Тепловое разрушение материалов - часть 18

3.3. Влияние плотности теплозащитного материала на зависимость массовой скорости уноса от условий 
       нагрева 

 

74 

 
С  момента,  когда  плотность  конвективного  теплового  потока  становится  больше  лучистого, 

температура поверхности зависит только от энтальпии набегающего потока и равна температуре по-
верхности при конвективном нагреве (точки 1). Такой же результат получен при испытаниях образ-
цов ТЗМ других классов (рис. 3.8). 

Этот вывод является очень важным, так как позволил (см. раздел 4.6) предложить метод опре-

деления  степени  черноты  и  температуры  поверхности  материалов  при  совместном  радиационно-
конвективном нагреве для условий, когда конвективная составляющая теплового потока превышает 
лучистую [119]. 

 
 

3.3. Влияние плотности теплозащитного материала на зависимость  

массовой скорости уноса от условий нагрева 

 

Важнейшей особенностью работы аблирующих теплозащитных материалов является саморегу-

лирование  расхода  потребной  массы  охладителя  в  зависимости  от  интенсивности  теплообмена.  От-
сюда следует, что при одной и той же тепловой нагрузке и близких свойствах унос массы материала 
не должен сильно зависеть от его плотности, если при этом не увеличивается доля материала, уноси-
мого в виде твердых частиц и жидкой пленки расплава. На рис. 3.9 показаны результаты численных 
расчетов по  модели оплавления кварцевого стекла, приведенные в работе [2], которые показывают, 
что при изменении плотности материала на 40% унос массы во всем рассмотренном диапазоне дав-
лений изменяется менее чем на 10%. Экспериментальная проверка этого вывода представляет значи-
тельный  практический  интерес,  так  как  изменение  плотности  материала,  как  правило,  приводит  к 
снижению  коэффициента  теплопроводности,  т.  е.  появляется  возможность  снижения  веса  теплоза-
щитного покрытия. 

 

 

 
 
Рис. 3.9. Зависимость скоро-
сти уноса массы кварцевого 
стекла от плотности [2]. 

 

 
На рис. 3.10 представлены характеристики разрушения углеметаллопластика УМП-1 (точки 1), 

асботекстолита АП (точки 2), стеклопластиков "С" и ТЗМКТ-8 (точки 3, 4), органоволокнитов на 
эпоксидном (органит 6ТЗ) и фенолфталейновом связующих (точки 5, 6), испытанных при постоянной 
плотности лучистого потока 10 500 кВт/м

2

 и изменении конвективного потока от 0 до 23 000 кВт/м

2

. 

На рисунке видно, что, чем ниже температура поверхности материала, тем выше массовая ско-

рость уноса. В зависимости от массовой скорости уноса и температуры поверхности (рис. 3.8, 3.10), 
все испытанные материалы можно разбить на три группы. Наибольшую скорость разрушения имеет 
стеклопластик  ТЗМКТ-8,  температура  поверхности  которого  не  превышала 2800 К.  Асботекстолит 
АП и стеклопластик "С" образуют вторую группу материалов с температурой поверхности порядка 
3000 К. Наконец, к третьей группе относятся органоволокниты и углеметаллопластик (

Т

w

 = 3450 К). 

Так как плотность органоволокнита на фенолфталейновом связующем равна 1000 кг/м

3

, органита 6ТЗ 

– 1290 кг/м

3

, а углеметаллопластика УМП-1 – 1700 кг/м

3

, то отсюда следует, что массовая скорость 

уноса  для  одной  и  той  же  температуры  поверхности  почти  не  зависит  от  плотности  образцов.  По-
видимому, свойства материала отражаются на скорости уноса массы при тепловом разрушении лишь 
в той степени, в какой они определяют температуру поверхности, т. е. влияют на тепловой баланс. 

 

Глава 3. Основные характеристики разрушения теплозащитных материалов в различных условиях  

                           нагрева 

 

75

 

 
 

Рис. 3.10. Скорость уноса массы 
ТЗМ в зависимости от конвек-
тивного теплового потока при 
постоянном лучистом воздей-
ствии 10 500 кВт/м

2

: 

1 

− углеметаллопластик УМП-1,  

2 

− асботекстолит АП,  

3 – стеклопластик "С",  
4 

− стеклопластик ТЗМКТ-8,  

5 

− органит-6ТЗ,  

6 

− органоволокнит на 

связующем ФФМ 
 

 

 

Для проверки влияния пористости на скорость уноса массы в условиях стенда ЖРД-2М были 

изготовлены образцы кварцевой стеклокерамики из тонкодисперсного порошка кварца методом шли-
керного литья. Пористость образцов изменялась от 0 до 12,5%. Диаметр образцов составлял 25·10

-3 

м, 

а  высота 

− 50·10

-3 

м.  Испытания  проводились  при  коэффициенте  избытка  окислителя 1,2; тепловом 

потоке 14 700 кВт/м

2

; энтальпии торможения 4700 кДж/кг и давлении торможения 2,4·10

5

 Па. 

Анализ  полученных  результатов  показал,  что  изменение  пористости  в  указанном  диапазоне 

очень слабо влияет на температуру поверхности и массовую скорость уноса. Температура поверхно-
сти во всех случаях была приблизительно равна 2500 К.  

 

 
 
Рис. 3.11. Влияние плотности на  
скорость разрушения кварцевой 
стеклокерамики: 1

− расчет [2]; точ-

ки 

− эксперимент на стенде ЖРД-2М 

при q

к

 

− 14 700 кВт/м

2

 

 

 
На рис. 3.11 видно, что экспериментальные данные зависимости уноса массы от плотности ма-

териала хорошо согласуются с расчетом по модели оплавления кварцевого стекла [2]. 

С целью проверки влияния плотности на массовую скорость уноса при повышенных тепловых 

потоках были проведены испытания образцов графитов различных марок на установке ПУ-50Д (табл. 
2.1, п. 2), представляющей собой плазмотрон прямого действия, в котором вторым электродом явля-
ется поверхность электропроводящей модели [36]. 

3.4. Влияние технологии изготовления теплозащитного материала на скорость разрушения на примере  
       асбо,- стекло,- углепластиков 

 

76 

 
Изменение теплового потока в зависимости от расстояния между выходным сечением сопла и 

поверхностью  образца  представлено  на  рис. 2.17. Эксперименты  проводились  при  тепловом  потоке 
3,4·10

5

 кВт/м

2

. Результаты представлены в табл. 3.2. 

Из таблицы следует, что несмотря на значительное отличие плотности графитов различных ма-

рок (до 30%), их средние скорости уноса согласуются между собой с хорошей точностью. 

Таким образом вывод о слабом влиянии плотности кварцевого стекла на скорость уноса массы, 

полученный по результатам численных расчетов в работе [2], экспериментально подтвержден для 
ТЗМ различных классов в широком диапазоне условий нагрева. 

 

Таблица 3.2 

− Влияние плотности графита на массовую скорость уноса в условиях установки 

ПУ-50Д при тепловом потоке 3,4·10

5

 кВт/м

2

  

 

Материал 

МПГ-8 

ЭГ-О 

В-2-1 

Плотность, кг/м

3 

1780 1540  1960 

*)

Скорость уноса массы, 

кг/(м

2

·с) 

1,5 1,5  1,4 

*)

 В таблице приведены средние значения скорости уноса, полученные по 4

−5 образцам. 

 

 

3.4. Влияние технологии изготовления теплозащитного материала на скорость  

разрушения на примере асбо,- стекло,- углепластиков 

 

В  предыдущем  разделе  было  доказано,  что  при  одной  и  той  же  тепловой  нагрузке  и  близких 

свойствах унос массы материала практически не зависит от его плотности. Однако такой вывод спра-
ведлив только в том случае, если при этом не увеличивается доля материала, уносимого в виде твер-
дых частиц. Как правило, плотность материала при одном и том же составе значительно зависит от 
технологии его изготовления. Уменьшение плотности, а также снижение прочности материала может 
сильно повлиять на его термомеханическую стойкость, особенно в условиях повышенных давлений и 
двухфазных  газовых  потоках.  При  испытаниях  углеродных  ТЗМ  в  условиях  повышенных  давлений 
торможения было показано, что прочность наполнителя или недостаточная адгезия полимеров с уг-
леродом могут сильно повлиять на скорость уноса материала. Например, при прочих равных услови-
ях  только  замена  связующего  в  углепластике  может  привести  к  уменьшению  скорости  уноса  на 
30

−40%. 

Исследования асбо- и стеклопластиков проводились в условиях стенда ЖРД-2М. Для выбран-

ного режима работы стенда (давление в камере сгорания Р

к.с.

= 4·10

5 

Па; температура в камере сгора-

ния  Т

к.с.

 = 3500 К,  коэффициент  избытка  окислителя 

α = 1,2) термогазодинамические  параметры 

газового потока составили: 

q

к

 = 14 700 кВт/м

2

, 

Р

e 

= 3,4·10

5 

Па, скорость газового потока – 1250 м/с. 

Для экспериментов были изготовлены модельные образцы диаметром 25·10

-3 

м из асбо- и стек-

лопластиков, полученных методами вакуумного формования, прессования и автоклавным методом. 
Характеристика этих материалов приведена в приложении 2. Результаты испытаний показаны на рис. 
3.12. 

Из  рисунков  следует,  что  технологические  методы,  обеспечивающие  получение  материала  с 

большей плотностью, дают возможность уменьшить скорость разрушения ТЗМ. Снижение плотности 
материала может привести к резкому повышению скорости массового уноса при росте давления тор-
можения в газовом потоке (точки 3, метод вакуумного формования). 

В высокотемпературном газовом потоке продуктов сгорания РДТТ присутствует 2-я фаза, в ос-

новном представляющая собой окись алюминия в жидком или твердом состояниях. Количество оки-
си алюминия иногда достигает 30% общего массового расхода. В этих условиях скорость разрушения 
ТЗМ может возрасти в несколько раз по сравнению с однофазным потоком, имеющим такие же тер-
могазодинамические параметры. При этом могут появиться принципиально иные требования к проч-
ности и технологии изготовления материала. 
 

Глава 3. Основные характеристики разрушения теплозащитных материалов в различных условиях  

                           нагрева 

 

77

 

 
Рис. 3.12. Влияние технологии изготовления асботекстолита АТ-1 (а) и стеклопластика СТКТ-11 (б) на 
скорость уноса массы: 1

− прессование, 2 − автоклавный метод, 3 − вакуумное формование 

 

Эксперименты проводились на стенде ВПС-1000К (табл. 2.1, п.4, рис. 2.5). В качестве второй 

фазы применялся порошок окиси алюминия с размером частиц до 100 мкм, Изменение расхода по-
рошка осуществлялось регулировкой размера выходного отверстия в корпусе пылепитателя и расхо-
дом транспортирующего газа, что позволило изменять расход порошка в пределах 10

−40% от общего 

массового  расхода.  Так  как  в  качестве  рабочего  газа  использовался  воздух,  то  для  получения  ней-
тральной или восстановительной среды в камеру ЭДП подавался бензин, который давал возможность 
изменять  коэффициент  избытка  окислителя  в  широких  пределах.  Кроме  того,  догорание  кислорода 
значительно увеличивало тепловую мощность струи. Испытания проводились при следующем режи-
ме работы  стенда: 

I

д

 = 380 А, 

U

д

 = 340 В, 

Р

к

 = 2·10

5

 Па, 

G

воз

 = 28 г/с, 

G

бен 

= 1,7 г/с. Расход порошка 

был равен 5,3 г/с, что составляет 18% от общего массового расхода. Тепловой поток, воздействую-
щий на поверхность образца на расстоянии 62·10

-3 

м от среза сопла, составлял 2900 кВт/м

2

. Скорость 

разрушения поверхности образцов определялась с помощью киносъемки. 

 

 

 
 
Рис. 3.13. Ряд эрозионной стой-
кости углепластика  УП-УТ-П: 

⊥, II − перпендикулярное и па-
раллельное расположение слоев 
ткани 
 

max

л

)

(

∞

V

− линейная скорость 

уноса образцов, армированных 
лентой УТЛ с максимальной 
прочностью.