содержание .. 24 25 26 27 ..
Тепловое разрушение материалов - часть 26
4.6. Излучение с поверхности и метод определения степени черноты в условиях
радиационно-конвективного нагрева
106
4.6. Излучение с поверхности и метод определения степени черноты в
условиях радиационно-конвективного нагрева
Одной из основных составляющих в тепловом балансе тепла на разрушающейся поверхности
материала является излучение. Максимальный тепловой поток, который возможно отвести от по-
верхности за счет излучения, можно оценить по температуре графита в тройной точке (~4200 К)
≈
εσ
4
w
T
18 000 кВт/м
2
[2]. Этот фактор отвода тепла является основным для теплозащитных покры-
тий космических систем многократного использования.
Кроме температуры поверхности, интенсивность радиационного охлаждения определяется ин-
тегральной степенью черноты, которая, в свою очередь, зависит от многих параметров, таких как
свойства материала, структура и температура поверхности, направление, в котором распространяется
излучение, и др. [195, 196]. В отличие от интегральной, спектральная степень черноты
)
(
λ
ε
сравни-
тельно слабо зависит от температуры излучающей поверхности, но сильно меняется с длиной волны
λ .
Экспериментальные методы исследования излучательной и отражательной способностей мате-
риалов достаточно подробно описаны в работах [195, 197
−199]. В виду большой практической и тео-
ретической значимости для многих ТЗМ наиболее часто определяется направленная (нормальная), а
не полусферическая излучательная способность [195].
Большое значение имеет степень черноты для определения температуры твердых тел бескон-
тактным методом. Соответствующие этим методам приборы показывают яркостную, цветовую или
радиационную температуру, которая при известной степени черноты позволяет рассчитать истинную
температуру тела. Однако применить результаты предварительного определения излучательных или
отражательных свойств при расчете истинной температуры удается далеко не всегда, особенно для
аблирующих материалов. Например, в работе [200] показано, что коэффициенты отражения и погло-
щения ТЗМ на основе плавящихся стеклопластиков существенно зависят от времени нагрева и его
вида (радиационный или конвективный), рис. 4.16). Так как коэффициент поглощения зависит от хи-
мического состава и морфологии поверхностных слоев, то следует ожидать также зависимости коэф-
фициента излучения от давления и энтальпии набегающего газового потока даже при одной и той же
температуре поверхности, но в различных условиях нагрева.
В связи с этим рассмотрим методы, которые позволяют практически одновременно проводить
измерения излучательной способности и температуры поверхности в условиях радиационного и кон-
вективного нагрева, моделирующих работу теплозащитных покрытий. При проведении таких экспе-
риментов необходимо иметь данные о спектре источника нагрева, а также о спектре излучения паров
материала в пограничном слое. Это позволяет найти окна прозрачности, т. е. спектральные интерва-
лы, где интенсивности излучения и поглощения пограничного слоя и источника нагрева малы, и где
можно надежно измерять температуру поверхности модели.
Газы обладают линейчатым спектром излучения и поглощения, поэтому найти "окна прозрач-
ности" для измерения температуры поверхности при нагреве в газовой струе не представляет особого
труда.
Наибольшее распространение в этом случае получили пирометры с полосой пропускания в ви-
димой области спектра [195]. Однако применение таких пирометров в условиях радиационного на-
грева уже наталкивается на серьезные трудности. При радиационном нагреве часть падающей радиа-
ции источника излучения отражается от поверхности материала, что приводит к невозможности пря-
мого измерения яркостной температуры [201]. В этом случае суммарная яркость излучения нагретого
образца и отраженной им радиации источника нагрева определится выражением
(4.24)
,
)
,
(
)
,
(
)
,
(
отр
яр
T
T
T
λ
β
+
λ
β
=
λ
β
Σ
где
)
,
(
;
1
)
/
exp(c
)
,
(
)
,
(
;
1
)
/
exp(c
)
,
(
)
,
(
яр
яр
0
2
5
1
отр
2
5
1
яр
T
T
с
T
T
T
с
T
T
w
λ
β
−
λ
λ
λ
ρ
=
λ
β
−
λ
λ
λ
ε
=
λ
β
−
−
− яркость из-
лучения нагретого образца; )
,
(
отр
T
λ
β
− яркость отраженного излучения с поверхности;
яр
0
T
− ярко-
стная температура источника излучения;
2
1
,c
c
− пирометрические константы.