ЛЕКЦИЯ № 14 ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ (продолжение) оплавляющихся покрытий
advertisement
ЛЕКЦИЯ № 14 ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ (продолжение) В качестве представляют оплавляющихся стекловидные покрытий вещества, наибольший которые не имеют интерес строго определенной температуры плавления. При повышении температуры эти вещества размягчаются, их вязкость постепенно уменьшается, что ведет к существенному перегреву пленки расплава относительно температуры начала размягчения покрытия. Перегрев пленки способствует увеличению энтальпии уносимого покрытия и ее частичному испарению; все это ведет к увеличению rэф . Стекловидные материалы имеют хорошие термоупругие харак- теристики, небольшую теплопроводность в жидком состоянии, большую вязкость и теплоту испарения (скрытой теплоты плавления эти материалы не имеют). В качестве разрушающихся теплозащитных материалов используются также полимеры (полиэтилен, тефлон и др.). Взаимодействие такого покрытия с горячим газовым потоком приводит к термической деструкции, представляющей собой совокупность химических реакций с поглощением теплоты и выделением газообразных продуктов разложения. Скорость разложения полимера определяется скоростью химических реакций, зависящей от температуры покрытия. Широкое применение в качестве теплозащитных покрытий нашли композиционные материалы, состоящие из тугоплавкого наполнителя органического Разложение связующего связующего и (например, кварцевое стекло и смола). сопровождается поглощением теплоты и выделением большого количества газообразных веществ. Защитный эффект может быть также основан на обугливании поверхностного слоя материала покрытия. Обугленный слой выполняет роль теплоизолятора, через который в пограничный слой горячего газа вдуваются газообразные продукты химические реакций, протекающих на внутренней стороне обугленного слег. Обугленный слой состоит в основном из углерода, который при низких давлениях может сублимировать. Таким образом, кроме теплоизолирующего эффекта самого слоя происходит уменьшение теплоподвода к поверхности вследствие вдувания газа в пограничный слой. При высокой температуре на поверхности покрытия может возникнуть процесс горения. При этом тепловые эффекты окислительных реакций уменьшают теплоту абляции, но при этом уменьшается теплоподвод от внешнего потока как за счет повышения температуры поверхности, так и за счет вдува продуктов сгорания в пограничный слой внешнего потока, а также увеличивается поток теплоты излучением с поверхности, что повышает эффективность работы покрытия. Тугоплавкие, оплавляющиеся, сублимирующие и газифицирующиеся покрытия находят широкое применение в ракетной технике для защиты наружных поверхностей ракет от разрушения при входе их в плотные слои атмосферы. Эти покрытия применяются также для защиты внутренних поверхностей ракетного двигателя твердого топлива. ПОРИСТОЕ, ЗАГРАДИТЕЛЬНОЕ И ПЛЕНОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ СИСТЕМА ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ При использовании системы пористого охлаждения омываемая горячим газом стенка выполняется из пористого материала; через нее в направлении горячего газа продавливается охладитель — газ или жидкость. При использовании газа в качестве охладителя охлаждение называют эффузионным ( эффузия - процесс течения газа через пористую стенку), а при использовании жидкости — конденсатным. Проходя через поры, газ-охладитель получает теплоту от стенки, а выйдя на поверхность, ухудшает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой. Таким образом, с одной стороны, затрудняются условия перехода теплоты от горячего газа к поверхности стенки, с другой — получаемая стенкой теплота выносится охладителем обратно в поток. Оба эти фактора ведут к снижению температуры стенки. При использовании жидкости в качестве охладителя возможны различные режимы охлаждения. Когда расход жидкости небольшой, она будет кипеть в порах, при этом только часть охлаждаемой поверхности покрыта пленкой жидкости, и охлаждение неустойчиво. При чрезмерно больших расходах охладителя часть жидкости уносится газовым потоком без испарения на поверхности. Большие, чем для газа, коэффициенты теплоотдачи между жидкостью и внутренней поверхностью пористой стенки (особенно, когда жидкость доведена до температуры кипения) способствуют сближению температуры стенки и температуры охладителя на выходе из нее. При конденсатном охлаждении часть подведенной к стенке теплоты поглощается в процессе испарения. Пористое охлаждение уменьшает сопротивление трения высо- котемпературного газового потока о стенку примерно в такой же мере, как уменьшается коэффициент теплоотдачи. Наиболее часто в системах пористого охлаждения используются газы, причем чем больше теплоемкость газа и меньше ee молярная масса, тем выше его защитные свойства. антикоррозионные Важную роль могут играть также качества охладителя. Так, аммиак, выполняя роль охладителя, одновременно связывает кислород, содержащийся в горячем газе, и предотвращает окисление поверхности теплообмена. При кратковременной работе системы пористого охлаждения в среде высокотемпературного газа охладитель, который при низких температурах находится в твердом состоянии, размещают непосредственно в порах стенки. После достижения высокой температуры охладитель плавится, а затем разлагается или испаряется; при этом охладитель отбирает теплоту от пористой стенки, а пары или продукты разложения уменьшают тепловой поток горячего газа к стенке. Такая система, например, может быть выполнена из пористого вольфрама с использованием в качеств охладителя цинка или других материалов. Связь температуры горячей поверхности пористой стенки с расходом охладителя gw [кг/(м2-с)] для стационарных условий определяется тепловым балансом При конденсатном охлаждении коэффициенты теплоотдача внутри стенки имеют большие значения, чем при эффузионном, поэтому температура охладителя может достичь температуры стенки еще до выхода его на поверхность. По расходу охладителя на каждый квадратный метр защищаемой поверхности пористое охлаждение более эффективно, чем конвективное (разомкнутая система), пленочное или заградительное. Но его применение ограничено сложностью изготовления пористых стенок. Кроме того, при эксплуатации такой системы необходимо принимать меры для очистки охладителя, чтобы избежать засорения пор. Пористое охлаждение можно использовать для защиты отдельных элементов Однако летательных аппаратов или жидкостных ракетных двигателей. делать камеру целиком из пористого материала нецелесообразно, так как устойчивую паровую завесу можно создать и с помощью пояса подачи жидкости на внутреннее охлаждение. Кроме того, крупным недостатком имеющихся пористых материалов является их малая прочность. Ввиду этого камеры двигателя пришлось бы делать толстыми и тяжелыми. Вторым недостатком пористых материалов является то, что при работе двигателя поры материала могут засоряться и поэтому очень трудно создать пористый материал с постоянным по времени гидравлическим сопротивлением на всей поверхности материала. СХЕМА ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В некоторых случаях на внутреннее охлаждение можно подавать воду или газ. Если на внутреннее охлаждение подается жидкость, то под воздействием сильных тепловых потоков она испаряется и над слоем жидкости создается защитный слой из паров жидкости. . Таким образом , получается как бы два защитных слоя, пара и жидкости. Поступающая жидкость под воздействием потока продуктов сгорания высокой скорости растекается по стенкам камеры очень тонким слоем. Ввиду испарения жидкости толщина парового слоя над жидкостью увеличивается по направлению движения потока и продуктов сгорания. Увеличение парового слоя происходит до участка, где жидкость испарится полностью. За этим участком происходит уже постепенное уменьшение толщины парового слоя ввиду перемешивания его с основным потоком, т.е. размывания паровой завесы. В результате совместного влияния этих двух факторов защитное действие жидкостного слоя мало по сравнению с защитным действием парового слоя, и можно считать, что основным защитным слоем является паровой слой. Схема пористого охлаждения
