Снижение конвективного теплового потока при вдуве газообразных продуктов с разрушающейся поверхности является важнейшей принципиальной особенностью данного способа тепловой защиты, определяющей ее преимущества перед другими методами. Коэффициент у в линейной аппроксимации зависит от отношения молекулярных масс вдуваемых продуктов и набегающего газового потока, но прежде всего он является функцией режима течения в пограничном слое. В инженерной практике с учетом реального состава продуктов разрушения для ламинарного пограничного слоя принимают постоянное значение в 0,6, в турбулентном пограничном слое коэффициент вдува приблизительно втрое меньше, и его принимают равным 0,2.
Важно отметить, что тепловой эффект вдува возрастает по мере увеличения теплонапряженности внешнего обтекания (перепада энтальпий). При больших энтальпиях торможения (более 30 000 кДж/кг) вдув по своей эффективности превосходит все другие способы рассеяния и поглощения тепла на разрушающейся поверхности. Казалось бы, программа поиска оптимальных теплозащитных систем должна сводиться к термодинамическим расчетам различных рецептур и выбору материалов с максимально высокими температурой и теплотой сублимации или газификации. Однако в действительности при таком подходе приходится считаться с рядом серьезных ограничений, обусловленных специфическими особенностями воздействия аэродинамического потока высокотемпературного газа на материал. Обычно вводят два параметра, которые характеризуют степень реализации заложенных в материале «термодинамических» возможностей при заданных параметрах внешнего обтекания. Первый из них называется коэффициентом газификации. Рассмотрим, как изменяются его значения на примере стеклообразных теплозащитных материалов.
Большинство веществ при умеренных давлениях, прежде чем перейти в газообразное состояние, проходят фазу расплава. Сам процесс плавления в потоке высокотемпературного газа существенно зависит от того, является ли данное вещество кристаллическим или аморфным. На практике широко используются стеклообразные материалы, относящиеся к классу аморфных веществ. Они не имеют четко выраженной точки (температуры) плавления, а размягчаются постепенно, причем вязкость расплава экспоненциально убывает с ростом температуры. Это обстоятельство приводит к тому, что аморфные вещества могут значительно перегреться относительно температуры размягчения, при этом значительная часть расплава перейдет в пар (испарится). Иными словами, при аэродинамическом нагреве аморфных веществ вообще и стекол, в частности, в поверхностном слое имеют место сразу два фазовых превращения, причем каждое не связано с какой-то фиксированной температурой, а может протекать в широком температурном интервале в зависимости от заданных уровней динамической и тепловой нагрузок.
11 июля 2012
