Теплозащитные полимерные материалы, применяемые в авиационной и ракетной технике

Зона 4 - носовой обтекатель (RCC, Гравимол), передние кромки крыльев (RCC, Гравимол В, табл. 5.9). RCC (Reinforced Carbon/Carbon),УУКМ, силицированный газофазным осаждением SiC в поры.

Зона 5 - зазор между элементами системы аэродинамического управления ВКС (элевонные щели); абляционный материал (имидо- или феностеклосотопласты, ячейки заполнены композицией с 15% масс. стеклянных полых микросфер, 20% масс- дисперсные кварцовые волокна).

Теплозащитные материалы на конструкционные оболочки из алюминия приклеиваются через демпфирующий слой войлока из волокон Nomex, Фенилон (СВМ).

Положительный опыт использования переизлучающих теплозащитных материалов, очевидно будет использован при разработке теплозащиты ВКС второго поколении, например, пилотируемого исследовательского корабля CEV (Crew Exploration Vehicle, США, рис. 1.16) и возвращаемого аппарата «Клипер» (Россия, рис. 1.17).

Реально тела в каждом диапазоне длин волн л излучают лишь часть плотности потока I_л, а именно е_л·I_л, где Е_л - спектральная излучательная способность (степень черноты).



Рис. 1.15 Температурные зоны (1-5) и материалы переизлучающей многократной системы теплозащиты ВКС Spase Schuttle, Буран [24-28]:

	Температура	Давление	Площадь	Масса	Тип ТЗМ
Зона	поверхности, єС	торможения, кПа	поверхности, мІ	ТЗМ, кг	США/Россия
1	350-400	3,5-2,5	330	530	FRSI/ГТП
2	350-650	7-4	270	1100	LRSI,AFRSI/НКП
3	650-1250	3,5-2,1	480	5000	HRSI,FRCI/ВКП,ТЗМК-10,25
4	1250-1650	5,6-2,3	40	1400	RCC/Гравимол
5	1800	-	-	10	Абляционный материал

Значения спектральной степени черноты е_л и интегральной степени черноты е_t различны, что используется для терморегулирования, обеспечения требуемого температурного режима конструкций (ДОС, КА дальнего космоса, космические телескопы и др.), в особых типах теплоизоляций, например ЭВТИ (экранно-вакуумная теплоизоляция).

Различия в е_л и е_t легли в основу разработки селективных терморегулирующих покрытий:

- черно-белых (покрытия солнечных котлов, поглощение волн 0,2-2,5 мкм, в ИК - черные, в диапазоне УФ и видимом - белые);

- бело-черных (белые в диапазоне УФ и видимого света, черные - в ИК-диапазоне, терморегулирование КА);

- бело-черные-бело-черные (преобразование солнечной энергии л 0,4-1,2 мкм в электрическую; диапазон 0,4-1,2мкм - черная, поверхность, менее 0,4 мкм и более 1,2 мкм - белая, многослойные покрытия солнечных батарей [30,31].

4. Абляционная система теплозащиты- комбинированная система, обеспечивающая тепловой и температурный перепад между горячей рабочей средой и стенкой конструкции за счет поглощения тепла материалом, в котором происходят многочисленные эндотермические физико-химические фазовые и релаксационные процессы, процессы механического разрушения (расслаивание, растрескивание, выкрашивание) материала.

Абляция - саморегулирующийся процесс тепло- и массообмена между компонентами набегающего потока и компонентами материала, сопровождающийся разрушением материала.

Величина теплового потока, кДж/м2*сек

Продолжительность воздействия теплового потока, мин

Рис. 1.18 Области применения теплозащитных систем различных типов в зависимости от величины теплового потока и продолжительности его воздействия [32]:

1 - абляционная система, массообменные конвективные системы с эффектом вдува (пленочные, заградительное охлаждение, «самовыпотевание»);

2 - абляционная система; система, основанная на теплопоглощении (тепловой сток);

3 - конвективные системы с эффектом вдува; тепловой сток;

4 - переизлучающие (многоразовые) системы;

5 - тепловой сток

Теплозащитная система, основанная на использовании абляционных (жертвенных) материалов, среди которых важнейшими являются полимерные материалы различных составов и структур, является наиболее эффективной (как в весовом отношении, так и с точки зрения параметров набегающих потоков) для защиты одноразовых конструкций от воздействия высокоскоростных высокотемпературных набегающих потоков (рис. 5.18-1.20).

Рис. 1.19 Относительная весовая эффективность различных систем тепловой защиты в зависимости от продолжительности воздействия набегающего теплового потока [3].



Рис. 1.20 Области применения различных систем теплозащиты в зависимости от суммарного количества подведенного тепла Q_У и удельного теплового потока [3]

1.3 Абляция. Критерии эффективности абляционных ТЗМ

При контакте «горячей» конструкции с набегающим гиперзвуковым потоком, переход его кинетической энергии в тепловую приводит к нагреву конструкции. Равновесная термодинамическая температура незащищенной поверхности конструкции, как результат перехода кинетической энергии потока в тепловую достигает 6000-7000 К (без учета диссоциации), 30000 К (с учетом диссоциации). Температура поверхности защищенной ТЗМ, температура абляции Т_w определяется составом ТЗМ и непосредственно температурой, при которой реализуется наиболее энергоемкое физико-химическое превращение компонентов ТЗМ (температурой кипения кварца 2750⁰С при абляции кварцепластиков, температурой сублимации углерода из кокса и углеродных графитизированных волокон, >3000⁰С при абляции углепластиков, температурой деполимеризации полимеров - 200-450⁰С).

Тепло q₀ подводится к поверхности абляции при обтекании острого тела путем теплопроводности, конвекции и излучения, при обтекании затупленного тела - конвекцией и излучением (рис. 1.1). Доля тепла, передаваемого конструкции, определяется скоростью набегающего потока, его теплосодержанием.



H₀ - H_Tw

q₀ = Ї-------- ?б

H₀

Где H₀ - энтальпия набегающего потока

H_Tw - энтальпия ТЗМ при температуре абляции Т_w

б- коэффициент теплопередачи

Тепло, подводимое к поверхности ТЗМ, поглощается им, но распространяется по объему ТЗМ с малой скоростью вследствие низкой тепло- и температуропроводности полимерных ТЗМ (например, теплопроводность кварцепластиков в 10 раз ниже теплопроводности кварца и в 80 раз ниже теплопроводности стали). Тепло аккумулируется тонким поверхностны слоем (термический слой), в котором проходят различные (в зависимости от состава ТЗМ) физико-химические превращения компонентов ТЗМ (абляция).

Тепловой поток, поступающий к поверхности ТЗМ, поглощается, рассеивается и задерживается благодаря процессам тепло- и массопередачи с использованием механизмов теплопроводности (поглощение тепла за счет эффективной теплоемкости ТЗМ), конвекции (поглощение тепла на физико-химические и механические превращения компонентов ТЗМ с последующим вдувом летучих продуктов, образовавшихся в результате этих превращений, навстречу набегающему потоку, расширение сжатого слоя за счет эффекта вдува), переизлучения (с поверхности и из объема ТЗМ).

Абляция представляет собой саморегулирующийся процесс, в котором одномерный поток тепла, направленный к поверхности абляции, уравновешивается движением в противоположном направлении потока тепла и массы, количественно определяемого теплоемкостью ТЗМ; теплом, поглощенным фазовыми превращениями (плавление, кипение, сублимация и др.) и химическими реакциями (деструкция, пиролиз и др.); теплом, уносимым парогазовыми продуктами этих превращений; теплом, рассеиваемым переизлучением ТЗМ.

Начальная стадия абляции связана с поглощением ТЗМ тепловой энергии, когда скорость подвода тепла к поверхности ТЗМ превышает скорость его отвода (нестационарная абляция). При постоянно продолжающемся подводе тепла к поверхности ТЗМ через время ф = а(1/V_a)², где а - температуропроводность, V_a - линейная скорость абляции, по толщине ТЗМ значения V_a,градиента температур принимают постоянные значения (квазистационарная абляция) и абляционные свойства ТЗМ определяются температурой Т_w абляции (зависит от состава ТЗМ), удельной эффективной теплотой (энтальпией) абляции Н_эфф., линейной или массовой скоростью абляции V_a, теплофизическими параметрами (а, л, б, с_р).

При абляции тепловой поток q₀, поступающий из окружающей конструкции высокотемпературной высокоэнтальпийной среды поглощается, рассеивается и экранируется благодаря

1) теплопроводности в объем ТЗМ с поглощением тепла за счет эффективной теплоемкости q_т;

2) расходу тепла на физико-химические (и механические - расслаивание, выкрашивание и т.п.), фазовые, релаксационные превращения компонентов ТЗМ, q_фх.

3) поглощению тепла продуктами физико-химических превращений компонентов ТЗМ, парами и газами, движущимися навстречу набегающему потоку, расширяющими сжатый слой, осуществляющие конвективный теплообмен благодаря эффекту вдува q_вд;

4) переизлучению с поверхности и из объема ТЗМ, q_изл. (рис. 5.21, 5.22).

В начальный период нагрева, ТЗМ проявляет себя исключительно как поглотитель тепла, когда энергия, подведенная к поверхности, отводится внутрь ТЗМ и поглощается им за счет теплоемкости. Распространение тепла от поверхности в объем ТЗМ приводит к повышению температуры в поверхностном термическом слое, толщина которого



дт = л/с_р• V_a

л - теплопроводность ТЗМ,

с_р - теплоемкость ТЗМ,

V_a - массовая скорость абляции) мала (низкие значения л, высокие значения с_р для полимерных материалов).

После разрушения термического слоя в результате комбинированного воздействия термических, химических и механических факторов, фронт абляции движется в направлении к защищаемой конструкции с определенной скоростью (V_a, линейная, мм/с или массовая г/с, скорость абляции), которая зависит от состава ТЗМ и параметров набегающего потока и определяет длительность эксплуатации теплозащитной абляционной системы.

Количество тепла, поглощаемое ТЗМ за счет механизма теплопроводности, мало и составляет

q_т = mc_p(T_w - T)

где Т- температура ненагретого материала

Так как с_р (T_w - T) = H_Tw - энтальпия (теплосодержание) ТЗМ при температуре абляции T_w, то q₀ = mH_Tw.

Аккумулирование тепла в тонком термическом слое позволяет реализовать при абляции более эффективные способы блокирования тепловых потоков, использующие механизмы конвекции и переизлучения.

Тепловой энергии, адсорбированной термическим слоем, становится достаточно для прохождения многочисленных энергоемких эндотермических физико-химических превращений компонентов ТЗМ. Каждый из процессов характеризуется определенными затратами тепла q_фх (теплота плавления, кипения, сублимации и т.д.), которые не являются постоянными величинами. Они изменяются в зависимости от условий абляции, состава и структуры ТЗМ. По крайней мере, два процесса снижают эффективность абляции полимерных ТЗМ:

1) экзотермические процессы газофазного и твердофазного горения ТЗМ при абляции с выделением тепла на поверхности или в пограничном слое;

2) механический унос части ТЗМ ц под действием давления и сдвиговых напряжений (расслоение, растрескивание, выкрашивание и т.д.) без фазовых изменений или химических реакций.

Количество тепла, поглощаемое ТЗМ на физико-химические превращения

q_фх = цmQ_фх

где: ц - доля массы m ТЗМ, в которой произошли физико-химические превращения с тепловыми затратами, равными Q_фх (в зависимости от состава и структуры ТЗМ ц = 0.6-1.0, условно для сублимирующихся ТЗМ; расчетного аппарата для учета

Рис. 1.25 Космический аппарат в плотных слоях земной атмосферы (А) и схема абляционного разрушения ТЗМ (Б):

0 - невозмущенный поток;

1,2 - сжатый слой;

2 - пограничный слой;

3 - аблирующий (термический) слой ТЗМ;

4 - деструктирующий сослой (длина волокон наполнителя в ТЗМ определяет связь с исходным ТЗМ, обеспечивая прохождение эндотермических процессов).

Температуры: Т_п - набегающего потока;

Т_max(00) - заторможенного слоя;

Т_w - поверхности ТЗМ;

Т_с - обратной стороны ТЗ.

Тепловые потоки:

q_изл^пов - излучение с поверхности ТЗМ;

q_вд - тепло, уносимое из ТЗМ продуктами вдува;

q _изл^{пр.вдува} - излучение нагретых газообразных продуктов вдува.

Рис. 1.22 Процессы, определяющие теплообмен и тепловой баланс при взаимодействии абляционных полимерных материалов с высокоскоростными высокотемпературными набегающими потоками [1, 9, 11, 33]:

1 - термический слой (толщина д_т определяет минимальную длину волокон в ПКМ, обеспечивающих упругопрочностные свойства до температуры абляции Т_w; после прохождения в зависимости от состава ТЗМ физико-химических превращений компонентов ТЗМ перемещается внутрь теплозащиты с линейной (массовой) скоростью абляции V_а;

2 - зона деструкции органических компонентов, выделение газообразных продуктов с последующим их вдувом навстречу набегающему потоку после нагрева ТЗМ за счет теплопроводности q_т;

3 - исходный ТЗМ (в идеале уносимый со скоростью V_а с поверхности слоя теплоизоляции или конструкционного, слой 4, ко времени t_раб, в течении которого конструкция подвергается воздействию набегающего потока.

Механических факторов, приводящих к уносу массы ТЗМ без физико-химических эндотермических превращений компонентов ТЗМ, не предложено).

Газообразные продукты, образующиеся в процессе абляции ТЗМ, диффундируют через высокотемпературный объем аблирующего ТЗМ, адсорбируют тепло, вдуваются в горячий пограничный слой, расширяя его, уменьшая его энтальпию и температуру (эффект вдува).

Количество тепла, поступающего в пограничный слой

q_вд = цmвДi

где Дi = i₀ - i_w;

в - коэффициент вдува, в = N(MM_в/ММ_п)^б

N - показатель (коэффициент) газовыделения (газификации)

MM_в - молекулярная масса воздуха

ММ_п - молекулярная масса паров

б - коэффициент (показатель) газовыделения (газификации).

Для расширения пограничного слоя более эффективен ламинарный режим вдува, когда конвективный теплообмен между горячими компонентами пограничного слоя с теплосодержанием i₀ и относительно холодными вдуваемыми парами проходит без их перемешивания.

В условиях внешнего обтекания коэффициент вдува для ламинарного пограничного слоя

в_л = N(29/ММ_пар)^б

Где N - коэффициент газификации, равный 0,67 ? N ? 0,72

б - показатель газификации, равный 0,25 ? б ? 0,4

ММ_пар - молекулярная масса вдуваемых паров

Когда ММ_пар близок к молекулярной массе воздуха, равной 29, для турбулентного пограничного слоя в_т ? 0.33 в_л [33].

Определенная часть тепла, поступающая к абляционному ТЗМ, может им переизлучаться. Количество тепла, переизлучаемого с поверхности и из объема аблирующего ТЗМ, q_изл зависит от температуры, отражательной способности, геометрии защищаемой конструкции, параметров среды.

q_изл = уеT_w⁴

где у - константа Стефана-Больцмана

е - излучательная способность (степень черноты, е = 0-1)

T_w - температура поверхности

Энергия, рассеиваемая переизлучением, определяется свойствами структур, образующихся при абляции (кокс, прозрачность расплавов силикатов, сохраняющихся на поверхности абляции, соответственно, до температур сублимации, кипения, наличие «окон» прозрачности в сжатом слое).

Процесс абляции представляет собой направленный одномерный поток тепла q₀ к поверхности абляции, который уравновешивается движением тепла и массы m в противоположном направлении

q₀ = q_т + q_фх + q_вд + q_изл = mH_Tw + цmQ_фх + цmвДi + уе T_w⁴

Взаимосвязь между скоростью потери массы и тепловым потоком характеризует эффективная теплота абляции (формула Адамса) [33].



H_Tw + ц(Q_фх + вДi)

H_эфф = q₀/m = ----------------

уе T_w⁴

Для многокомпонентных композиций с i - компонентами [2]

Tw уе T_w⁴

H_эфф = q₀/m = [У_i ? c_pi dT + ц(Q_фх + вДi)] / (1 Ї ------)

_To q₀

Где: q_o - поверхностная плотность теплового потока, поступающего к ТЗМ до начала абляции при температуре поверхности T_w; тепловая энергия набегающего газового высокоскоростного потока как результат перехода его кинетической энергии в тепловую в точке торможения;

m - масса ТЗМ, разрушенного и унесенного с поверхности в результате абляции; массовая скорость уноса массы ТЗМ при стационарной абляции при воздействии теплового потока q_o.

с_р - удельная теплоемкость ТЗМ при постоянном давлении (для каждого i-компонента изменяется в интервале температур от начальной Т_о до температуры абляции Т_w, зависит от состава ТЗМ, компоненты которого подвергаются при абляции многочисленным физико-химическим превращениям).

ц - часть массы ТЗМ, в которой проходят физико-химические превращения компонентов при поглощении тепловой энергии набегающего потока (1 - ц - часть ТЗМ, в которой не проходят эндотермические физико-химические превращения компонентов, разрушающиеся за счет расслоения, растрескивания и др.)

T_w - температура поверхности ТЗМ при абляции при воздействии теплового потока q_o (зависит от состава ТЗМ, определяется температурой наиболее энергоемкого превращения - кипения, сублимации).

Q_фх - удельная теплота фазовых и релаксационных переходов в компонентах ТЗМ; затраты тепла на плавление, кипение, сублимацию, пиролиз, химические процессы взаимодействия компонентов ТЗМ, образовавшихся при абляции; дегидратация; эндотермические переходы кристалл-кристалл и др.)

в - коэффициент вдува; количество ТЗМ, образующего при абляции газообразные продукты, осуществляющие эффект вдува, расширяющие сжатый слой, снижающие интенсивность теплообмена зависит от молекулярной массы «вдуваемых» продуктов и газодинамических параметров потоков, их ламинарности или турбулентности.

Дi = i_o - i_w, величина, характеризующая разность теплосодержания, удельной энтальпии продуктов набегающего потока i_о и продуктов вдува, образующихся при абляции ТЗМ, i_w.

q_изл - поверхностная плотность теплового потока, излучаемого ТЗМ; q_изл = уе T_w⁴, где у - константа Стефана-Больцмана, е - излучательная способность (степень черноты) аблирующего ТЗМ.

Эффективность абляционных ТЗМ оценивают следующими критериями:

1) Эффективная энтальпия процесса абляции - количество тепла, при поглощении которого в реальных условиях работы ТЗМ разрушается, превращается в другие вещества и удаляется с защищаемой поверхности единица массы (кг) ТЗМ.

_{T2 T2.}

H_эфф = У ? q_(ф) dф / У ? mм_(ф) dф

i ^{T1 i T1}

где числитель - подведенное тепло,

знаменатель - унесенная масса ТЗМ

Величина q (подведенное тепло, интеграл от теплового потока в интервале от ф₁ и ф₂) и mм (унесенная масса, скорость разрушения ТЗМ) изменяются в процессе эксплуатации (при внешнем обтекании зависят от точки на траектории). Управление значениями q и mм позволяют создать так называемую программированную теплозащиту с максимальным весовым совершенством (каждый слой ТЗМ под конкретный тепловой поток).

2) Термохимическая теплота абляции. Критерий не зависит от скорости нагрева и эффектов излучения

Н^/_эфф = Н_Tw + ц(Q_фх + вДi)

3) абляции V_a,линейный унос, мм/с; массовый унос мг/с.

4) Безразмерный параметр скорости уноса массы (часто используется для оценки эффективности теплозащитных углепластиков)

G = с V_a c_p/б ? 1/ H_эфф (при б = q_o - бе T_w⁴)

б/c_p - коэффициент теплообмена

5) Защитный индекс - минимальная толщина (или масса) материала, необходимая для сохранения заданной температуры на тыльной стороне слоя материала в конце периода нагревания, или время достижения допустимой температуры на тыльной стороне слоя материала (характеризует время в секундах в течении которого температура на обратной по отношению к набегающему потоку стороне слоя достигает уровня, определяющего термоустойчивость конструкционного материала материала: 150⁰С - сплавы алюминия; 300⁰С - полиимидные углепластики).

6) Параметр эффективности внутренней теплозащиты L (для оценки материалов РДТТ, некоторых типов ЖРД с абляционной системой ТЗ, критерии Н_эфф и G обычно не используются)

L = 1/V_aс

Где V_a - линейная скорость абляции

с - плотность ТЗМ

7) Эффективная теплоемкость и весовое совершенство теплозащиты

Учитывая необходимость доставки конструкции с теплозащитой (масса ТЗМ ВКС 7,2-8 т, масса ТЗ асботекстолитов СКА первого поколения до 2 т, увеличение Н_эфф на 100 кДж/кг снижает массу ТЗ на 3-5%), реализуемой только на пассивном участке траектории, на орбиту с требуемыми параметрами, необходимость обеспечения работоспособности ракетоносителей на активном участке траектории, важнейшей задачей является разработка теплозащиты высокого весового совершенства. Эффективны ТЗМ с низкой T_w и высокой теплоемкостью с_р.

При низких температурах поверхности абляции T_w уменьшается толщина и масса теплоизоляции, но сравнительно низкие значения с_р требуют увеличения массы теплозащиты. При высоких значениях T_w необходимо увеличивать толщину и массу теплоизоляции и использовать материалы повышенной плотности с высокой теплоемкостью. В реальных условиях предпочтительна легкая теплозащита, T_w поверхности которой определяется составом и условиями нагрева и легкие теплоизоляционные материалы с высокими теплофизическими свойствами.

Способность ТЗМ локализовывать тепловую энергию набегающего потока в тонком поверхностном слое (термический слой д_т) с последующим перемещением его в течении времени ф, определяет толщину слоя ТЗМ

д_тзм = q_oф / сН_эфф

где q_o - скорость нагрева «холодной» стенки, характеристика набегающего потока, нагревающего конструкцию в течении времени ф, разрушающегося при абляции за время ф.

Толщина неразрушающегося слоя ТИМ



д_тим = Q / c_p ДTс, обеспечивающего теплоизоляцию,

где: Q - количество тепла, аккумулированное материалом к концу периода нагрева, отнесенное к единице поверхности;

с - плотность материала;

ДТ - допустимое повышение температуры на тыльной, обратной по отношению к потоку, стороне слоя ТИМ. В качестве ТИМ эффективны материалы с низкими показателями а, л и высокими с_р - газонаполненные полимерные материалы, сото- и сферопласты, эласты.

Масса абляционного слоя m_абл определяется в значительно степени величиной Н_эфф

m_абл = q_oф / Н_эфф

Количество m_ти, дополнительного к материалу абляционной теплозащитной системы, необходимого для создания теплового и температурного перепада между аблирующим и конструкционным слоем, обеспечения определенных упруго-прочностных показателей, надежности, коэффициента запаса, рассчитывают исходя из эффективных теплофизических свойств материалов ТЗ системы и используя опыт эксплуатации «горячих» конструкций (m_ти дополнительная к m_абл составляет для экспозиции в течении 20 с 40%, 25 с - 25%, 120-300 с - 20%) [1].

Для решения проблемы весового совершенства теплозащитной системы используют многослойные конструкции со слоями из легких материалов с оптимальными абляционными и теплоизоляционными свойствами

д_тзс = д_тз + д_ти,

характеризуя их критерием эффективной теплоемкости Q_эфф [1,9]. Для максимально допустимой температуры на тыльной стороне защитных слоев

Q_эфф = q_o / сд_тз + сд_ти, где:

q_o - суммарный тепловой поток к «холодной» стенке;

с - плотность материалов;

д_тз - толщина теплозащитных (абляционных) слоев;

д_ти - толщина теплоизоляционных слоев.

Критерий позволяет сравнивать массы теплозащитных систем различных типов.

Конструирование теплозащиты из абляционных ТЗМ требует учета большого количества различных параметров. Выбор конструкции теплозащитных слоев учитывает назначение ТЗ покрытия и функции, которое оно должно выполнять, а выбор типа ТЗМ определяется требуемым уровнем абляционных, теплофизических, конструкционных свойств. В предварительно отобраны ТЗМ определяются параметры, необходимые для дальнейшего конструирования и отбрасываются те композиции, которые не удовлетворяют эксплуатационным, технологическим, экономическим требованиям. Свойства ТЗМ оптимального состава используют для предварительного расчета толщины и массы абляционного слоя [2, 3, 7, 34, 35].

Расчет тепловых и химических составляющих процесса абляции многокомпонентных систем, изменяющих в процессе абляции свой состав и характеристики, с использованием представлений статистической термодинамики неравновесных процессов сложен, требует проведения корректировок с использованием экспериментальных данных.

Для отбора материалов и оценки их поведения при воздействии высокотемпературной среды используют газовые, плазменные горелки, стендовые реактивные двигатели, сверхзвуковые аэродинамические трубы с электродуговым обогревом (плазмотроны), гиперзвуковые тележки (рис.1.23, 1.24)

Рис. 1.23 Принципиальные схемы установок для испытаний теплозащитных материалов в потоке нагретого газа [3]:

а - испытания в дозвуковой свободно расширяющейся струе;

б - разрушение образца в сверхзвуковой свободно истекающей струе;

в - испытания в дозвуковом потоке закрытого типа;

г - аэродинамическая труба с электродуговым нагревом газа;

д - испытания образцов в щелевых каналах (сопле-кожухе);

е - испытание крупных моделей с поджатием горячего газа к поверхности образца холодным потоком;

ж - испытание конических моделей с охлаждаемым носиком;

з - испытания образцов в условиях радиационно-конвективного нагрева;

и - испытания образца в виде цилиндрического канала;

к - испытания модели в виде профилированного канала;

л - формы торцов образцов после испытаний;

1 - сопло; 2 - исследуемый образец; 3,4 - следящая кинокамера; 5,6 - пирометры для измерения яркостной и цветовой температуры; 7 - защитный кожух; 8 - термопары; 9 - ударная волна; 10 - охлаждаемый или разрушающийся защитный конус; 11 - кожух; 12 - вывод к вакуумным насосам; 13 - «газовый» кожух; 14 - эллиптическое зеркало; 15 - эллипсоид; 16 - конус с полусферическим затуплением; 17 - плоская поверхность с закругленной фаской; 18 - цилиндрическая поверхность со сферическим сегментом; 19 - форма торца при разрушении в турбулентном пограничном слое.

Рис. 1.24 Схемы электродуговых подогревателей газа [3]:

А - свободно горящая дуга;

Б - подогреватель со стержневым электродом и полым охлаждаемым анодом;

В - электродуговой подогреватель линейного типа с вихревой стабилизацией дуги;

Г - подогреватель с защитой катода инертным газом

Д - подогреватель с сенкционированными межэлектродными нейтральными вставками

Е - подогреватель, с боковым выходом струи, работающий без примесей продуктов разрушения электродов;

Ж - электродуговой подогреватель на переменном токе с тремя электродами;

З - коаксиальный плазмотрон высокого давления;

1 - катод; 2 - анод; 3 - вход рабочего газа; 4 - дуга; 5- струя; 6 - электрически нейтральная вставка; 7 - дополнительный подвод инертного газа; 8 - межэлектродная вставка; 9 - магнитная катушка.

Плазмотроны (сверхзвуковые аэродинамические трубы с электродуговым обогревом, ЭДУ) позволяют создавать тепловые потоки мощностью от 100 кВт до 10 МВт с теплосодержанием = 4000-200000 кДж/кг, что даёт возможность проводить испытания ТЗМ в условиях, имитирующих тепловые нагрузки при работе ракетных двигателей, при внешнем обтекании на активном участке траектории (до 1200 кВт/, - 500-1200°C), при баллистическом спуске ГЧ, СА (суммарный тепловой поток 200-400 МВm/м² в течение 2-10 мин), при полубаллистическом спуске с использованием аэродинамического качества (до 1000 в течение 15-20 мин), при планирующей траектории (до 25000 в течение 30 мин). При проведении экспериментов на плазматроне (рис. 1.23, схема «а») получают зависимости от теплосодержания набегающего потока, т.е. Н_эфф=f(?i), рассчитывая величины , используя данные эксперимента

, кДж/кг

Величины подводимых к образцу и регулируемых тепловых рассчитывают, используя параметры плазмотрона, чаще определяют калометрически, используя высокотемпературные калориметры с массообменным охлаждением (графитовая конструкция с охлаждаемыми стенками).

Определяют плотность с ТЗМ, температуру поверхности (по яркостному свечению), скорость движения фронта абляции (скоростная киносъёмка), излучательную способность е.

Для оценки при абляции важен показатель интегральной излучательной способности (для систем обнаружения, наведения в ИК-диапазоне используют значения спектральной излучательной способности).

определяют радиационным методом, проводя сравнительные измерения радиационным пирометром (содержит чувствительный к лучистой энергии приёмник -- болометр, последовательно соединённые термопары, градуированные по ЭДС, с помощью которого определяют температуру излучающего объекта) лучистой энергии, испускаемой исследуемым образцом ТЗМ и материалом с известным значением :

Где Т₀ - температурамодели, измеряемая радиационным пирометром;

Т - истинная температура исследуемого образца ТЗМ, измеряемая оптическим пирометром.

зависит от перепада энтальпий Дi, причём участок «А», отсекаемый от оси ординат характеризует количество тепла, необходимое для разрушения ТЗМ (теплосодержание ТЗМ), а угол наклона б определяет вклад в эффекта вдува (рис. 5.25).

Н_эфф=А+б?i

где б=0,5-0,75 для ламинарного потока

б=0,2-0,3 для урбулетного потока

Биноминальные зависимости Н_эфф= f(?i) конкретных ТЗМ приводятся в справочниках, а их анализ показывает, что практически не существует предела для теповых нагрузок, при которых эффективно использование полимерных абляционных ТЗМ. Так, при росте Дi с 500 до 2200 кДж/кгвозрастает в 3 раза (абляция фенольного кварцепластика, рис 1.25, 4).

После определения абляционных характеристик в испытательных устройствах проводят отбор конкретных теплозащитных композиций и некоторые предварительные расчёты с использованием критериев теплопроводности БиО (Bi = б?д/ л), Фурье (Fo = a?ф/), параметра b = 3Bi/3 + Bi [3,34,35].

При предэскизном проектировании массу ТЗМ определяют по формуле m_тзм=с_тзмS_aS_абл, используя значения линейной скорости абляции (например, для фенольного стеклотектолита на основе кремнеземных волокон при ). Толщина д абляционного слоя (Н_эфф=27,9 МДж/кг) из фенольного (связующее ФН) стеклотекстолита (70% об. КТ-11 с1430 кг/м3) при воздействии теплового потока в течение 30 с составляет

Рис. 1.25Зависимость эффективной теплоты абляции полимерных ТЗМ от условий нагрева (Дi -- разность теплосодержания компонентов потока и вдуваемых паров (i_w) [33]:

1 - фторпласт -- 4, тефлон(C₂F₄)_n; турбулентный поток;

2 - тоже, ламинарный поток без горения;

3 -- тоже, с горением;

4 - фенольный (30% об.) кварцепластик, турбулентный поток.

Из отобранных ТЗМ после определения комплексных характеристик (конструкционных, тепло-, электрофизических) изготавливают маломасштабные модели, которые испытывают в условиях, моделирующих реальные условия эксплуатации и используя данные испытаний, вносят изменения. Серийные изделия производят после изготовления и испытания с положительными результатами натурных образцов [1].

На эксплуатационные свойства абляционных полимерных ТЗМ оказывают влияние тепловые, механические и химические факторы, сопровождающие процесс взаимодействия гиперзвуковых высокотемпературных потоков с ТЗМ. Численные значения параметров этих потоков изменяются в широких пределах в зависимости от областей применения защищаемых ТЗМ изделий (различные узлы РДТТ, головные, боковые, задние поверхности гиперзвуковых ЛА).

К тепловым факторам относят способ теплопередачи, тип теплового воздействия, скорость нагрева, суммарная тепловая нагрузка, продолжительность воздействия нагрева, теплосодержание набегающего потока. Если передача тепла к конструкции использует механизм конвекции, то эффективен способ ТЗ, обеспечивающий массопередачу в противоположном направлении, при использовании ТЗМ, образующих при абляции большой объём низкомолекулярных паров и газов (эффект вдува). Если тепло подводится и за счёт излучения набегающего заторможенного потока, то эффективны ТЗМ, сохраняющиеся на защищаемой поверхности до высоких температур и переизлучающие тепло (газообразные продукты абляции фенольных материалов не мешают переизлучению фенольного кокса), тогда как отражение излучающего потока за счет эффекта вдува практически не даёт результата (большинство продуктов вдува прозрачны для излучения).

Противодействие импульсным тепловым воздействиям оказывают многокомпонентные ТЗМ. При низких скоростях нагрева используют используют низкотемпературные сублимирующиеся ТЗМ, обеспечивающие низкие , малое количество поступающего внутрь тепла благодаря хорошим теплофизическим свойствам и малой плотности. При высоких скоростях нагрева из-за высоких линейной и массовой скоростей абляции сублимирующихся ТЗМ используют ТЗМ с высокими абляционными свойствами.

Суммарный тепловой поток, продолжительность его воздействия определяют количество материала, необходимого для тепловой защиты конструкции.

Эффективность абляционных полимерных ТЗМ возрастают с увеличением энтальпии набегающего заторможенного потока и по этому параметру абляционная система теплозащиты не имеет ограничений (рис. 1.25).

Механическое воздействие набегающего потока приводит к уносу части ТЗМ без эндотермических физикохимических превращений. Эта часть аблирующего ТЗМ поддаётся математическому описанию только качественно, через определяемый экспериментально коэффициент ц (см. формулу Адамса); расчётные методы теплофизиков [3,4,7,34,35] требуют корректировок более значительных, чем при расчётах конструкций с использованием математического аппарата классического сопромата для упругих материалов и модифицированного сопромата для вязкоупругих материалов ПКМ, ВПКМ,

С увеличением давления Р набегающего потока уменьшается, прежде всего, из-за уноса ТЗМ (растрескивание, расслаивание, выкрашивание) без физикохимических превращений, повышается (для политетрафторэтилена ~ ), а движение потока приводит к появлению сдвиговых напряжений. Напряжения сдвига сдувают расплавы с поверхности абляции, вызывают эрозию поверхности твердыми частицами, разрушение карбонизованного слоя (кокса, особенно, в сопловых блоках РДТТ). К механическим факторам относятся вибрационные и инерционнные силы. Последние изменяют движение расплавов при ускорении и замедлении полёта носовых конусов ракет, что изменяет их геометрию, радиус затупления (определяющий подвод тепла по механизму конвективного теплообмена) [36].

Химические факторы определяются высокой реакционной способностью набегающего потока, проявляющейся при его взаиможействии с полимерными аблирующими ТЗМ. Химически активные компоненты набегающего потока (диссоциированные, ионизированные, окисляющие компоненты плазмы диффундируют к поверхности абляции, рекомбинируют с выделением больших количеств тепловой энергии), попадая на поверхность абляции, инициируют экзотермические химические реакции (газо- и твердофазное горение, в определённых условиях основная причина разрушения и уноса ТЗМ), увеличивают скорость нагрева (дополнительный подвод тепла), ускоряют унос ТЗМ, снижают его эффективность. С учётом горения [33]

где - теплота сгорания на единицу массы кислорода.

Скорость абляции фенольного органотекстолита (ткань из алифатического полиамида Nylon, типа ПА6) при воздействии воздушной плазмы в 10 раз выше, кислородный плазмы -- в 25 раз выше, скорости абляции при действии неокисляющей плазмы [33].

Когда поверхность аблирующего ТЗМ защищена сплошной плёнкой расплава оксида (абляция ТЗМ с кремнеземными и, особенно, кварцевыми наполнителями, в меньшей степени, смеси оксидов в расплаве асбеста), являющейся каталитически неактивной по отношению к рекомбинациям окисляющих компонентов, присутствие кислорода в набегающем потоке незначительно снижает .

Отсутствие защитной оксидной плёнки на поверхности аблирующего углепластика, несмотря на большую эффективность процесса сублимации углерода по сравнению с кипением оксида кремния, в реальных условиях эксплуатации снижает эффективность углепластиков (параметр уноса G для углепластиков 0,2-0,3, для кварцепластиков 0,5-0,55).

Большой ассортимент абляционных полимерных ТЗМ с широкими интервалами значений(табл. 1.10) позволяет обеспечить работоспособность одноразовых ракетно-космических конструкций различного назначения.

Таблица 1.10

Значения эффективной энтальпии материалов, используемых для тепловой защиты некоторых ракетно-космических конструкций [10].

Значения , МДж/кг (типы материалов)	Типы защищаемых конструкций
0, 2-4 (наполненные эластомеры); 1, 4-9 (некоторые типы стеклопластиков, асбопластиков, органопластиков, наполненные термопласты)	Внутренняя теплозащита стенок корпуса РДТТ, наружная теплозащита диафрагм, экранов, ферм и других элементов конструкции
6-32 (фенольные, полиимидные, кремнийорганические абляторы с кремнеземными, кварцевыми, углеродными и графитизированными волокнами) 0, 25-5 (ненаполненные термопласты, сублимирующие без коксообразования; ТТСП) 40-90 (комбинированные многослойные и модифицированные абляторы)	Наружная теплозащита стенок корпуса ГЧ и СА, входящих в плотные слои атмосферы Земли, стенок камер сгорания ЖРД небольшой тяги
25-70 (углерод-углеродный композиционный материал); 1-7 (пористый кварцеволоконный керамический композиционный материал)	Переизлучающая теплозащита ВКС (для сравнения) (см рис. 5.15)
0,33-0,65 (алюминиевые сплавы) 0,7-0,86 (стали, титановые сплавы)	Стенки конструкции без ТЗ и ТИ (для сравнения)



1.4 Типы полимерных абляционных теплозащитных материалов

Теплозащитные материалы всех типов предназначены для создания теплового и температурного перепада между горячей рабочей средой и стенками конструкций. Но если составы ТЗМ общего назначения предназначены для отражения набегающих тепловых потоков, то ТЗМ специального назначения выполняют ещё ряд задач (радиопрозрачные -- обеспечение связи и управления, радиопоглощающие -- для имитации свободного пространства, ударопрочные, радиационно экранирующие -- противодействие факторам ядерного взрыва).

ТЗМ всех типов -- это многокомпонентные материалы, при нагреве которых на их поверхности и в объёме проходят многочисленные энергоёмкие превращения.

Классифицировать ТЗМ целесообразно в зависимости от процессов, определяющих механизм абляции, физический смысл которых фиксируется различными вариантами формулы Адамса.

1.4.1 Сублимирующиеся ТЗМ

Для ТЗМ, аблирующих с переходом твёрдого материала в пар, газ, минуя образование жидких фаз, с определённой температурой такого перехода (с температурой сублимации) эффективная теплота абляции

Параметр газификации ц в этом случае принимается равным единице. В реальных условиях эксплуатации всё же имеет место быстрое испарение жидких фаз («сублимирующиеся» ТЗМ на основе эпоксидных смол кипят) и механический унос части ТЗМ.

В зависимости от уровня тепловых нагрузок, передаваемых набегающим потоком, абляционные теплозащитные материалы, основным процессом при абляции которых является сублимация, образуют 2 разновидности: низкотемпературные низкоэнтальпийные (сублиматоры) и высокотемпературные высокоэнтальпийные (абляторы).

1.4.1.1 Низкотемпературные низкоэнтальпийные сублимирующиеся полимерные ТЗМ

На активном начальном участке траектории КА с работающими ракетными двигателями (и в некоторых рабочих их зонах) тепловые нагрузкине превышают 1000 кВт/, а равновесные температуры находятся в интервале 750-1000°С (перегрев ГЧ до 1200°С).

Относительно небольшие тепловые потоки (2-ая космическая скорость) эффективно отражают лёгкие ТЗМ с невысокими значениями теплот физико-химических превращений, основной вклад вкоторых обеспечивается вдувом продуктов сублимации в пограничный слой; а сами сублимирующиеся ТЗМ имеют низкие тепло- и температуропроводность и высокую теплоёмкость. Основой сублимирующих композиций являются полимеры, не образующие при деструкции жидкой фазы (низкая вязкость их расплавов не позволяет реализовать , они легко сдуваются с поверхности) и твёрдых остатков (кокса), разлающихся с образованием веществ с минимальной молекулярной массой. В качестве компонентов сублимирующихся покрытий используют термопласты, некоторые реактопласты (в виде растворов, порошков, волокон, тканей), деструктирующиеся при относительно низких температурах с образованием большого объёма низкомолекулярных веществ (водород, мономеры) и наполнители, позволяющие в достаточно широких пределах регулировать теплозащитные свойства -- порошки термопластов, древесная мука, соли , оксалаты,, пробка (природный пенопласт, в 1 3,28•ячеек диаметром 0,025 мм с 14 непроницаемыми стенками, с 140-180 ,,л0,031?C ккал/м², эффективна до воздействия 5000 кДж/кг), полые микросферы стеклянные (внутреняя теплоизоляция и теплозащита,Т_раб. До 3600?С, с 0,4г/см³), из отверждённого фенолоальдегидного реактопласта (для внешней теплозащиты, Т_раб. 500-1000?С, с 0,4г/см³). Расчётыдля однофазных сублимирующихся ТЗМ сравнительно просты [33]. Например, основным процессом при абляции политетрофторэтилена (фторлон-4, тефлон-4) при 445°С является его деполимеризация при поглощении 1750 кДж/кг ()

445?C

⁽

полимер пар

Без учета переизлучения (низкая температура, е = 0,3, большая молекулярная масса паров, равная 100, т.е. в паре не только мономер)

Н_эфф=С_рT_w+Q_дест+в?i

т.к. = 0,25·445 = 111 ккал/кг = 466 кДж/кг, для турбулентного потока в = 0,14, для ламинарного потока в=2/3(29/100)^0,25=0,49

Н_эфф=2216+0,49?I, кДж/кг

При горении С₂F_4пар+О₂>2СОF+Q_Гвыделяется 23300 кДж/кг, что снижаети требует корректировки толщины и массы ТЗ. Температура при турбулентном нагреве может быть примерно на 30% выше температуры при ламинарном нагреве.

Сублимирующиеся покрытия на крупногабаритные, негерметичные, тонкостенные, маложёсткие оболочки, поверхности обтекателей, приборных отсеков, турбонасосных агрегатов, приводов рулевых машин, боковые, задние поверхности PH (50-60% поверхности конструкций) наносят различными технологическими способами: напылением (пульверизацией), приклеивании заранее сформированных полуфабрикатов, намоткой, центробежным формованием, экструзией (защита некоторых зон РД), шприцеванием (в полости, ячейки сот).

При нанесении низкотемпературных низкоэнтальпийных тонкослойных сублимирующихся покрытий Авкоут, Термолаг, Дина-Терм 100-950°С, США, ТСП, ТТПС, ТПП (Россия) напылением (пульверизацией) используют жидкие композиции или растворы на основе сублимирующихся реактопластов (эпоксидные композиции), модифицированных термопластов, низкомолекулярных («жидких») каучуков с компонентами, позволяющими в достаточно широких пределах изменять как технологические, так и абляционные свойства (возможность создания многослойных тонкослойных «программированных» ТЗМ, составы которых в каждом слое обеспечивают оптимальные абляционные свойства, требуемые для оптической защиты и ИК-обнаружения и т.д.).

Теплозащитные напыляемые композиции разработаны на основе:

1. Хлорсульфированного (сульфохлорированного) полиэтилена (из ПЭНП-ХСПЭ, ПЭВП-ПХС-Россия; Хайполон, США). После термоообработки при 70-75°С хлором и полиэтилена (3-4%-ный раствор в) при снижении молекулярной массы до 20000 г/моль модифицированный полиэтилен содержит 25-45% хлора (один атом Cl на 7-8 атомов углерода) и 0,8-2,2% серы (одна группа на 90 атомов углерода). 15%-й раствор ХСПЭ в толуоле, ксилоле имеет вязкость 9 Па·с (3%-й раствор натурального каучука -- 190 Па·с) используется для приготовления композиций, наносимых пульверизацией (см. табл. 1.11);



Таблица 1.11

Составы и свойства тонкослойных сублимирующихся теплозащитных покрытий (ТСП)

Составы ТСП	Свойства ТСП
	с, г/см3	л, Вm/м·К		у+,МПа	,
1. Кремнийораническая резина + слюда	1,2	0,2	1,2	20	0,5	50
2. Хлорсульфиро- ванный полиэтилен (ХСПЭ) + древесная мука + порошок ПММА (ТТПС-15)	0,8	0,12	1,5	6	10	125
3. ХСПЭ + микросферы из отверждённой фенолоформальдегидной смолы (МФ) + порошок полипропилена (ТТП-ФС)	0,4	0,05	1,5	5	5	200
4. Латекс бутадиен стирольного каучука СКБС-Л+МФ	0,5	0,08	0,45	15	150	210
5. СКБС-Л + САЖА	1,0	0,2	0,4	50	130	300
6. ХСПЭ + древесная мука + порошок оксидов РЗЭ	1,5	0,15	0,25	10	7	100

2. На основе жидких эпоксидных смол ЭД холодного отверждения (ПЭПА): СТП-ЭД (ЭД-22, ПЭПА, тиоколовый каучук НВТ-2), СТП-ЭДО (с оксалатом аммония), КТС. (с многослойной капроновой тканью); покрытия эффективны (до 1900 кДж/кг) при воздействии тепловых потоков до 1000;

3. На основе олигомерных («жидких») каучуков.

Каучуки со средней молекулярной массой (среднезвенные «плейнамеры») производятся модификацией всех традиционных типов высокомолекулярных каучуков [46]:

Тип каучука	Марка каучука	Тип концевых активных групп в олигомерах, (используются для вулканизации)
Сополимеры изопрена и бутадиена	10-1000, ПДИ-- ЗА, ЗАК, ПДИ-- ЧАК	-- N = C = O O
Бутадиеновый	СКД -- ОЭ СКД -- ГТР, Ж СКД -- КТР, - 1А СКД -- ГТРА	O -- OH -- COOH
Бутадиеннитрильный	СКН -- 26 -- 1А СКН -- 28 -- 1А СКН -- 3, -- 10, -- 30	-- COOH
Бутадиенстирольный	СКС -- 30 РПЖ, диенол С	-- COOH
Уретановый	СКУ -- ПФЛ, -- 6, -- 7Л, -- 7П, ДФ -- 2	-- N = C = O
Тиоколовый	НВБ, У -- 30 МСБ	-- SH
Диметилсилоксановый	СКТМ -- 1, -- А, -- БСП, СДС -- 4/2,5, -- 9/2,5, 9/10	-- ОН
Фторсилоксановый	СКФ	-- СООН

Используются напыляемые композиции на основе изопренбутадиеновых (ТПП-ЭФ, каучук ПДИ-ЗАК, ЭД-20, полые фенольные микросферы), бутадиеновых (ТТП-БС, каучук СКБ с СООН-концевыми группами, водная дисперсия ZnO, полые фенольные микросферы), бутадиеннитрильных СКН-26,-40 (БК-31 с древесной мукой, ФК-36-65 со стеклотканью, теплозащита РДТТ-РД-18, Р-161 с СКН-26,40); на основе полиуретанов (СТП-ПГУ,-УР,3600 кДж/кг). Эластичные листовые полуфабрикаты для теплозащиты обтекателя модуля «Квант» позволяют снизить массу конструкции до 760 кг (масса теплозащиты ТТП-ФС 825 кг). ТЗП «Савинит» (латекс СКН-3, фенольные микросферы БВ-01) приклеивают клеем ВК-3 к 3-х слойной силовой оболочке модуля (стеклопластик АФ-10ВО, стеклосоты ССП-1, высота 40 мм, углепластик КМУ-4Л, клей ВК-3, ТЗП «Савинит»). Перед сбросом обтекателя на 183с полёта на высоте 80км цилиндрической части 1700°С температура силовой оболочки не превышает 120°С;

4. Особую группу ТТСП образуют термопластичные органотекстолиты. Несмотря на определённую эффективность фторлона-4 (тефлон-4), из-за коробления и срыва слоёв пластины Ф-4 заменяют на ткани на основе волокон из Ф-42 (360°С, заготовки из ткани фторлон 42 прессуют при 170°С и 0,5 МПа, приклеивают или напрессовывают слои ткани на нижележащие слои теплозащиты (основной, специальной). Абляция придо 4200проходит с равномерным уносом, а теплозащита на 20% легче асботекстолитовой. Для других условий нагрева используют оболочки, отформованные из тканей на основе волокон из полипропилена, ПЭТ, капрона (один из ранних вариантов реализации волоконной технологии).

1.4.1.2 Высокотемпературные высокоэнтальпийные сублимирующиеся ТЗМ

Необходимость обеспечения работоспособности конструкций ракетно-космической техники при воздействии на них тепловых потоков плотностью 40 и вышес удельной энтальпией 40-60 МДж/кг (теплозащита передних поверхностей -- лобовые экраны, передние кромки элементов управления -- 20-40, наконечники ГЧ -- 6-17), равновесных температур 3000-3500°С (сопловые блоки РДТТ), 4000-6000°С (возвращаемые с орбит КА, рис.5.5, табл. 5.2, 5.9) стимулировала разработку и использование высокотемпературных высокоэнтальпийных сублимирующихся ТЗМ. Их основой являются углеродные материалы -- графиты, пироуглерод, стеклоуглерод и, особенно, углеродные композиционные материалы -- углерод-углеродные, УУКМ углеродкерамические УУКМ и их модификации, сочетающие высокие и регулируемые упругопрочностные свойства, термоустойчивость (при 20°С-340 МПа, при 2200°С-240 МПа, данные для КУП-ВМ) и абляционные свойства (реализация теплоты сублимации углерода, в УУКМ-теплот сублимации углерода из графитизированных волокон и углеродных, пироуглеродных, силицированных углеродных матриц).

Материалы на основе , керамические КМ типа реализуют эффект вдува благодаря парам, образующихся при кипении расплавов.

До температур около 1650°С иуглеродные материалы, УУКМ используются в качестве переизлучающих материалов многоразовой радиационной системы теплозащиты (табл. 5.9, рис. 5.15). (УУКМ при воздействии потока с теплосодержанием не более 20000 кДж/кг в теплозащите ВКС и маневрирующих ГЧ практически не аблирует).

Если набегающие потоки имеют гиперзвуковые параметры и температура в точке торможениядостаточна для реализации перехода, то при 3000-3700°С (в зависимости от структуры углеродных компонентов в УУКМ проходит процесс сублимации

С_тв>С_пар> Q_субл(теплота сублимации углерода)

Эффективная теплота абляции

= 80000 + 5,2·Дi, кДж/кг

(УУКМ в 35-40 раз эффективнее ТЗ на основе фторлона-4), линейный унос

= 0,25-0,3 мм/с (в сопле РДТТ при 3300°С, 0,036-0,04 мм/с -- в раструбе), безразмерный параметр уноса G = 0,2.

Высокие (регулируемые ориентацией углеродных наполнителей) значения тепло- (для УУКМ структуры 3D л при 500°С-80, 1500°С-46, 2000°С-37 Вт/м·К), температуропроводности (а =55-60·), и требуют использования теплоизоляции (л в 300 раз больше л стеклопластиков), что снижает показатели весового совершенства, несмотря на то, что плотность УУКМ не выше 2 , а плотность кварцепластиков -- 2,5.

...