Наиболее полно и наглядно задача сравнения многочисленных теплозащитных покрытий решается при квазистационарном разрушении, когда скорости перемещения всех изотерм или фронтов разрушении внутри материала совпадают со скоростью перемещения внешней поверхности. В этом случае тепло, затрачиваемое на нагрев внутренне слоев, не зависит от коэффициента теплопроводности материала, и определяется не температурным полем, а внутренняя теплосодержанием нагретого слоя. Таким образом, независимо от предыстории нагрева эффективность данного теплозащитного покрытия может быть охарактеризована аналогично формуле тепловым балансом на разрушающейся поверхности.
Видно, что в отличие от неразрушающихся теплозащитных покрытий подведенный извне конвективный тепловой поток (подведенный радиационный поток не учитывается) в данном случае расходуется не только на излучение нагретой поверхности и на увеличение теплосодержания материала, но и на поверхностные физико-химические превращения с расходом массы и тепловым эффектом. Кроме топ интенсивность теплообмена снижается за счет вдува газообразных продуктов разрушения в пограничный слой. Последний член в уравнении теплового баланса может был записан в представленном виде лишь при допущении квазистационарности процесса разрушения. При переменной тепловой нагрузке это допущение будет приводить к занижению тепловых потоков, идущих внутрь покрытия. Отметим также, что тепловой эффект вдува учитывается уравнением в линейном приближении. Если обозначить долю газообразных продуктов разрушения в общей унесенной массе вещества через простое значение, то из теплового баланса на разрушающейся поверхности можно получить некую характеристику энергоемкости разрушения в виде простой формулы.
Поскольку эффект имеет размерность энтальпии, она хотя и не является термодинамическим параметром, но получила название эффективной энтальпии разрушения данного теплозащитного материала. По ней можно судить о том, что не весь материал переходит в газообразное состояние, даже если на поверхности существуют условия, благоприятные для фазового перехода. Кроме того, эффективная энтальпия учитывает взаимодействие материала с внешней средой — эффект вдува, который, конечно, не может быть отнесен к термодинамическим характеристикам конденсированных веществ. Эффективная энтальпия определяет количество тепла, которое может быть «блокировано» при разрушении единицы массы покрытия, поверхность которого имеет температуру, в результате действия всех сопутствующих этому разрушению физико-химических процессов. Эффективная энтальпия является весьма наглядной характеристикой для сравнения различных теплозащитных материалов. Чем выше эффективная энтальпия, тем лучше теплозащитный материал.
11 июля 2012
