного тепла начи-
нается термическое разложение материала. В результате термодеструкции образуются газообразные
продукты, при вдуве которых в пограничный слой снижается тепловой поток и касательные напря-
жения на поверхности. Однако эти же газообразные продукты повышают давление внутри коксового
слоя, что вызывает внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию углеродистого остатка
[106]. Большие градиенты температур в поверхностном слое ТЗМ приводят к неравномерной степени
термодеструкции, которая, в свою очередь, вызывает неравномерную по глубине усадку материала.
Это является причиной возникновения растягивающих усадочных напряжений в подповерхностном
слое термодеструктирующего ТЗМ [107].

Таким образом, даже при отсутствии касательных напряжений, что имеет место, например, при

радиационном нагреве, может происходить отслаивание материала под воздействием термических,
усадочных и внутренних напряжений, обусловленных давлением газов, образующихся внутри кокса.
При наличии внешнего потока важную роль играют силы поверхностного трения, под воздействием
которых чешуйки кокса могут срываться и уноситься с поверхности. Одновременное воздействие
процессов окисления и сил трения со стороны набегающего потока газа может приводить к химико-
механическому выкрашиванию материала [2, 108, 109], которое, как правило, оценивается по разно-
сти между экспериментальным и расчетным значениями скорости уноса массы [106].

Унос массы коксующихся ТЗМ в высокотемпературном потоке воздуха происходит в виде га-

зообразных продуктов, образующихся за счет окисления прококсованного слоя и термического раз-
ложения связующего. Сублимация становится существенной лишь при температурах поверхности
выше 3000 К. Окисление может происходить не только под воздействием атмосферного кислорода,
но и за счет кислорода, содержащегося в материале. При температурах поверхности более 2800 К с
углеродом материала начинает взаимодействовать атомарный азот с образованием циана [110], что
также приводит к уносу материала в газообразном состоянии.

Определение состава продуктов разрушения материала является весьма сложной задачей, и

проводимые эксперименты не дают однозначного ответа о доле твердых частиц и газообразных про-

3.1. Влияние окислительного и термомеханического воздействия набегающего газового потока на

скорость уноса теплозащитных материалов

дуктов в суммарном уносе массы материала. В работе [109] при обдуве нагреваемого электрическим
током графитового образца холодным потоком воздуха эрозионный унос определяли путем улавли-
вания твердых частиц с помощью фильтра. В работах [111, 112] предлагается метод определения эро-
зионного уноса огнеупорных материалов на основе окиси магния. Разработан способ, основанный на
определении геометрических размеров и унесенной массы отдельных кратеров с помощью рентгено-
графии и взвешивания [113]. Однако все перечисленные способы обладают существенными недос-
татками и имеют ограниченное применение.

Комплекс стендов и установок, созданный в ИПМ НАНУ, позволяет провести оценку окисли-

тельного  и  термомеханического  воздействия  высокотемпературного  воздушного  потока  на  коксую-
щиеся ТЗМ путем сравнительных испытаний материалов в потоках воздуха, азота и при радиацион-
ном  нагреве. Интересные результаты получены при испытаниях ТЗМ в дозвуковых и сверхзвуковых
потоках  воздушной  плазмы, сверхзвуковой струе продуктов  сгорания  стенда ЖРД-2М, а также  ра-
диационном нагреве, когда при одинаковом тепловом  воздействии  избыточное давление торможе-
ния изменялось от 0 до 2,5

⋅10

Па.

В литературе имеется ограниченное число работ по исследованиям влияния химического со-

става набегающего потока на поведение ТЗМ, например [28, 114]. В работе [28] было показано, что
скорость уноса массы является функцией температуры поверхности материала независимо от способа
подвода тепла

− радиационного, конвективного или совместного. При радиационном нагреве в не-

подвижной  среде  могут  выполняться  условия,  при  которых  блокируется  воздействие  атмосферного
кислорода и материал разрушается в среде собственных газообразных продуктов абляции. В этих ус-
ловиях  можно  считать,  что  для  непрозрачных  материалов  скорость  уноса  массы  зависит  только  от
температуры поверхности материала и его свойств. При радиационном нагреве в условиях высокого
вакуума  окислительное  воздействие  внешней  среды  исключается  полностью.  Однако  эксперимен-
тальные  данные,  полученные  в  таких  условиях,  из-за  существенной  зависимости  температуры  по-
верхности и физико-химических превращений от давления [2] трудно сравнивать с результатами ис-
пытаний в дозвуковых плазменных струях, в которых давление торможения близко к атмосферному.
В свою очередь, на рис. 2.16 – 2.20 видно, что плавную регулировку теплового потока, энтальпии и
давления торможения в широком диапазоне сравнительно просто можно обеспечить только в дозву-
ковых струях.

Проведение сравнительных испытаний образцов ТЗМ в потоке азота более предпочтительно,

чем в каком-либо другом нейтральном газе. Хотя атомарный азот становится активным уже при тем-
пературе поверхности 2800 К, а его количество достигает одного процента при энтальпии 9000
кДж/кг, можно считать, что до значения энтальпии 14 000 кДж/кг концентрация атомарного азота в
воздушной и азотной плазме почти равна [115]. Так как эксперименты показали, что, начиная с эн-
тальпии торможения набегающего потока газа 9000 кДж/кг, температура поверхности исследованных
материалов в потоках воздуха и азота отличалась незначительно, то унос массы с поверхности за счет
образования циана в воздушной и азотной плазме должен быть примерно одинаков.

Из рис. 2.16 можно сделать вывод, что из всех рассмотренных плазмообразующих газов азотная

плазма наиболее близка по своим параметрам воздушной плазме. На рис. 2.19, а показано, что изме-
нение давления торможения в зависимости от расстояния до среза сопла электродугового подогрева-
теля для азотной и воздушной плазмы одинаково, а энтальпия в азотной плазме выше не более, чем
на 15% (рис. 2.20, а, б). Отсюда следует, что, сравнивая зависимости безразмерной скорости уноса
массы с поверхности ТЗМ от энтальпии набегающего потока воздуха и азота, можно оценить окисли-
тельное воздействие потока воздушной плазмы.

На рис. 3.1 видно, что окислительное воздействие высокотемпературного потока воздуха уве-

личивает скорость уноса углепластика УСС-2 более чем в два раза (кривые 4). В то же время скорость
уноса стеклопластика на эпоксидном связующем ТЗМКТ-8, на поверхности которого образуется не-
большое количество углерода, к тому же защищенного расплавом стекла, в потоках воздуха и азота
практически одинакова.

Начиная со значения энтальпии торможения примерно 9000 кДж/кг, безразмерная скорость

уноса массы с поверхности

)

для углепластика и органита-6ТЗ остается почти посто-

янной до начала сублимационного режима разрушения. Согласно работ [2, 116] такой характер зави-
симостей соответствует диффузионному режиму разрушения. Расчетное значение скорости уноса
массы углепластика в диффузионном режиме всего на 14% выше экспериментальных данных (кри-
вые 4, 5). Расчет проводился по формуле, приведенной в работе [2]

Глава 3. Основные характеристики разрушения теплозащитных материалов в различных условиях

нагрева

(3.1)

]}

[

)

{(

)

(

−

где

ϕ − массовое содержание углерода в материале;

− концентрация кислорода в набегающем

потоке.

Рис. 3.1. Зависимость  безраз-
мерной  скорости  уноса  массы
ТЗМ  от  энтальпии  торможения
газового  потока:  1

− стеклопла-

стик на эпоксидном связующем
ТЗМКТ-8; 2

− асботекстолит АП;

3 – органит-6ТЗ; 4

− углепластик

УСС-2; 5 – расчет для углепла-
стика в диффузионном режиме
разрушения

Следует отметить, что в этом же диапазоне энтальпии торможения безразмерная скорость уно-

са массы в потоке азота также почти постоянна для всех ТЗМ, за исключением стеклопластика. В ра-
ботах [28, 116] при  исследовании  образцов  фенольного  найлона  установлено,  что  скорость  переме-
щения поверхности этого материала в потоке азота достигает постоянного значения. Результаты ис-
пытаний  в  потоке  азота  и  при  лучистом  нагреве  в  вакууме  ложатся  на  одну  кривую.  На  основании
этого  факта  делается  вывод,  что  поток  азота  является    инертным,  по  крайней  мере,  до  температур
2750 К. Предполагается, что в инертной внешней среде скорость перемещения поверхности постоян-
на за счет усадки кокса.

Для большинства аблирующих материалов важнейшими параметрами, определяющими разру-

шение, являются давление окружающей среды и температура поверхности. Изменение давления при-
водит к изменению температуры поверхности. Действительно, например, испытания образцов асбо-
текстолита при одинаковом лучистом тепловом потоке 8400 кДж/кг показали, что в условиях атмо-
сферного давления температура поверхности на 150

С выше, чем для испытаний в вакууме, а ско-

рость разрушения при радиационном нагреве в вакууме совпадает со скоростью разрушения при ат-
мосферном давлении для того же значения температуры поверхности (рис. 3.2). Следовательно, срав-
нивая линейные скорости разрушения образцов в потоке азота и при радиационном нагреве в непод-
вижной среде, взятые при одинаковой температуре поверхности и атмосферном давлении, можно
оценить термомеханическое воздействие газового потока, если выполняются следующие условия.

1. В окружающей среде и в материале кислород отсутствует.
2. При испытаниях в потоке азота и при радиационном нагреве в материале происходят одина-

ковые физико-химические превращения.

содержание .. 13 14 15 16 ..