Тепловое разрушение материалов - часть 16

3.1. Влияние окислительного и термомеханического воздействия набегающего газового потока на  

     скорость уноса теплозащитных материалов 

 

66 

 
3.  Температура  поверхности  материала  не  превышает 2800 К  или  концентрацией  атомарного 

азота можно пренебречь. 

4.  Влияние  избыточного  давления  в  дозвуковом  газовом  потоке  на  протекание  физико-

химических превращений в материале и температуру поверхности незначительно. 

5. В рассматриваемом диапазоне лучистых тепловых потоков материал является непрозрачным. 
6. Разбухания образцов  исследуемых материалов при радиационном нагреве не происходит. 
Наиболее  важными  и  трудновыполнимыми  являются  1

−3  условия.  Учитывая,  что  в  качестве 

плазмообразующего  газа  использовался  технический  азот,  который  может  содержать  до 2% приме-
сей,  гарантировать  полное  отсутствие  кислорода  в  окружающей  среде  нельзя.  Физико-химический 
анализ  образцов  асботекстолита,  испытанных  в  потоке  воздуха,  азота  и  при  радиационном  нагреве, 
показал, что в результате реакции форстерита с углеродом материала в поверхностном слое образует-
ся карбид кремния: 

Mg

2

SiO

4

 + 3C 

→ 2MgO + SiC + 2CO. 

Было показано, что, например, при тепловом потоке 12 600 кВт/м

2

 и времени нагрева 30 с при 

радиационном нагреве образуется 80% карбида кремния, при конвективном нагреве в потоке азота – 
60%, в потоке воздуха – 40%. Однако в такой же пропорции изменяется и линейная скорость уноса 
при температуре поверхности, соответствующей этой плотности теплового потока (рис. 3.2). Замена 
воздушной  плазмы  на  азотную  плазму  не  приводит  к  появлению  каких-либо  новых  физико-
химических превращений в прококсованном слое асботекстолита во всем  диапазоне рассмотренных 
параметров.  Следовательно,  можно  предположить,  что  для  всех  видов  нагрева  физико-химические 
превращения в материале одинаковы, а полнота протекания химической реакции, главным образом, 
определяется скоростью уноса. От этого зависит длительность воздействия теплового потока на реа-
гирующие компоненты материала. 

 

 
 
Рис. 3.2. Зависимость скорости уно-
са  асботекстолита  АП  от  темпера-
туры  поверхности: 1 

−  воздух, 2 − 

азот, 3 

−  лучистый  нагрев  при  атмо-

сферном  давлении,  точки 

− лучистый 

нагрев в вакууме (P ~ 10

3 

Па)

 

 
Максимальная  температура  поверхности  исследуемых  материалов  в  основном  превышала 

3000К, а концентрация атомарного азота при максимальном значении энтальпии 14 000 кДж/кг могла 
достигать 15%, что значительно сужает диапазон, в котором можно оценить термомеханическое воз-
действие  газового  потока.  Выполнение 4-го  условия  не  вызывает  сомнений,  так  как  в  дозвуковых 
плазменных струях давление торможения ненамного превышает атмосферное. 

Согласно работе [107], стеклопластики при радиационном нагреве являются полупрозрачными 

материалами, поэтому для стеклопластика ТЗМКТ-8 не выполняется 5-е условие, а органоволокниты 
и высоконаполненные каучуко-смоляные материалы разбухают при радиационном нагреве (6-е усло-
вие). 

Таким образом, погрешности, связанные с определением температуры поверхности и скорости 

разрушения при радиационном нагреве и в потоке азота, а также содержание кислорода и атомарного 
азота в азотной плазме, приводят к тому, что ошибка в оценке термомеханического воздействия газо-
вого потока на асботекстолит может достигать 36 %. 

Глава 3. Основные характеристики разрушения теплозащитных материалов в различных условиях  

                           нагрева 

 

67

 
Несмотря на значительную погрешность и сделанные ограничения, результаты, приведенные 

на рис. 3.2, дают качественную оценку термомеханического воздействия высокотемпературного газо-
вого потока на асботекстолит в рассмотренных условиях. 

Оценка  термомеханического  уноса  по  результатам  испытаний  в  дозвуковой  струе  азотной 

плазмы  и  при  радиационном  нагреве  показала,  что,  несмотря  на  невысокий  динамический  напор, 
скорость  разрушения  асботекстолита  за  счет  воздействия  набегающего  потока  газа  возрастала  до 
30%. Можно ожидать, что повышение динамического напора в сверхзвуковой плазменной струе при-
ведет к еще большей доле уноса материала за счет термомеханического воздействия. 

Для сравнительной оценки этого фактора образцы материалов испытывали, как в дозвуковой, 

так и сверхзвуковой струях воздушной плазмы. Условия испытаний обеспечивали примерное равен-
ство тепловых потоков, энтальпии торможения и коэффициента теплообмена. Однако в сверхзвуко-
вой струе при истечении в вакуумную камеру (~10

3 

Па) динамический напор в десять раз превышал 

напор дозвуковой струи. Но даже при таком подборе режимов испытаний нельзя однозначно связать 
изменение скорости разрушения ТЗМ только с влиянием термомеханического воздействия набегаю-
щего газового потока (табл. 3.1), так как снижение давления торможения привело к уменьшению тем-
пературы поверхности исследуемых материалов. 

 

Таблица 3.1 

− Параметры разрушения ТЗМ в воздушной плазме при различном давлении  

торможения 

(q

к 

= 15 000 кВт/м

2

; I

e

 = 15 000 кДж/кг; 

0

)

/

(

p

c

α

 

≈ 1,25 кг/(м

2

·c) 

Дозвуковая струя 

изб

P = 3400 Па 

Сверхзвуковая струя 

изб

P = 34 000 Па 

 

Материал 

Σ

G , 

кг/(м

2

·с) 

3

10

⋅

∞

V

, 

м/с 

w

T , 

К 

Σ

G

, 

кг/(м

2

·с) 

3

10

⋅

∞

V

, 

м/с 

w

T , 

К 

Увеличе-

ние скоро-

сти уноса  

∞

V

, % 

Асботекстолит АП 
 

0,51  0,33 3060 0,67  0,45 2850  37 

Стеклопластик  
ТЗМКТ-8 

0,75  0,45 2800 0,92  0,57 2550  23 

Стеклопластик «С» 
 

0,56 0,4 3020 0,71 0,46 2815  28 

Органоволокнит  
Органит-6ТЗ 

0,4  0,28 3420 0,58  0,43 3170  46 

Углеметаллопластик 
УМП-1 

0,36  0,18 3480 0,44  0,26 3290  23 

 

Тем  не  менее,  из  таблицы  можно  сделать  вывод,  что  при  одинаковых  тепловых  параметрах 

плазменной  струи  увеличение  динамического  напора  в 10 раз  (несмотря  на  снижение  температуры 
поверхности)  значительно  повышает  скорость  уноса  ТЗМ.  Наилучшей  термомеханической  стойко-
стью  обладают  стеклопластик  на  эпоксидном  связующем  ТЗМКТ-8  и  углеметаллопластик  УМП-1. 
Термомеханическая стойкость асботекстолита АП и органита 6ТЗ в 1,5

−2 раза ниже, чем стеклопла-

стика ТЗМКТ-8. 

На рис. 3.3 показано изменение массовой скорости уноса и глубины коксования этих материа-

лов в зависимости от логарифма избыточного давления торможения при почти постоянном калори-
метрическом тепловом потоке 14 000

−15 000 кВт/м

2

. Данные приведены  для четырех различных ус-

ловий испытаний: радиационный нагрев в неподвижной среде, конвективный нагрев в дозвуковой и 
сверхзвуковой плазме и в продуктах сгорания топлива керосин-кислород при коэффициенте избытка 
окислителя 

α = 1,2 и энтальпии торможения 

e

I  = 4700 кДж/кг (стенд ЖРД-2М). Избыточное давле-

ние торможения при нагреве в дозвуковой воздушной плазме было равно 3400 Па, в сверхзвуковой – 
34 000 Па и в струе продуктов сгорания стенда ЖРД-2М 

− 2,4⋅10

5

 Па. 

На  рисунке  видно,  что  скорость  уноса  органита-6ТЗ  (точки 4) возрастает  пропорционально 

lg(

изб

P )  и  почти  не  зависит  от  других  параметров,  характеризующих  различные  виды  нагрева.  Для 

асботекстолита  наблюдается  резкое  увеличение  скорости  разрушения,  особенно  в  диапазоне  избы-
точного  давления (3,4

−24)⋅10

4

  Па  (точки 3). Скорость  разрушения  стеклопластиков  остается  почти 

постоянной. Однако некоторое уменьшение скорости уноса стеклопластика ТЗМКТ-8 в условиях   

3.1. Влияние окислительного и термомеханического воздействия набегающего газового потока на  

     скорость уноса теплозащитных материалов 

 

68 

 
стенда ЖРД-2М показывает, что для этого материала влияние температуры поверхности более суще-
ственно,  чем  давления.  Температура  поверхности  в  условиях  стенда  ЖРД-2М  была  на 250 К  ниже, 
чем при испытаниях в сверхзвуковой плазме при пониженном давлении. 
 

 

 

Рис. 3.3. Влияние избыточного давления торможения на скорость  уноса массы ТЗМ (а) и  
толщину прококсованного  слоя  (б)  при  постоянном тепловом потоке (q

к

 

≈ 15 000 кВт/м

2

 ):   

1 

−  стеклопластик  ТЗМКТ-8,  2 − стеклопластик "С", 3 − асботекстолит АП, 4 − органит-6ТЗ;  

I 

− лучистый нагрев, II − дозвуковая воздушная плазма, III − сверхзвуковая воздушная плазма,  

IV 

− стенд ЖРД-2М 

 

Глава 3. Основные характеристики разрушения теплозащитных материалов в различных условиях  

                           нагрева 

 

69

 
В работе [110] указывается, что основными параметрами, определяющими интенсивность теп-

лообмена, являются энтальпия и давление торможения. Сравнивая зависимости глубины коксования 
от избыточного давления (рис. 3.3, 

б) можно также прийти к выводу о различном влиянии этих пара-

метров на разрушение ТЗМ. Если для асботекстолита и органита-6ТЗ в рассмотренных условиях оп-
ределяющим является давление торможения (диффузионный режим разрушения [116]), то для стек-
лопластика ТЗМКТ-8 

− энтальпия торможения. 

 

 

3.2. Влияние лучистой составляющей теплового потока на характеристики 

разрушения ТЗМ различных классов 

 

В реальных условиях работы ТЗМ высокие значения лучистых тепловых потоков реализуются 

только  совместно  с  конвективным  нагревом.  Поэтому  исследование  работоспособности  материалов 
при совместном радиационно-конвективном нагреве имеет важное практическое значение. 

Первая серия экспериментов проводилась при постоянном суммарном калориметричеком теп-

ловом  потоке 12 600 кВт/м

2

,  при  этом  отношение  конвективной  и  лучистой  составляющих  изменя-

лось, как 0/1,26; 0,42/0,84; 0,84/0,42 и 1,26/0. Аналогичные испытания были проведены в работе [28] 
для фенольного найлона, но в этом случае суммарный тепловой поток был в два раза ниже. 

 

 

                 

Рис. 3.4. Скорость разрушения ТЗМ в зависимости от доли конвективной и лучистой  
составляющих при постоянном суммарном тепловом потоке (q

Σ

  = 12 600 кВт/м

2

 ):  

1 

− стеклопластик ТЗМКТ-8; 2, 3, 4 − стеклопластики "А", "В", "С"; 5 −  асботекстолит АП;  

6 

− органоволокнит на эпоксидном связующем (органит-6ТЗ); 7 − органоволокнит на фенол- 

фталейновом связующем; 8 

− углепластик УСС-2