Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты

• Название: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
• Анкор: Целая.doc
• Дата: 30.10.2017
• Размер: 32.33 Mb.
• Имя файла: Целая.doc
• Тип: Учебник; #9974
• страница: 2 из 30

1.1. РАДИАЦИОННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Этот метод тепловой защиты использует способность нагретой поверхности излучать тепло.

В соответствии с законом Стефана - Больцмана интеграл от плот­ности потока излучения по всем длинам волн равен



где n - коэффициент преломления среды, для газов и вакуума он прини­мается раным 1; σ – 5,57-10^-8 Вт/(м² ∙К⁴) - коэффициент излучения; Т – абсолютная температура, К; λ – длина волны.

Но q_R всегда меньше Т⁴, т. к. реальная степень черноты всегда меньше 1, поэтому



где ε – степень черноты.

Степень черноты одного и того же материала может меняться в широких пределах и в зависимости от многих факторов, в том числе от вида предшествующей обработки. Например, для полированно­го алюминия при температуре поверхности Т = 870 К ε = 0,06, в то время как для окисленного – 0,33; окисленная медь имеет степень черноты 0,76; резина при 300 К – 0,86...0,94.

Многие покрытия на металлах увеличивают степень черноты. Так покрытие МoSi₂ на молибдене толщиной 50 мкм обеспечивает защиту металла от окисления вплоть до 1 900 К и повышает степень черноты.

Радиационный метод тепловой защиты применяется в ги­перзвуковой авиации и в ракетной технике.

1.2. ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛ ЗА СЧЕТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА ИХ ПОВЕРХНОСТИ

Фазовые превращения – плавление и испарение или сублима­ция – широко применяются при охлаждении горячих поверхностей тел. Наиболее эффективным является отбор тепла при испарении, который в 10... 12 раз интенсивнее, чем при плавлении. Кроме того, температура испарения примерно вдвое превышает температуру плавления.

Согласно правилу Трутона теплота испарения определяется как



где К₂ = 80...90 кДж/(моль∙К).

Отсюда следует, что чем меньше атомная масса вещества и выше температура испарения, тем больше теплота испарения. Так значение Q_исп изменяется от 500 кДж/кг у низкотемпературных металлов, до 10 000 кДж/кг у тугоплавких оксидов и 20 000 кДж/кг у графита. Высокое значение теплоты испарения графита играет существенную роль, поэтому при создании высокотемпературных теплозащитных материалов нужно стремиться к тому, чтобы в них было как можно больше атомов углерода. Кроме того, в пограничном слое может происходить многократная диссоциация и ионизация продуктов уноса при высоких температурах, что способствует дополнитель­ному поглощению тепла, выделяемого нагретой поверхностью.

Энергия диссоциации и ионизации некоторых веществ состав­ляет соответственно (кДж/кг): О₂ – 15 450 и 41 000; N₂– 33 480 и 50 000; Н₂0– 13 430.

Общие требования к теплозащитным материалам, использова­ние которых базируется на физико-химических превращениях, мож­но сформулировать следующим образом: они должны

1) поглощать большое количество тепла при физико-химичес­ких превращениях;

2) иметь высокое значение объемной теплоемкости С;

3) обладать высокой прочностью при высоких температурах для обеспечения небольшого механического уноса;

4) по возможности иметь высокую температуру разрушающейся поверхности и большое значение степени черноты ;

5) образовывать при разрушении газообразные продукты с ма­лой молекулярной массой для эффективного снижения конвектив­ного теплового потока;

6) в случае образования жидкой пленки, вязкость последней дол­жна быть значительной.

Конечно, трудно найти материал, удовлетворяющий всем этим требованиям. Поэтому выбор производится в зависимости от кон­кретных условий работы. Разрушающиеся теплозащитные материа­лы широко используются для защиты спускаемых космических аппа­ратов, камер сгорания, сопловых блоков РДТТ и т. д.

1.3. ПЕРЕНОС ТЕПЛА В ТЕПЛОЗАЩИТНОМ ПОКРЫТИИ (ТЗП)

Конвективный или радиационный тепловые потоки, подведен­ные извне к поверхности ТЗП, в общем случае поглощаются или рас­сеиваются.

1.3.1. ПОРИСТОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Механизм пористого охлаждения складывается из двух процес­сов: внутреннего теплообмена, во время которого газ отбирает теп­ло от внутренней стенки при фильтрации к внешней поверхности, и внешнего теплообмена, когда охлаждающий газ, покинув стенку, диффундирует через пограничный слой, разбавляя и оттесняя от поверхности высокотемпературный газовый поток.

Под пористой средой понимают твердое тело, содержащее пустые поры, распределенные более или менее равномерно по объему тела.

Объемная пористость – это отношение объема пор V_п к объе­му тела V₀



Если обозначить через V_Т объем материала, занятого частицами твердого каркаса, то



Для каркаса их сферических частиц получаем



где N₃ – число частиц в единице объема; d – диаметр частицы.

Металлические пористые материалы (рис. 1) обычно получают прессованием сферических порошков или плетением из волокна или проволоки. Наиболее употребляемыми материалами при создании пористых изделий являются нержавеющая сталь, вольфрам, никель.
Скорость течения охладителя в порах при заданном перепаде дав­ления Р поперек пористой стенки толщиной h может быть уста­новлена с помощью закона Дерси:



г
Рис.1. Модели структуры пори­стых

материалов:

а- кубическая укладка;

б- ромбическая;

в- плетеная сетка
де К_п – коэффициент проницаемос-

ти, который определяется структурой пористого материала; μ –коэффициент вязкости охладителя.

Массообменное охлаждение может быть реализовано не только че­рез пористую стенку, но и с помощью разрушающихся материалов. Нап­ример, вкладыш критического сечения изготавливается из тугоплавко­го материала, пропитанного легкосублимирующими компонентами.

1.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРУШЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Принцип работы разрушающихся ТЗП состоит в потере по­верхностного слоя ради сохранения благоприятного теплового ре­жима внутренних слоев и самой защищаемой конструкции.

Химические реакции могут протекать как при участии, компо­нент набегающего потока, так и независимо от них. Кроме того, под действием внутреннего давления или внешних сил, а также терми­ческих напряжений может иметь место эрозия, т. е. механический унос в виде отдельных частиц.

Процессы разрушения сопровождаются фазовыми и химичес­кими превращениями, а также вдувом в набегающий поток продук­тов разрушения. Благодаря этим факторам указанный тип покры­тий по эффективности существенно превосходит системы, работаю­щие на принципе поглощения тепла.

У композиционных материалов процесс разрушения обычно определяется поведением какой-либо одной компоненты, мас­совое содержание которой в материале достаточно велико, либо она в состоянии образовать механически прочный каркас, обладающий лучшей среди других компонент способностью противостоять аэро­динамическому (газодинамическому) воздействию потока при высо­ких температурах. Выход газообразных продуктов термического разложения связан с преодолением гидродинамического сопротивле­ния пор. Таким образом, положение фронта термического разложе­ния связующего внутри тугоплавкого каркаса будет определяться балансом подведенного тепла и химически активных компонент, с одной стороны, и расхода связующего – с другой.

Такая же картина наблюдается и в случае тугоплавкого карка­са, поры которого заполнены испаряющимися или сублимирующи­ми компонентами, например, в случае пористого вольфрама, микроканалы которого заполнены медью.

Фазовые превращения являются одним из самых эффективных способов поглощения тепла, особенно на переходе в газообразное состояние, поскольку теплота сублимации почти на порядок пре­восходит теплоту плавления. Кроме того, отвод газифицированного вещества сопровождается вдувом массы в пограничный слой.

Многие химические реакции протекают с выделением тепла, что может ухудшить тепловой баланс, но, все-таки, образование при этом газообразных продуктов является положительным эффектом. Оно ведет к снижению доли механического уноса материала с поверхно­сти за счет вдува газов в пограничный слой.

Разность между тепловыми потоками к непроницаемой по­верхности и к поверхности с расходом массы через нее равна



где q₀– удельный тепловой поток к поверхности при отсутствии вдува со стороны поверхности; q_w – удельный тепловой поток к поверхности при наличии вдува за счет сублимации материала или химических ре­акций; q_вд – удельный тепловой поток, поступающий в пограничный слой за счет вдува; γ – коэффициент, зависящий от отношения молеку­лярных масс вдуваемых продуктов и набегающего газового потока, а также от режима течения в пограничном слое; С_т – удельный расход материала; I_С, I_W – значения энтальпии потоков без вдува и при его наличии соответственно. Значение у принимается постоянным и рав­ным для ламинарного потока 0,6, для турбулентного γ _т = 0,2.

При больших энтальпиях торможения I_с >30 000 кДж/кг вдув по своей эффективности превосходит все другие способы рассеивания и поглощения тепла на разрушающейся поверхности.

Для сравнения теплозащитных и абляционных материалов введено понятие эффективной энтальпии, определяющей количество тепла, кото­рое может быть поглощено при разрушении единицы массы материа­ла, поверхность которого имеет температуру Т_№ в результате действия всех физико-химических процессов, сопровождающих разрушение.



где Q_н – тепло, расходуемое на нагрев материала; (Q_ПЛ – тепло, рас­ходуемое при плавлении; Q_хп – теплота химических превращений; Q_исп – теплота испарения из жидкой фазы; Q_субл – теплота сублима­ции из твердой фазы, она несколько выше Q_ИСП.; Q_ион – энергия иони­зации, имеющая место при очень высоких температурах; Q_изл – ко­личество тепла, отдаваемого поверхностью за счет излучения. Все значения теплот отнесены к единице массы материала.

В литературе имеются другие выражения для Н_эф, но авторы считают, что такое представление является хоть и не весьма стро­гим, но наиболее понятным.

Чем выше эффективная энтальпия, тем лучше теплозащитный или другой аблирующий материал. Эффективная энтальпия не является термодинамическим параметром, т. к. величина ее для одного и того же материала зависит от температуры, скорости набегающего потока и других условий. В каждом конкретном случае тип аблирующего материала нужно выбирать так, чтобы могла максимально реализоваться его эффективная энтальпия. Например, углерод–углеродные материалы лучше всего могут реализовать Н_эф при температурах выше 3 500 К, а кварцевые ТЗП – до 3 000 К. Как говорят в этом случае ракетчики, «нужно, чтобы материал работал».

Общая задача исследования разрушающихся ТЗП и других «жер­твенных» материалов требует установления определяющего механизма разрушения и получения зависимости уноса массы от тем­пературы и условий обтекания. С этой целью удобно разбить все многообразие материалов на несколько классов:

1. Сублимирующие материалы.

2. Разлагающиеся материалы.

3. Материалы, химически реагирующие с компонентами набе­гающего газового потока.

4. Оплавляющиеся материалы.

5. Композиционные материалы.

В качестве сублимирующих материалов при атмосферном дав­лении и соответствующих температурных условиях могут выступать сухой лед (твердая углекислота), нафталин, графит и некоторые дру­гие (табл.З). Практически все вещества могут сублимировать; нуж­но, чтобы давление паров данного вещества над поверхностью было ниже, чем в тройной точке. В замкнутом объеме с течением времени наступает состояние динамического равновесия, при котором ско­рость испарения равна скорости конденсации.

Таблица 3

Давление, температура и теплота испарения некоторых веществ

Вещество	Р∙10-5, Па	Т, К	∆Qисп., кДж/кг
Сухой лед (СО2)	5	215	560
Нафталин	0,015	353	400
Графит	110	4200	20000

Обозначения: Р – давление; Т – температура; ∆Q_исп – теплота испарения.

Скорость испарения описывается формулой Кнудсена-Ленгмюре



где а – коэффициент аккомодации (прилипания), который может изменяться в очень широких пределах, от 1 для металлов до 10^-9 для красного фосфора; Р_i^н –давление насыщенных паров веще­ства при температуре Т_w; Р_i – давление паров вещества над по­верхностью; μ_i – молекулярная масса; Т_w – температура поверхно­сти сублимирующего вещества. При сублимации с поверхности уг­лерода в его порах могут содержаться не только одноатомные, но и многоатомные молекулы: С₂, С₃...С₇. При этом каждая молекула об­разуется при сублимации твердой фазы.

Заметим, что в связи с открытием новых структур у углерод­ного вещества, таких как карбины и фуллерены, реальная картина сублимации углерода может существенно отличаться от наших со­временных представлений об этом процессе.

Полимерные теплозащитные материалы при высоких темпера­турах претерпевают процесс деструкции, которая представляет со­бой совокупность гомогенных и гетерогенных химических реакций и фазовых превращений, сопровождающихся, как правило, погло­щением тепла и потерей массы за счет выделения продуктов разло­жения и механической эрозии.

Гомогенные реакции протекают в объеме, гетерогенные – на поверхности раздела фаз. Константа скорости реакции описывает­ся уравнением Аррениуса:



где В – предэкспоненциальный множитель, моль/с; R – универсаль­ная газовая постоянная, кДж/(моль∙К); Т – температура реагирую­щих веществ, К; Е – энергия активации реакции, кДж/моль. Газооб­разные продукты, получающиеся при разложении полимеров, явля­ются сложными органическими соединениями. Предэкспоненциаль­ный множитель для реакции разложения имеет порядок В =10¹³ 1/с. Энергия активации Е не превышает энергии связи С – О и С – Н, т. е. она не больше 200...400 кДж/моль.

Время реакции разложения при названной энергии активации составляет 10^-7...10^-3 с. Термореактивные смолы обладают сетчатой структурой. Они разлагаются, образуя коксовый остаток без предва­рительного перехода в вязкотекучее состояние и газообразные про­дукты. Деструкция феноло-формальдегидных смол протекает в ин­тервале 500...800 К.

Важной характеристикой при разложении смол является коксо­вое число К, определяемое по формуле



где р – плотность коксового остатка; р₀– начальная плотность смолы.

Для фенольной смолы К0,5...0,6, для эпоксидной – К0,2, для фуриловых смол К достигает значений 0,82.

1.5. НЕМНОГО О ГРАФИТЕ

Графит является удобным эталоном химически активного мате­риала, поскольку при его взаимодействии с кислородом и другими газами не образуются соединения в конденсированной фазе. Кроме этого, графит является одним из наиболее перспективных теплоза­щитных материалов.

Известны две кристаллические модификации углерода – алмаз и графит, существует и аморфный углерод: сажа, древесный уголь, животный уголь.

Алмаз в 1,5 раза плотнее, теплопроводность его в 30 раз выше, чем у графита, а теплоемкость в 1,5 раза меньше. Тройная точка: Р = 1,1-10⁷ Па, Т = 4 200 К. Графитизация – от 2 800 до 3 300 К. Образование пирографита из СН₄ происходит при Т = 2 300...2 600 К на подложке из графита.

Пирографит (табл. 4) – не новая модификация графита (патент на его получение был выдан в 1880 г.), но только в современной тех­нике он нашел широкое применение.

Таблица 4

Теплофизические свойства графитов

Модификация графита	ρ, кг/м3	Т, К	ср, кДж/(кг∙К)	λ, Вт/(м∙К)
				по нормали к поверхности	параллельно поверхности
Пирографит	2200 2200	500 1300	0,8 2,0	2,2 0,33	350 160
Технический графит	1730	1300	2,0	55	35

Обозначения: ρ – плотность; Т – температура; λ – коэффициент теплопроводности; С – удельная теплоемкость.

Азот начинает реагировать с поверхностью графита при Т_w= 2 800 К, тогда как сублимация последнего становится существен­ной при Т_w> 3 300 К. При этом образуется в основном С₃.

При температуре торможения набегающего потока Т_е = 6 000 К и

Р = 5∙10⁵ Па 30 % графита уносится в виде циана. При больших тепловых потоках единственным ТЗМ является графит. Например, в условиях Юпитера при входе зонда тепловые потоки достигают 5... 100 кВт/см². Чем меньше молекулярная масса набегающего по­тока, тем выше унос при одной и той же температуре поверхности.

Большинство реальных ТЗМ являются композиционными и обы­чно состоят из связующего и наполнителя.

Существует два наиболее распространенных способа построе­ния композиционных ТЗМ:

1. Несущий каркас образуется переплетенными тугоплавкими волокнами, а связующая компонента не позволяет волокнам напол­нителя скользить друг относительно друга.

2. Соты формируются из стеклопластика или металла, а их внут­ренний объем заполняется смесью органической смолы, пористых микрошариков и микроволокон.

Первый тип композиционных ТЗМ хорошо противостоит сверх­высоким тепловым и динамическим нагрузкам, в то время как вто­рой работает в условиях длительного воздействия умеренного теп­лового потока. В условиях интенсивного нагрева стеклопластик на­гревается как однородный материал лишь до 400 К, после чего про­исходит первое физико-химическое превращение – испарение влаги.

При высоких температурах стекло и углерод (как пиролитический, так и кокс) могут вступать в химическое взаимодействие непо­средственно в твердой фазе, образуя как газообразные так и новые твердые компоненты:



но может образоваться и SiC при определенных условиях; SiO – газ при высоких температурах. Оптимальная массовая концентрация стекла SiO₂ в армированном композиционном материале на орга­ническом связующем составляет – 0,6...0,8.При высоких температу­рах очень существенным является и радиационное воздействие из­лучающего сжатого газа, а также излучательное охлаждение поверхности. Конвективный и радиационный тепловые потоки неодина­ково зависят от скорости полета аппарата. Например, если при скорости V < 7 км/с радиационный тепловой поток к поверхности ап­парата, имеющего радиус кривизны 4,6 м, пренебрежимо мал по срав­нению с конвективным, то при увеличении скорости вдвое положе­ние существенно меняется. Нужно заметить, что радиус кривизны тела существенно влияет на конвективный и радиационный теплообмены. При расчетах необходимо учитывать спектр излучения. Так, при температуре заторможенного потока Т_с = 14000 К на вакуум­ный ультрафиолет приходится 30 % потока.

Среди газообразных продуктов, которые могут применяться в системах тепловой защиты от радиационного теплового потока в воздухе, следует назвать пары лития, магния, бора, алюминия, меди и некоторые другие, имеющие коэффициенты поглощения в ваку­умном ультрафиолете более высокие, чем кислород. Возможно рассеяние энергии на частицах, вдуваемых в пограничный слой, если размеры их соизмеримы с длиной волны света.

Третий способ тепловой защиты требует разработки специаль­ных покрытий, обладающих высоким коэффициентом отражения по отношению к падающему потоку и сохраняющих этот коэффи­циент. Кварцевое стекло прозрачно в области длин волн от 0,2 до 2,3 мкм. Если использовать в качестве зеркала серебро, то оно эф­фективно отражает приλ > 0,4 мкм. Такая система должна противо­стоять не только тепловому воздействию, но и лазерному облуче­нию с энергией до 200 000 кВт/м² (20 кВт/см²) [1].

При гиперзвуковом обтекании тела формируется ударная вол­на и кинетическая энергия набегающего потока переходит в теп­ловую энергию сжатого слоя. Может возникнуть мощное излучение плазмы – радиационный тепловой поток.

У поверхности образуется пограничный слой, являющийся источни­ком конвективного теплового и диффузионного химического воздей­ствия на материал оболочки тела. Имеет место и силовое воздействие.

П
Рис. 2 Схематическое изображение ТЗП на металле: 1- расплав; 2-прококсованный слой; 3- основное ТЗП; 4- теплоизолирующий подслой; 5- металл
роцессы тепло- и массо- переноса внутри ТЗП (рис. 2) оказывают большое влияние на весь ход взаимодействия га­зового потока с телом. Внут­ренние слои становятся источ­ником образования большин­ства химических соединений, вступающих затем во взаимо­действие с газовым потоком. Принципиальной особеннос­тью ТЗП является достаточно высокий перепад температур по их толщине (Т_w - Т₀), где Т_w – температура на поверхности, Т₀ – внутри однородного слоя. Второй особенностью работы теплозащитного покрытия являет­ся нестационарность внешних условий. Но если порцесс связать с под­вижной системой координат, то он становится квазистационарным (задача Стефана).

Модель прогрева:

- испарение влаги;

- разложение связующего с поглощением тепла, 570 К. Соот­ношение между газовыделением и пористым каркасом определяется коксовым числом, различные значения которого для смол приведе­ны выше. Следует заметить, что содержание углерода в фенолформальдегидной и эпоксидной смолах одинаково. Разное значение коксового числа свидетельствует о том, что процесс разрушения за­висит не только от содержания углерода, но и от структуры молеку­лы. Процесс разложения можно описать следующим выражением:

,

где W – масса образца; В – предэкспоненциальный множитель; Е – энергия активации реакции разложения; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; τ – время.

1.6. РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Температура в сжатом слое может доходить до 30000...40000 К. В зависимости от оптических свойств различают:

• 
  прозрачный газ, который только излучает, но не поглощает;
  
• 
  поглощающий газ, в объеме которого происходит как излуче­ние энергии, так и поглощение.
  

Лучистый поток в стенку обтекаемого тела



где Е_е = 4К_рТ_с⁴ - энергия, излучаемая единицей объема газа в единицу времени; σ – константа (постоянная Стефана-Больцмана); К_р – коэффи­циент поглощения, усредненный по Планку; δ – толщина ударного слоя.

При разрушении ТЗП в пограничный слой могут вдуваться сильнопоглощающие компоненты, такие как СО, СN, С и др.

Двухфазный поток, содержащий твердые или жидкие части­цы, размеры которых соизмеримы или больше длины волны излу­чения, в большинстве случаев не только поглощает и испускает энер­гию, но и рассеивает проходящее через поток излучение. Полу­прозрачные материалы нашли широкое применение в качестве тер­морегулирующих покрытий, внешних слоев солнечных батарей, ТЗП летательных аппаратов.

Композиционный теплозащитный материал – стеклопластик образует на поверхности тонкую пленку из полупрозрачного ком­понента покрытия. Оптические свойства зависят от температуры, наличия примесей, технологии изготовления, ионизирующего излу­чения. Вот почему лучше применять чистый кварц.

Скорость уноса массы плавленного кварца слагается из скоро­стей оплавления и поверхностного испарения. Стенка, обтекаемая газом, может быть катализатором реакции в ТЗП, в частности дис­социации. Константа скорости каталитической реакции вычисляет­ся по формуле



где – доля атомов, рекомбинирующих при соударении с поверх­ностью; т – молекулярная масса недиссоциированного газа; К_да — зависит от рода поверхности, атомов, соударяющихся с повер­хностью, ее химической чистоты и изменяется в широких пределах. Измеряется в см/с (м/с). Ниже приведены значения К_w для некото­рых подложек и газов: Сu - N₂ – 1000 м/с; Сu - Н₂ – 380 м/с; Сu - O₂ – 2200 м/с; W-N₂ – 6...6,6 м/с.

Процессы, протекающие в пограничном слое, очень сложны: диссоциация и рекомбинация, другие химические реакции, конвек­тивный и лучистый теплообмен, испарение с поверхности, эрозия и т. п. В двухфазных потоках процессы усложняются, что, например, имеет место в РДТТ.

Исходя из специфики встречающихся на практике ТЗП, целесообраз­но классифицировать механизмы их разрушения следующим образом:

- сублимация;

- термическое разложение;

- химическое взаимодействие с компонентами набегающего га­зового потока;

- химическое взаимодействие отдельных составляющих КМ друг с другом и с компонентами набегающего потока;

- оплавление;

- растрескивание и выкрашивание тугоплавких материалов.

В углепластиках химические свойства обоих компонентов близки. Кроме названных процессов учитывается нагрев (С_р), излу­чение (Т_w⁴)эффект вдува в поток с поверхности КМ. Эффект вдува может играть определяющую роль.

Рассмотрим отдельно (для примера) взаимодействие графита с компонентами набегающего потока. Реакция графита с воздухом является гетерогенной, т. е. соединение их происходит в твердой фазе, и нет необходимости в предварительной сублимации графита. Но кислород должен диффундировать через пограничный слой к по­верхности, а продукты реакции наоборот. Этот процесс формально

описывается с помощью закона Аррениуса:



Энергия активации Е изменяется от 33 до 250 кДж/моль. Порядок реакции п для пирографита чаще всего равен 0,5, Е = 190 кДж/моль.

Для технического графита В = 3∙10⁹ кг/(м²∙с∙ат^-0,5), для пирогра­фита В = 2∙10⁵. Первое значение считается характерным для «быст­рой» кинетики, второе – для «медленной».

По кинетике все ТЗП укладываются между этими двумя мате­риалами. При температуре Т_w > 3 300 К существенной становится сублимация. Тогда окисление происходит не на самой поверхности, а в пограничном слое, продукты испарения С, С₃ и т. п. Кислород- и азотсодержащие компоненты отнесены наружу. Полная скорость сублимации определяется суммой молекул С, С₃, С₄С₁₆, а скорость уноса – суммой продуктов взаимодействия углерода с компонента­ми газового потока и испарившегося углерода.

Разложение органического связующего в композиционных теп­лозащитных материалах или углепластиках приводит к образова­нию значительных масс газообразных продуктов с высоким содер­жанием углерода. По мере их фильтрации через пористый коксовый остаток часть углерода может выпасть в виде пиролитического нале­та на стенках пор, однако, при больших скоростях истечения газа, значительная часть этих продуктов попадает в пограничный слой с замороженным составом. Это нужно учитывать при расчетах.

Если рассматривать ТЗП на основе стеклоткани, фенолоформальдегидной смолы, то в пограничный слой могут поступать:

1. Летучие продукты разложения связующего (СО и Н₂).

2. Испарившиеся молекулы стекла – SiO₂.

3. Продукты горения кокса.

Тепломеханическое разрушение теплозащитного материала сложно, но все-таки в основном обусловлено действием тангенци­альных сжимающих напряжений, которые оцениваются как



где β – коэффициент термического расширения (КТР); Е – модуль уп­ругости материала; ∆Т – перепад температур в рассматриваемом слое.

Градиенты температур достигают 100... 1 000 К/мм в зависимос­ти от интенсивности теплообмена и теплопроводности материала. В «холодных» слоях появляются растягивающие напряжения. По мере достижения критических значений градиента температур про­исходит чисто механическое выкрашивание материала (эрозия). Осо­бенно это характерно для керамических материалов в высокотемпе­ратурных условиях. Кроме этих напряжений могут возникать и дру­гие за счет усадки, фильтрации газообразных продуктов, наличия трещин на поверхности и т.п.

Так же как и в газовом потоке, при воздействии частиц двух­фазного потока, поверхность материалов может разрушаться вслед­ствие нагревания, механического или химического взаимодействия. Считают, что разрушения, вызванные жидкими и твердыми частица­ми, сходны между собой. Обычно рассматривается отношение глу­бины проникновения частицы (R) к ее радиусу (r)



где v – скорость частицы.

Есть более сложные отношения и они учитывают плотность ча­стицы, механические характеристики поверхности и частицы. Если поверхность оплавляется или испаряется, то соотношения усложня­ются, так как падающие частицы могут взаимодействовать с унося­щимися частицами, с пристеночным слоем и т. п. Кроме того, возможно химическое взаимодействие частиц с продуктами субли­мации и расплава [2].