Сложным и вместе с тем очень важным является выявление механизма разрушения, т. е. установление определяющих элементарных физико-химических процессов, имеющих место при разрушении теплозащитного материала. На практике далеко не все вещества, обладающие высокими значениями теплоты испарения, могут быть использованы в качестве теплозащитных материалов. Поясним данные по эффективности использования теплоты испарения различных веществ при определенных условиях аэродинамического нагрева. Низкие значения эффективности у воды и металлов связаны с тем, что при плавлении они образуют пленку с очень низким значением вязкости расплава, которая практически мгновенно сдувается с поверхности набегающим потоком газа. Поэтому важно не только выбрать вещество с высоким тепловым эффектом испарения, но и разработать систему мер, обеспечивающих обязательную реализацию этого эффекта при разрушении поверхности.
Строго говоря, разрушающиеся теплозащитные системы являются комбинированными, поскольку они поглощают тепло и одновременно с этим блокируют падающий тепловой поток за счет вдува газа в пограничный слой (как это имеет место в массообменных способах охлаждения); кроме того, они излучают тепло с нагретой поверхности, как и в радиационном охлаждении. Важно только подчеркнуть, что сам принцип разрушающейся тепловой защиты немыслим без фазового или, в общем случае, физико-химического превращения, приводящего к переходу части материала в газообразное состояние. Общие требования к теплозащитным системам, базирующимся на физико-химических превращениях, можно сформулировать следующим образом. Теплозащитные материалы должны:
1) поглощать большое количество тепла при физико-химических превращениях;
2) иметь высокое значение объемной теплоемкости;
3) обладать хорошей прочностью при высоких температурах для обеспечения небольшого механического уноса массы;
4) по возможности иметь высокую температуру разрушающейся поверхности и большое значение степени черноты е;
5) образовывать при разрушении газообразные продукты с малой молекулярной массой для эффективного снижения конвективного теплового потока;
6) при образовании жидкой пленки ее вязкость должна быть значительной.
Кроме того, технология изготовления покрытия должна быть простой, покрытие должно быть дешевым и сохранять свои свойства при длительном хранении на воздухе.
Трудно найти материал, одновременно удовлетворяющий всем требованиям. Поэтому выбор производится в зависимости от конкретных условий. Разрушающиеся теплозащитные системы благодаря большому числу располагаемых материалов, в частности полимеров, практически не имеют ограничений ни по максимальному тепловому потоку, ни по суммар-24 ному подведенному теплу. Кроме того, в отличие от систем пористого охлаждения они обладают высокой степенью надежности, саморегулированием расхода вещества в зависимости от интенсивности теплообмена не требуют применения вспомогательных систем (насосов, трубопроводов, клапанов, распределителей и т. д.). Разрушающиеся теплозащитные материалы используются для защиты космических аппаратов, камер сгорания ракетных двигателей и т. д.
11 июля 2012
