Тепловое разрушение материалов - часть 67

 

 

 
 
 
 
 

ТЕРМИНОЛОГИЯ    

 
 

Изучением физики теплового разрушения материалов занимаются специалисты различных специально-

стей и научных направлений, поэтому существует потребность единого толкования и понимания основных по-
нятий и представлений, тем более, что в этой книге появился ряд новых констант и параметров. Предлагаемый 
ниже  словарь,  не  претендуя  на  абсолютную  строгость  и  полноту,  имеет  своей  целью  исключить  неоднознач-
ность и нечеткость понимания важнейших терминов, часто используемых в книге. 

Абляция 

− процесс разрушения материала при тепловом воздействии внешнего источника нагрева. 

Автомодельный режим прогрева 

− режим прогрева, при котором прогретый слой (или суммарная тол-

щина  прогретого  и  унесенного  слоев  материала)  изменяется  прямо  пропорционально  корню  квадратному  из 
времени нагрева.  

Аналогия 

(дословно  «сходство») 

−  сопоставление  одного  физического  процесса  с  подобным  ему  про-

цессом другой физической природы. Существуют два вида аналогий. Первый основан на единстве математиче-
ского описания процессов (аналогия Рейнольдса, аналогия между тепло- и массообменом). Второй вид требует 
интуитивного выделения определяющего физического явления, на основании которого и производится сопос-
тавление двух разнородных процессов (аналогия между тепловым и эрозионным уносом массы, аналогия меж-
ду внутренними и поверхностными процессами поглощения тепла и т. д.) 

Аэродинамический нагрев 

− нагрев поверхности тела, движущегося в воздухе со скоростями, сущест-

венно превышающими скорость звука. При столкновении тела с молекулами газа происходит постепенный пе-
реход кинетической энергии тела в тепловую энергию газа. В зависимости от формы тела большая часть тепла 
может выделиться либо в сжатом слое за ударной волной, либо непосредственно у поверхности тела в погра-
ничном  слое.  Максимальная  температура,  до  которой  может  нагреться  газ  в  окрестности  движущегося  тела, 
близка  к  так  называемой  температуре  торможения.  Уже  при  скорости  полета,  втрое  превышающей  скорость 
звука, перепад температур между газом и поверхностью тела достигает почти 500 К. Этот перепад в дальней-
шем увеличивается пропорционально квадрату скорости полета, поэтому передача тепла от газа к телу проис-
ходит не только за счет конвективной, но и за счет радиационной теплоотдачи. Защита от аэродинамического 
нагрева  составляет  серьезную  проблему  в  ракетной  технике.  В  литературе  термин  аэродинамический  нагрев 
иногда распространяют на случай обтекания тела газом произвольного состава (а не только воздухом). 

Вдув 

−  процесс  подачи  газа  в  пограничный  слой  набегающего  потока  по  нормали  к  проницаемой  по-

верхности тела. Термин «проницаемая» подразумевает поверхность с бесконечно большим числом отверстий, 
расстояние между которыми много меньше толщины пограничного слоя над ней. Вдув газа эффективно пере-
страивает течение в пограничном слое, уменьшая градиенты скорости, температуры и концентрации, что, в ко-
нечном счете, снижает тепловые и диффузионные потоки к стенке, а также величину трения. 

Гиперзвуковое  обтекание 

−  обтекание  тела  потоком  газа  с  такой  скоростью,  при  которой  за  ударной 

волной газ уже нельзя считать однородной средой. Так, при скоростях обтекания воздухом, в шесть раз превы-
шающими  скорость  звука,  температура  торможения  оказывается  достаточной,  чтобы  началась  интенсивная 
диссоциация молекул кислорода. 

Деструкция 

(полимеров) 

− разрушение макромолекул под действием тепла, влаги, света и т. д. В резуль-

тате  деструкции  происходит  уменьшение  молекулярной  массы  полимера,  часто  сопровождаемое  изменением 
агрегатного состояния (переход из твердого в жидкое или газообразное состояние). Обычно в полимере проис-
ходит одновременно несколько видов деструкционных процессов, но применительно к теплозащитным покры-
тиям 

− термическая и термоокислительная деструкция. 

Диссоциация 

− процесс распада молекул газа на несколько более простых частиц (молекул, атомов, ра-

дикалов  или  ионов).  Среди  различных  видов  диссоциации  для  целей  данной  книги  важна  лишь  термическая 
диссоциация,  происходящая  при  повышении  температуры.  Количественной  характеристикой  диссоциации 
служит степень диссоциации 

− отношение числа распавшихся молекул к их общему числу. 

Диффузия 

(дословно «растекание») 

− взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга 

вследствие теплового движения частиц. Диффузия происходит в направлении падения концентрации и ведет к 
выравниванию распределения вещества в объеме, но может быть и следствием неравномерных полей темпера-
туры,  давления  и  других  параметров.  В  пограничном  слое  многокомпонентного  газа  определяющее  значение 
имеет в основном концентрационная диффузия. 

Диффузионный  режим  разрушения 

−  режим  поверхностного  разрушения  теплозащитных  покрытий, 

скорость  которого  определяется  скоростью  диффузии  химически  активных  компонент  набегающего  газового 

Терминология 

 

271

потока  в  пограничном  слое.  Характерной  чертой  этого  режима  разрушения  является  слабая  зависимость  без-
размерной скорости уноса массы от температуры поверхности.       

Испарение 

− одно из проявлений физико-химического превращения, при котором вещество со свобод-

ной  поверхности  жидкости  переходит  в  газообразное  состояние.  Этот  переход  сопровождается  поглощением 
тепловой энергии 

− теплоты испарения. При каждом заданном значении температуры между жидкостью и ее 

паром может установиться равновесие, характеризуемое определенной величиной давления насыщенного пара. 
В этом случае расход вещества, испаряющегося с поверхности, равен расходу вещества, переходящего обратно 
из газа в жидкость. Последний процесс называется конденсацией. 

Кинетика химическая 

− учение о скорости химической реакции, являющееся одним из разделов физи-

ческой химии. Химическая реакция может протекать гомогенно, т. с. в объеме фазы, и гетерогенно, т. е. на гра-
нице  раздела  фаз.  Под  кинетикой  реакции  понимают  зависимость  скорости  данной  реакции  от  концентрации 
веществ, температуры и других параметров. 

Кинетический  режим  разрушения 

−  режим  поверхностного  разрушения  теплозащитных  покрытий, 

подвергнутых конвективному или радиационному тепловому воздействию, скорость которого в основном оп-
ределяется кинетикой реакции взаимодействия вещества покрытия и химически активных компонент набегаю-
щего газового потока. Характерной чертой этого режима разрушения является сильная (экспоненциальная) за-
висимость скорости уноса массы от температуры. В отличие от режима сублимации скорость разрушения здесь 
существенно зависит от содержания в потоке химически активных компонент. Частным случаем кинетического 
режима, когда реакция имеет нулевой порядок, может считаться деструкция полимеров. 

Конвективный теплообмен 

− в общем случае процесс переноса тепла в жидкой или газообразной среде 

с неоднородным распределением скорости, температуры и концентрации, осуществляемый совместным дейст-
вием  двух  механизмов:  перемещением  макроскопических  частей  среды  и  тепловым  движением  микрочастиц. 
Первый из этих механизмов называется конвективным переносом, тогда как второй 

− молекулярным. В свою 

очередь применительно к теплообмену последний механизм подразделяется на теплопроводность и диффузию. 
Влияние конвективного переноса на теплообмен проявляется в зависимости от величины и направления скоро-
сти  течения  среды,  от  профиля  скорости  в  потоке  и  от  режима  течения  (ламинарного  или  турбулентного). 
Влияние молекулярного переноса на теплообмен проявляется в зависимости от состава и термодинамических и 
переносных  свойств  компонент  газового  потока.  В  технических  приложениях  иногда  производят  дальнейшее 
дифференцирование  терминов  и  используют  понятия  «теплоотдача»  и  «теплопередача».  Под  теплоотдачей 
подразумевают теплообмен между твердым телом и омывающей его жидкой или газообразной средой, тепло-
передачей 

− теплообмен между жидкими или газообразными средами, разделенными твердой стенкой. 

Конвективный тепловой поток 

− мера интенсивности (плотности) конвективного теплообмена на по-

верхности тела, обтекаемого высокотемпературным и высокоскоростным потоком газа, равная количеству теп-
ла, поступившему за единицу времени к единице площади поверхности обтекаемого тела (размерность в СИ — 
кВт/м

2

). Обобщая формулу Ньютона на случай обтекания тела диссоциированным или ионизированным газо-

вым  потоком,  конвективный  тепловой  поток  к  непроницаемой  и  нереагирующей  поверхности  записывают  в 
виде: 

)

)(

/

(

0

w

e

p

I

I

c

q

−

α

=

, где 

)

/

(

p

c

α

 

− коэффициент теплообмена, который является газодинамическим па-

раметром теплообмена, т. е. учитывает влияние распределения скорости в набегающем потоке и режима тече-
ния  в  пограничном  слое.  Напротив, 

)

(

w

e

I

I

−

− перепад энтальпий в пограничном слое − термодинамический 

параметр теплообмена, который учитывает состав газа и температурный напор в пограничном слое. Несмотря 
на условность подобного разделения, оно широко используется на практике и позволяет упростить обработку 
результатов экспериментальных и теоретических исследований. Все основные зависимости скорости разруше-
ния поверхности материала, рассматриваются именно от этого параметра.  

Константа теплового разрушения материала 

(обозначается

74

,

0

p

T

≈

K

) 

− безразмерный параметр, ус-

тановленный при изучении прогрева и уноса массы теплозащитных материалов. Константа 

p

T

K

 

численно рав-

на  безразмерному  количеству  тепла,  поглощаемому  в  поверхностном  слое разрушающегося материала  в  про-
цессе повышения температуры его поверхности от начала разрушения до установившегося значения под воз-
действием подводимого теплового потока. Эта тепловая энергия поглощается либо унесенным слоем в неста-
ционарном периоде разрушения поверхности материала, либо при фильтрации газообразных продуктов разло-
жения  связующего  через  пористый  прококсованный  слой.  После  завершения  этого  процесса  устанавливается 
стационарный режим разрушения поверхности материала. Полученные результаты свидетельствуют о том, что 
константа 

p

T

K

имеет фундаментальное значение для теплового разрушения материалов. 

Константы  энергетические 

− константы (6,79; 3,4; 1,83; 2,83), соответственно определяющие полную 

энергию теплового разрушения материала, соотношение между теплосодержанием и теплотой испарения мате-
риала, толщину слоя, унесенного с поверхности в нестационарном режиме, время установления стационарного 
разрушения  поверхности  и  т.  д.  Константы  энергетические  представляют  собой  различные  комбинации  кон-
станты

p

T

K

, которые вытекают из предложенной модели теплового разрушения. 

 

Терминология 

 

272

Коэффициент газификации 

(обозначается Г,

 безразмерный) 

− одна из важнейших характеристик про-

цесса разрушения оплавляющихся теплозащитных материалов, равная отношению расхода массы в газообраз-
ном виде к полному уносу массы. Обобщая на другие классы теплозащитных материалов, коэффициентом га-
зификации называют параметр, определяющий долю материала, унесенного в газообразном виде. 

Коэффициенты переноса 

− физические параметры среды, характеризующие интенсивность протекания 

в ней тех или иных явлений переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость). Введение коэффициентов пере-
носа основано на допущении о линейной зависимости потоков массы, количества движения и энергии от гради-
ентов  концентрации,  скорости  и  температуры.  Размерность  коэффициентов  перноса:  диффузии 

− м

2

/с,  тепло-

проводности 

− кВт/(м·К), вязкости − (Па·с) или (кг·с)/м

2

. 

Ламинарное течение 

− упорядоченное течение жидкости или газа, при котором они перемещаются как 

бы слоями, параллельными направлению течения. Особенно важное практическое значение имеет ламинарное 
течение в пограничном слое, образующемся на поверхности тел при обтекании их газом или жидкостью. С уве-
личением  скорости  течения  жидкости,  начиная  с  некоторой  точки  на  поверхности  тела,  ламинарное  течение 
может перейти в неупорядоченное турбулентное течение в пограничном слое. 

Максимальный  тепловой  эффект  физико-химических  превращений  на  поверхности 

−  предельное 

количество тепла, которое может поглотить материал за счет теплового эффекта испарения и химических реак-
ций на поверхности. 

Массообмен

 

− самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данных компонент в простран-

стве с неоднородным полем концентрации. По аналогии с теплообменом на поверхности тела, обтекаемого вы-
сокотемпературным  газовым  потоком,  интенсивность  массообмена  в  многокомпонентном  пограничном  слое 
описывается формулой: 

)

(

,

iw

e

i

c

c

j

−

β

=

, 

β

− коэффициент массообмена. 

Механизм разрушения 

− схематическая модель поведения теплозащитного покрытия в высокотемпера-

турном и высокоскоростном потоке газа, указывающая количество и вид важнейших физико-химических про-
цессов, сопровождающих унос массы этого покрытия. Механизм разрушения необходим для расчета и сопос-
тавления характеристик теплозащитных покрытий в различных условиях. В книге рассматривается пять услов-
ных  механизмов:  испарение,  оплавление,  а  также  унос  массы  при  термическом,  термоэрозионном  и  окисли-
тельном воздействием набегающего газового потока. Под термическом разрушением понимается унос массы 
при  чисто  тепловом  воздействии.  Примером  такого  воздействия  является  лучистый  (радиационный  нагрев). 
Под  термоэрозионным  разрушением  понимается  унос  массы  при  тепловом  и  газодинамическом  воздействии 
набегающего газового потока (напряжение трения на поверхности). Пример 

− унос массы при нагреве в потоке 

азотной или аргоновой плазмы. Для разрушения поверхности материала в потоке воздуха или углекислого газа 
характерны все три механизма: термический, термоэрозионный и окислительный. Унос массы материалов на 
основе кварцевого стекла в основном происходит за счет плавления и испарения материала. Разрушение по-
верхности некоторых стеклопластиков происходит под воздействием всех пяти механизмов. Конечно,  выде-
ление этих пяти механизмов разрушения материала в высокотемпературном газовом потоке достаточно услов-
но, но это значительно облегчает анализ процессов прогрева и уноса массы теплозащитных материалов.   

Оплавление 

− процесс разрушения стеклообразных материалов в высокотемпературном и высокоскоро-

стном газовом потоке. В отличие от плавления при нагреве кристаллических веществ оплавление стеклообраз-
ных или, в общем случае, аморфных веществ, не имеющих фиксированной точки плавления, характерно нали-
чием  двух  фазовых  превращений:  размягчением  твердой  фазы  до  жидкого  состояния  и  переходом  некоторой 
части расплава в пар. Второе из указанных превращений обусловлено сильной зависимостью вязкости расплава 
от температуры и перегревом внешней поверхности расплава относительно температуры размягчения (который 
достигает в зависимости от уровня тепловых потоков и сдвигающих напряжений нескольких сотен градусов). 
Соотношение уноса масс в жидком и газообразном виде описывается коэффициентом газификации Г. 

Параметр нестационарного уноса массы 

)

(

0

d

− параметр слабо зависящий от всех свойств материала, 

кроме его теплопроводности. Параметр 

0

d

численно равен отрезку, который отсекает прямая линейного уноса 

на оси ординат. На основе параметра 

0

d

 

и константы 

p

T

K

разработан метод расчета нестационарного уноса без 

использования значения теплопроводности материала  при температурах разрушающейся поверхности. 

Параметр стабилизации уноса массы материала 

− параметр, равный удвоенному максимальному теп-

ловому  эффекту  физико-химических  превращений  на  поверхности. Определяет  предельное  количество  тепла, 
которое может быть поглощено при уносе единицы массы материала, включая излучение с поверхности и теп-
ловой эффект вдува.  

Параметры  торможения 

(заторможенного  потока) 

−  основные  характеристики  набегающего  газового 

потока при исследовании работоспособности тепловой защиты. Энтальпия (или температура) торможения ха-
рактеризует  уровень  энергетического  воздействия  на  материал,  в  частности,  энтальпийный  (температурный) 
напор в пограничном слое. Давление торможения определяет уровень силового воздействия, а также при задан-
ной форме тела 

− величину коэффициента теплообмена. 

Пограничный слой 

− тонкий слой над поверхностью обтекаемого газом тела, в котором силы вязкости 

соизмеримы с инерционными силами, а  продольная составляющая скорости изменяется от нуля до величины 
скорости  набегающего  газового  потока.  За  толщину  слоя  выбирается  такое  расстояние,  на  котором  скорость 

Терминология 

 

273

достигает 99% своего  значения  во  внешнем  потоке.  Аналогично  определяются  пограничные  слои  для  тем-
пературы и концентрации. 

Прогретый  (прококсованный)  слой 

− слой материала, ограниченный сверху температурой поверхно-

сти, а снизу 

− температурой контролируемой изотермы (изотермой с температурой  коксования). 

Радиационный (лучистый) тепловой поток 

− мера интенсивности (плотности) радиационного тепло-

обмена на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным потоком газа. Радиационный тепловой поток 
дополняет (а в некоторых случаях и превосходит) конвективный тепловой поток по мере того, как возрастают 
температура  и  плотность  излучающего  газового  объема.  В  отличие  от  конвективного  теплообмена  ин-
тенсивность радиационного воздействия возрастает при увеличении размеров обтекаемого тела, экранирующее 
действие вдуваемых паров очень слабо зависит от их расхода. 

Рекомбинация 

− процесс обратный диссоциации. 

Скорость  уноса  массы 

−  основная  характеристика  процесса  разрушения  теплозащитных  покрытий  в 

высокотемпературном  газовом  потоке,  равная  произведению  плотности  материала  покрытия  на  скорость  ли-
нейного перемещения его внешней поверхности. Отношение скорости уноса массы к коэффициенту теплооб-
мена на непроницаемой поверхности, называемая безразмерной скоростью уноса массы (разрушения), является 
удобным параметром представления результатов для химически активных теплозащитных материалов. 

Сублимация 

−  переход  вещества  из  твердой  фазы  в  газообразную,  минуя  жидкую  фазу.  Сублимация 

вместе с испарением составляют две разновидности парообразования.                                

Сублимационный  режим  разрушения 

− режим поверхностного разрушения теплозащитных материа-

лов в условиях интенсивных конвективных и радиационных тепловых воздействий, скорость которого опреде-
ляется величиной скорости сублимации основных компонент материала. На этом режиме разрушения скорость 
уноса массы экспоненциально зависит от температуры поверхности, что приводит к слабому изменению этой 
температуры в широком интервале варьирования тепловых потоков (при постоянном давлении). 

Температура разрушения 

− в узком смысле, это − температура начала поверхностного разрушения дан-

ного теплозащитного покрытия в некотором диапазоне внешних параметров среды (необязательно сопровож-
дающееся уносом массы, например, оплавление поверхности). В широком смысле, это 

− любое значение тем-

пературы поверхности разрушающегося теплозащитного покрытия.  

Тепловая защита 

− это определенный способ блокирования или уменьшения потока тепла от окружаю-

щей среды к поверхности тела. Среди шести известных принципов отвода или поглощения тепла от внешней 
поверхности  тела  наиболее  широкий  диапазон  практического  использования  имеют  те,  что  основаны  на  ис-
пользовании эффектов вдува и физико-химических превращений. 

Теплопроводность 

− одна из разновидностей теплообмена, в основе которой лежит процесс распростра-

нения тепла от более нагретых элементов среды к менее нагретым, не связанный с макроскопическими пере-
мещениями частиц среды или электромагнитными излучениями. 

Течение  замороженное  и  равновесное 

−  два  предельных  случая  течения  многокомпонентных  смесей 

газов, отличающихся соотношением скоростей химических реакций и газодинамического или диффузионного 
переноса. 

Турбулентное течение 

− форма течения жидкости или газа, при которой отдельные макрочастицы со-

вершают  неупорядоченное,  неустановившееся  движение  по  сложным  траекториям,  что  приводит  к  интенсив-
ному перемешиванию между слоями движущейся жидкости. В условиях турбулентного течения в пограничном 
слое интенсивность конвективного теплообмена оказывается существенно выше, а эффект уменьшения тепло-
вого потока при вдуве охладителя через проницаемую стенку намного ниже, чем в ламинарном пограничном 
слое. 

Ударная волна 

− скачок уплотнения, возникающий перед телом, движущимся со сверхзвуковой скоро-

стью, при прохождении через который резко увеличивается плотность, давление и температура. Область, нахо-
дящаяся между ударной волной и поверхностью тела, называется сжатым слоем. 

Физико-химическое превращение

 

− явление, приводящее к изменению агрегатного состояния вещест-

ва или его химического состава и сопровождающееся поглощением определенного количества тепла. 

Эффективная  энтальпия  разрушения 

−  основная  характеристика  энергоемкости  уноса  массы  с  по-

верхности  разрушающихся  теплозащитных  покрытий,  которая  включает  в  себя  не  только  количество  тепла, 
поглощенное при нагреве, термических и фазовых превращениях единицы массы материала, но и тепловой эф-
фект  блокирования  подведенного  конвективного  теплового  потока  при  вдуве  газообразных  продуктов  разру-
шения в пограничный

 слой.