Чтобы уменьшить унос ТЗМ без физико-химических превращений нужно, чтобы скорость линейного уноса Va была больше скорость прогрева Vп ТЗМ. Когда Va < Vп унос мал, накапливается прококсованный материал с малой прочностью, что увеличивает механический унос (снижение ц). Наиболее приемлем режим абляции, когда Va > Vп, что требует оптимизации теплофизических параметров ТЗМ и использования эффективной теплоизоляции (дисперсные наполнители, многослойные стенки, соты, пористость, ориентация наполнителей, специальные текстуры - прерывистое плетение, полые наполнители - микросферы, капиллярные волокна, пробка и т.д.).

ТЗМ должен быть подготовлен к воздействию термоциклических нагрузок, термоударам, одностороннему нагреву и оптимизирован с точки зрения значений линейных и объёмных коэффициентов теплового расширения (сжатия) и усадок (особые режимы отверждения, см. табл. 5.20; предварительная термообработка, прокалка наполнителей и другие способы).

На абляционные свойства ТЗМ оказывает влияние плотность материалов (регулируемая давлением при формовании изделий), особенно, объёмная равноплотность, наличие пустот, трещин, примесей, зон с повышенным или пониженным содержанием компонентов, непроклеи, расслоения. В зонах с малой плотностью (и меньшей теплопроводностью) аккумулируется тепло, что приводит к ускорению абляции с образованием раковин, кратеров, шероховатостей на поверхности абляции (выкрашивание, увеличение механического износа, газодинамический скачек, перевод режима обтекания с ламинарной на турбулентный). ТЗМ проходят тщательный контроль сплошности неразрушающими методами: томография, акустические (ультразвуковые, импендансные, метод свободных колебаний), радиометрические (рентген, -метрия, электронография), радиоволновые (микро-, СВЧ-, терагрецовые, амплитудные, фазовые, поляризационные), тепловые (метод тепловых полей), методы коронного, искрового разряда.

При разработке абляционных ТЗМ их составы и структура должны обеспечивать численные значения [1,9,33]:

1) высокие (эффективная тепловая абляция, упруго-прочностные свойства, трещиностойкость, теплоемкость, эндотермические фазовые и релаксационные переходы);

2) низкие (тепло- и температуропроводность, плотность, молекулярная масса продуктов вдува, поверхностное натяжение расплавов, способность к расслаиванию, выкрашиванию, эрозия поверхности, горючесть);

3) близкие к единице (излучательная способность, выход летучих, доля ТЗМ, в которой проходят эндотермические физико-химические превращения);

4) переменные (температура абляции, вязкость расплавов, согласованная с парциальным давлением паров при кипении);

Параметрами, определяющими эффективность абляционных полимерных, ТЗМ, являются:

1) элементарный состав, структура, молекулярная масса, температуры стеклования, плавления, деструкции, теплота деструкции, теплофизические, термодинамические свойства полимеров в составе ТЗМ;

2) элементарный состав, форма частиц, ориентация по отношению к потоку, температуры и теплоты фазовых и релаксационных переходов, теплофизические, термодинамические свойства наполнителей в составе ТЗМ;

3) соотношение и распределение компонентов в ТЗМ, наличие дефектов, пористость;

4) количество, элементарный состав, упругопрочностные, тепло- и электрофизические свойства, пористость и распределение пор, твердый остаток, образующийся в процессе абляции.

Абляционные характеристики ТЗМ различных типов, состава и структуры приведены в таблицах 5.21-5.26.

Таблица 1.21

Абляционные характеристики фенолоальдегидных текстолитовІ [1,2]

Поверхностная плотность теплового потока, q0, кВт/м2	Продолжительность нагрева, с	Температура№, Тw, °C	Линейная скорость абляции, Va, мм/с·10-3	Нэфф№, МДж/кг
1360	120	1630/1540/1540/1710	4,15/1,07/0,8/2,29	18,8/75,8/105,5/48,4
4600	60	1950/1950/1975/2000	9,45/9,1/2,82/4,85	28,2/29,3/110,5/75,8
9200	60	2140/2110/2090/2390	19,3/14,8/12,9/8,6	27,7/36,3/50,5/86
15900	30	2320/2320/2370/-	32,3/25,4/39,2/-	28,9/37,3/27,9/-

Примечания: 1 - соответственно данные для стеклотекстолитов, асботекстолитов, (наполнитель - асбомат), стеклотекстолитов на основе кремнеземных волокон, органотекстолитов с тканями из волокон алифатических полиамидов с типа Naylon 6, ПА 6, капрон).

2 - содержание связующего 33% об., волокна перепендекулярны потоку.

Таблица 1.22

Сравнительные свойства ТЗМ различного состава [11]

Типы ТЗМ	Свойства ТЗМ
	с, г/см3	Нэфф, МДж/кг при q0 19-22 МДж/кг	Защитный индекс (время достижения 150 °С на обратной стенке ТЗМ), с
1. Фенольный углетекстолит (65% об. ткани)	1,39	160	30
2. Фенольный кварцетекстолит (65% об. ткани)	1,55	27	65
3. Отвержденное фенолоальдегидное связующее, наполненное порошком ПА6 (50% об.) и фенольными полыми микросферами (20% об.)	0,59	35	258



Таблица 1.23

Зависимость абляционных характеристик ТЗМ на основе фенолоальдегидного связующего и различного объемного содержания графитизированных и стеклотканей, асбестовых матов (войлока) [1,2]

Тип наполнителя	Содержание наполнителя, % об.	Абляционные характеристики
		Линейная скорость абляции, Va, мм/с	Защитный индекс1, с
Ткань из графитизированных углеродных волокон (тип ТГ)	60	0,0305	37
	60І	0,0406	22,3
Асбестовый мат	56І	0,0534	95,0
	60І	0,0685	83,1
	56	0,0685	48,5
Асбестовый войлок	49	0,0812	54,3
Стеклоткань	53	0,1076	45,0
	55	0,1119	48,0
	70	0,1270	32

Примечания:

1 - время достижения 200°С на обратной стороне образца толщиной 6,35 мм;

2 - фенолоальдегидное связующее (типа ФА), эластифицированное полиамидом (типа ПО-300).

Таблица 1.24

Зависимость Нэфф. абляционных фенольных ТЗМ от типа и содержания наполнителей№ [1]

Тип наполнителя	Содержание в текстолите, % об.і	Нэфф.І, МДж/кг
Ткань из волокон типа капрон, Nylon 6	40	167
	55	177
	70	148
Асбестовый мат, ткань типа АТ-1	40	130
	55	128
Стеклянная ткань (из выщелоченных волокон типа Е-стекла)	40	139
	55	135
	70	114
Ткань из кремнеземных волокон 4	40	163
	55	181
	70	184

Примечания:

1 - волокна тканей расположены перпендикулярно направлению газовых потоков (струя аргоновой плазмы);

2 - тепловой поток 8500 кВт/м² в течение 10 с;

3 - оптимальное соотношение компонентов в абляционной композиции нельзя определить расчетных путем, необходимы систематические экспериментальные исследования;

4 - в ТЗМ с наполнителями объемной текстуры распределение в трех направлениях решает проблему расслаивания при абляции при сдвиговых напряжениях от набегающего потока, заметно повышая долю ТЗМ, в которой происходят энергоемкие эндотермические процессы (коэффициент ц с 0,6 до 0,85). Они имеют и меньшую анизотропию механических свойств. Так, у+ эпоксидных стеклотекстолитов с тканями объемного плетения составляет от 780-250 МПа до 250-250 МПа (соответственно текстуры 1х1х3 и 3х1х1) [56].

Таблица 1.25

Зависимость абляционных свойств кварце- и углетекстолитов от типа связующих в их составе (содержание наполнителей 34-35% об.) [9].

Тип связующего, плотность углетекстолита, кварцетекстолита, г/см3	Абляционные свойства углетекстолита/ кварцетекстолита
	Тw, °С	Нэфф., МДж/кг	Защитный индекс, с№
Фенолоальдегид 1,42/1,59	3460/2750	686/266	20/35,9
Эпоксиноволачное 1,37/1,76	3410/2550	628/227	19/47,7
Эпоксикремнийорганическое 1,30/1,59	3420/2360	858/180	30/29,1
Полиимидное (типа Skybond) 1,30/1,60	3450/2500	1213І/320	31,4/37,5

Примечания: 1 - волокна ткани перпендикулярны потоку 11,6 МВт/м², нагрев в течение 30 с образца толщиной 19,05 мм воздухом с теплосодержанием 21,5 МДж/кг;

2 - Нэфф. углетекстолитов на основе карбоциклических циклоцепных полимеров (полифенилен, полифениленфенол) до 2000 МДж/кг.

Таблица 1.26

Составы и свойства теплозащитных пластиков П-5№ [57]

Тип П-52	Наполнитель в П-5	Плотность пластика, г/см3	у +, МПа	Va, мм\с	Конструкция	технология
П-5-2	Рубленые волокна из тканей КТ-11,-11к	1,8	125-150 (уви)		Заднее днище	Прессование (140°С, 30±5 МПа, 20-30 мин, т.о. 160°С, 64)
П-5-8	Ткань КТ-11-ТО				Заднее днище	Прессование
П-5-7 ЛДП 5	Лента КЛШ-11, ЛДП і	1,6-1,7	740	0,35	Сопловое днище	Прессование
П-5-5	Рубленые волокна К 11 С 6				Сопловое днище	Прессование
П-5-12 6	Углеродные волокна или лента ТГМ-2 М	1,45-1,5	370	0,1	Днище	Прессование
П-5-13Н, -13П 7	нити ВМН-3,4 или ткань УУТ-24	1,3-1,55				Прессование, намотка
П-5-15	КТ-11-ТО КТ-11-ТСА с N80	1,6-1,7	700	0,3	Раструб	намотка

Примечания:

1 - для предсопловых блоков и раструбов РДТТ

2 - Связующее ЛБС-А (50-60% р-р), -Б (60-70% р-р); коксовое число (1200°С)-55%, у + кокса 40 МПа

3 - КЛ-11-5,0; КЛ-11-8,2; КЛ-11-9,4 или ткани КТ-11, КТ-11-ТОА

4 - для П-5-13П ткани УУТ-2 СГ, -2С

5 - л _100-300 0,43-0,5 Вт/м*°С, а*10 0,19-0,33 м/°С, КЛТР*10^-6 0,3-5,7*°С^-1

6 - у + при 20°С 33 МПа, при 500°С - 10 МПа, л 0,52-0,58 Вт/м·К

7 - у + при 20°С 140 МПа, при 500°С - 85 МПа, л 0,45-0,64 Вт/м·К

Для оптимизации абляционных свойств ТЗМ, предназначенных для отражения и поглощения теплового потока, в их состав, наряду с наполнителями, повышающими упругопрочностные свойства, вводят порошки, дисперсные волокна, микросферы, хлопья из веществ различного состава, в которых при абляции проходят эндотермические превращения. При определенных температурах с образованием газообразных продуктов с определенной молекулярной массой и теплосодержанием при нагреве дисперсных компонентов реализуются затраты тепла на плавление, испарение, кипение, а твердые частицы повышают вязкость расплавов, способствуя согласованному прохождению процессов плавления и испарения (сохранение на поверхности абляции выкипающего, а не сдуваемого без кипения расплава).

Дисперсные компоненты влияют и на излучательную способность (е расплава кремнезема повышается с 0,1 до 0,5 в присутствии оксида кобальта, графитовый порошок, частицы кокса аналогично повышают е расплава асбеста, одновременно загущяя его и обеспечивая эффективное кипение наполненного углеродом расплава асбеста). Порошки карбидов упрочняют карбонизированные слои, боридов - увеличивают огнестойкость, порошки полимеров (ПЭ, ПА, ПММА) обеспечивают образование больших объектов низкомолекулярных газообразных продуктов, повышающих эффект вдува (табл. 5.27).

Таблица 1.27

Свойства абляционных материалов низкой плотности [9].

Свойства ТЗМ	Состав ТЗМ
	Фенолоформальдегидное связующее (25%), фенольные микросферы (25%), порошок полиамида типа ПА6 (50%) Эпоксиноволачное связующее (38%), фенольные микросферы (44%) Кварцевнее (9%) и кремнеземные (9%) дискретные волокна Кремнийорганическое связующее (66%), фенольные микросферы (16%), кварцевые дискретные волокна (7%) и порошок (1%), стеклянные микросферы (10%)
с, г/см3 у+, МПА е+,% Е+,ГПа Ср, кДж/кг ·К	0,59 703 0,9 8,8 1,596	0,38 450 2,0 2,8 1,93	О,67 120 5,0 0,35 1,55
л, Вт/м·К б ·10-6, єС-1	1,16 55,0	0,696 30,5	1,16 79,9

Ориентацей наполнителей (вклад связующего в численные значения Н_Эфф около 5%) в структуре ТЗМ оптимизируют конструкционные и абляционные свойства. Коэффициент теплопроводности волокнитов с ориентацией волокон относительно потока под углом б.

л б = л_II - б · (л_II -л)/90

КЛТР (б·10^-6, мм/мм) фенольного кварцеволокнита Refrasil с расположением слоев параллельно, перпендикулярно, под углом 20⁰ и хаотически относительно теплового потока составляет 11,3; 4,46; 17,8; 14,4; л, Вт/м·К - соответственно 0,288 (Н_ЭФОР 16000 кДж/кг); 0,864 (Н_ЭФОР 22000 кДж/кг); 0,418; 0,288.

При расположении волокон параллельно поверхности ТЗМ в плоскости ориентации имеют высокие значения упругопрочностных свойств и минимальную теплопроводность.

Однако, при абляции создаются условия для расслаивания ТЗМ слоистой структуры, образования поверхностных трещин (из-за давления газообразных продуктов, выделяющихся в нижележащих карбонизуемых слоях), что приводит к неравномерной абляции, уменьшению доли ТЗМ, в которой проходят физико-химические превращения, к увеличению шероховатости поверхности, стимулирующей переход с ламинарного к турбулентному режиму обтекания.

При ориентации волокон перпендикулярно поверхности ТЗМ имеет высокою устойчивость к воздействию сдвиговых напряжений от газового потока, но низкие упругопрочностные свойства, что приводит к расслоению и механическому уносу части ТЗМ с образованием дефектов. ТЗМ с такой ориентацией волокон имеют высокую теплопроводность, а подвод тепла в объем материала ускоряется из-за излучения вдоль волокон.

Наиболее эффективны промежуточные схемы ориентации волокон («кровельная» укладка, углы ориентации волокон 20⁰-90⁰ от направления теплового потока рис 1.39.). Теплозащитные детали сложной формы обычно изготавливают из композиций с дискретными волокнами различной длины (например, типа АГ-4В), сочетающие промежуточные упругопрочностные и хорошие теплофизические и абляционные свойства (табл. 1.28)

Рис. 1.39 Схемы ориентации наполнителей в теплозащитных материалах с использованием различных технологических приемов [10, 11, 37]:

1 - намотка внахлест; 2 - выкладка слоевых препрегов; 3 - краевая намотка; 4 - наклонная намотка; 5 - послойная укладка; 6 - комбинированная укладка; 7 - структуры с хаотичным расположением волокон (типа АГ-4В); 8,9 - различные технологии кровельной намотки

При производстве конструкции РДТТ часть входного (предсоплового) и выходного конусов изготавливают намоткой, обеспечивая расположение слоев наполнителя перпендикулярно или под углом к оси блока с последующей параллельной укладкой слоев материала.

В предсопловом блоке при любом варианте ориентации слоев к потоку будет иметь место расслоение, растрескивание и обычно используют пластики с хаотическим расположением волокон.



Таблица 1.28

Влияние ориентации кварцевой ткани относительно защищаемой поверхности на упругопрочностные, теплофизические и абляционные свойства фенолкремнийорганических текстолитов [1].

Свойства	Показатели свойств кварцетекстолитов с различной ориентацией слоев ткани к поверхности
	Параллельно	Перпендикулярно	Под углом 20о
у+, МПА	164	10,5	31,5
у-, МПА	260	420	54,4
уВИ, МПА	345	3,6	51
ЕВИ, ГПа	16	4,9	7,87
л, Вт/м·К	0,09	0,266	0,1278
б ·10-6, єС-1	6,26	25,9	9,91
Скорость абляции	Высокая	низкая	низкая
Поверхность после нагрева	шероховатая	с дефектами	гладкая

Для конструкций, работающих в условиях динамического нагружения, при воздействии ударных, знакопеременных, термоциклических нагрузок, в условиях вибраций, необходимы материалы с повышенной трещиностойкостью.

Значительная часть теплозащитных материалов используют в качестве связующих пластифицированные и более эффективные эластифицированные композиции (табл. 1.20). Хотя введение пластификаторов и эластификаторов (полиацетали-поливинилбутираль, бутвар и др); гибкоцепные и жесткостные термопласты с высокими показателями энергетического G_с и силового К_с критерия трещиностойкости; каучуки, прежде всего, низкомолекулярные (см. раздел 1.4.1.1) обычно снижает количество кокса, на практике часто достаточно оправданно использование ТЗМ с повышенной трещиностойкостью, обеспечивающих при абляции снижение доли материала, в котором не проходят физико-химические эндотермические процессы. Прежде всего, подобные ТЗМ используют для тепловой защиты внутренних поверхностей конструкций корпусов крупногабаритных РДТТ, а сами корпуса изготавливают из конструкционных ВПКМ (стекло-, угле-, органо-, поливолокнистые пластинки) на основе эластифицированных связующих.

Основными материалами теплозащиты камер сгорания РДТТ являются эластичные материалы - эластики, резины на основе высокомолекулярных и «жидких» каучуков, эластотермопластов (материалы «бронировки» топливных зарядов). Покрытия из них (в сложных условиях динамического нагружения при горении каучукового топлива) и конструкционные оболочки деформируются согласованно (деформации покрытия «следуют» за деформирующейся оболочкой), покрытия не растрескиваются и не отслаиваются от конструкционной стенки, защищая ее от теплового разрушения («прожога»). Теплозащитные свойства регулируются введением в каучуки различных типов (бутадиен-нитрильные, тиоколовые, кремнийорганические) волокон, полых микросфер, компонентов из веществ различного химического состава (углерод, кварц и др.) [1, 9, 10, 12, 37, 58].

Для нанесения с последующей вулканизацией теплозащитных покрытий (РФТЭ - на основе эпоксирезорцинового связующего, пластифицированного тиоколом НВБ, ПКМ, ФКМ, МКФН - на основе ЛБС, пластифицированного поливинилацеталями; БКМ-75 - каландрированные листы из фенолкаучуковой резиновой смеси (каучук СКН); СКЭПТ - рулонный материал; БК-31 - фенолкаучуковая композиция с бакелитовой мукой; фенолкаучуковые (СКН-40, СКН-26) композиции ТП-3, РД-18, Р-161) используют:

1. Выкладку или намотку невулканизированных листов или лент из резиновых смесей;

2. Литье под давлением жидких композиций, шприцевание в форму, щелевой зазор с использованием оснастки;

3. Свободная заливка, нанесение шпателем, напыление, центробежное формование жидких эластичных композиций.

Особую группу теплозащитных абляционных материалов представляют радиопоглощающие ТЗМ специального назначения, которые не только защищают объекты РКТ от тепловых нагрузок, но и выполняют дополнительные задачи по обеспечению радиосвязи, радио- и оптической маскировки (регулирование температуры абляции; программированное изменение химического состава спутного следа), экранизации в заданных пределах от поражающих факторов ядерного взрыва (ударного импульса, корпускулярного и волнового ионизирующего излучения), противостояния комплексу факторов (РПОЗУП - многофункциональные оптически защищенные ударопрочные покрытия). Использование комбинированных ТЗП позволяет объектам РКТ эффективно преодолевать ПВО, ПРО, ПКО, затрудняя их своевременное обнаружение, опознавание, перехват и уничтожение.

Задача радиопоглощающих ТЗМ (см. главу 2) - уменьшение эффективной площади рассеивания у_ц, определяющей дальность обнаружения объекта R_о (достаточно 5% отраженной энергии для обнаружения объекта на расстояниях в тысячи км):

Где:

Р_рлс - мощность передатчика,

G_РЛС - коэффициент усиления передающей антенны,

Ar - эффективная площадь приемной антенны,

Lc - коэффициент, учитывающий потери сигнала при его распространении,

- чувствительность приемника.

Радиопрозрачные ТЗМ используют для защиты от аэродинамического нагрева антенно-фидерных устройств (АФУ). Радиопрозрачные конструкции, оболочки, размещаемые перед раскрывом антенн с минимальным влиянием на характер излучения антенны, изготавливают из материалов со стабильными диэлектрическими свойствами (диэлектрическая проницаемость ? = 3-5, тангенс угла диэлектрических потерь 0,001-0,005) в широком диапазоне длин волн и температур. Радиопрозрачные окна устанавливаются на не затемняющих их головных частях (с q_о до 420*10⁶ кВт/м²) стыкуются с основным ТЗМ, но их материалы не должны при абляции образовывать поглощающие радиоволны компоненты.

В качестве радиопрозрачных ТЗМ используют:

1. Керамические материалы (см. раздел 1.4.2);

2. Материалы на основе неорганических связующих и кремнеземных, кварцевых тканей (перед совмещением с алюмофосфатными, алюмохромомолибденовыми связующими АФС-1, АХМ ткани для защиты от ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ пропитывают кремнийорганическим лаком) [60,67].

Отверждение АФС, АХМ (жизнеспособность при формовании изделий при 20^оС 3 часа, алюмохромомолибденовые - 24 часа) проходит при 270^оС в течение 40 часов, проходит по схеме:

[P₂O₅/Al₂O₃]_2,3 > AlH₃(PO₄)₂ * 3H₂O 150-200^oC> Al(H₂PO₄)₃ +

AlPO₄ 300-400^oC>H₂(AlP₃O₁₀) * 3H₂O

Прочность при сжатии у- текстолитов с 60% об. тканей КТ-11-Э-01 сохраняется на уровне 60-70 МПа при 1370^о несколько минут.

Абляция при 800-1500^оС по схеме:

>(500^oC) Al(PO₃)₃ > (800^оС-1300 ^оС) метафосфатное стекло > (1300-

1500^оС) расплав AlPO₄ + P₂O₄

проходит с образованием продуктов, обеспечивающих радиопрозрачность.

3. Полимерные пластики на основе кремнеземных и кварцевых наполнителей.

Для радиопрозрачных окон, аблирующих при низких значениях Тw и q_o используют термопласты (фторопласт Ф-4Д с КТ-11 сохраняет радипрозрачность до 1200^оС), аблирующих при Тw>^оС - материалы на основе органосиликатных (суспензии измельченных силикатов и оксидов в толуольном растворе полиорганосилоксана, В-58Э) и кремнийорганических связующих.

Использование кремнийорганических полимеров связано с образованием ими при абляции устойчивых к окислению структур с низким содержанием углерода. При абляции 1кг полидиметилсилоксана образуется всего 2-4% углеродосодержащих соединений, но они при 2500^оС агрегируются в виде тонкого слоя в 1-2 мм от поверхностного расплава SiO₂ экранируя пропускание радиоволокон. Для уменьшения содержания углерода в состав связующих вводят окислители, переводящие углерод в СО, СО_2.

4PbCrO₄ > 4PbO + 2Cr₂O₃ + 3O₂

2C + O₂ > 2CO^

В процессе абляции кремнийорганические полимеры размягчаются, деструктируют с образованием жидких и газообразных продуктов, вспучиваются, а выход твердого остатка определяется соотношением углерод-кремний и плотностью сетки. Наиболее эффективна модификация структурами, содержащими связи бор-углерод (карбораны) [23].

Для снижения механического уноса в качестве наполнителей используют многослойные прошивные и трикотажные объемного прядения кремнеземные полотна, а для повышения диэлектрических свойств - наполнители на основе капиллярных волокон (? 3,6; tgб 0,0015, со сплошными волокнами соответственно 6 и 0,0018).

В процессе абляции радиопрозрачность иногда снижается в 5-7 раз, но восстанавливается до 80% от первоначального уровня после прекращения уноса.

При ядерных взрывах на конструкции воздействует ударный импульс и ионизирующее (нейтроны, г- и рентгеновское) излучение.

Для сохранения работоспособности конструкций от воздействия громадного ударного импульса (адиабатический взрыв, сопровождаемый ростом температур до сотен тысяч градусов и давлений до сотен тысяч атмосфер) используют демпферную защиту, изменяющую параметры ударного импульса за счет поглощения энергии на разрушение высокопрочного материала отнесенного экрана (например, углепластика) и демпфирование слоя (демпфирующий слой из пенопласта, объемных, сетчатых структур), обеспечивающего отнесение экрана от слоя основной теплозащиты и конструкционного слоя.

Защита конструкций от ионизирующих излучений имеет 2 особенности: необходимость использования радиационно-стойких материалов и материалов, ослабляющих, экранизирующих электромагнитные излучения (экранные материалы и конструкции).

Под действием ионизирующих излучений с разрывом макромолекул проходит радиоционная деструкция полимеров, характеризуемая радиационно-химическим выходом Gд - числом разрывов цепей, вызываемых поглощением 100 эВ энергии излучения (для целлюлозы Gд>10, полиэтилена 1,0-1,5; полистирола ? 0,01). У некоторых полимеров радиационная деструкция перекрывается радиационным «сшиванием» (Gс полиэтилена около 4, для полипропилена Gд = Gс = 0,8).

Радиационную стойкость, способность полимеров противостоять воздействию ионизирующих излучений количественно характеризуют предельными значениями дозы или ее мощности, при которых полимерный материал утрачивает свои эксплуатационные свойства (упругопрочностные, электрические и т.д.)

Повышает радиационную стойкость полимерных материалов использование антирадов и полимеров с высокой концентрацией циклов [61-66].

При разработке различных систем, способов экранирования и поглощения ионизирующих (корпускулярных и волновых) излучений, используют теоретические представления о их взаимодействии с веществами, в том числе, с полимерными различного состава и строения.

Комплексный подход, обеспечивающий эксплуатационную эффективность, предполагает проведение анализа физических явлений в материалах при действии на них ионизирующих излучений, обеспечивающих экранирующую способность. Механизмами, ослабляющими электромагнитное излучение, являются: фотоэффект, комптоновское рассеивание, эффект образования электрон-позитронных пар (ЭОП), фотоядерные процессы. Величины энергий проявления эффектов, обеспечивающих ослабление излучения, для различных атомов различны. Например, для свинца фотоэффект проявляется в области энергий менее 0,1 МэВ, эффект Комптона 0,5-5 МэВ, релеевское рассеивание менее 0,1 МэВ, ЭОП ? 5МэВ.

Сложно экранировать нейтронное излучение (малая масса, отсутствие заряда) из-за необходимости реализации упругого или неупругого рассеивания нейтронов при реакции с ядрами. При упругом рассеянии потери энергии являются функцией атомного номера элемента и энергии. Чем меньше энергия нейтрона, тем вероятнее его взаимодействие с ядром элемента экрана (повышается сечение рассеивания у_расс.). Неупругое рассеяние характеризуют сечением захвата электрона у_захв, определяемое скоростью нейтрона и сопровождающееся появлением радиоактивных изотопов и г-излучения.

В качестве экранной защиты от нейтронов используют композиции из тяжелых элементов (РЗЭ) с большими значениями у_расс., способные поглощать г-излучения (из-за образования радиоактивных изотопов требуется защита, необходимо равномерное распределение тяжелых элементов предельно малых размеров; наноуровень, ионы; распределение контролируется рентгенометрией) и легких элементов с высокими значениями у_захв и у_расс (полиэтилен, вода, материалы с высоким содержанием водорода.

Радиационное тепловыделение (2400 кДж/мм² за 10^-6-10^-9с) и ударный импульс вызывают абляцию материала экрана и его механическое разрушение. Более устойчивы экраны с равномерным распределением большого количества тяжелых элементов с высокими значениями у_захв с наноразмерами и эффективной энтальпии.

Оптическую защиту обеспечивают ТЗМ, аблирующие при низких температурах (Тw?1000-1300^оС, эпоксидные связующие с наполнителями в виде тканей из волокон ПЭТ, ПП и др., текстолиты из таких тканей).

Многофункциональные (радиопоглощающие, оптически защищенные радиационноэкранирующие, ударопрочные, РПОЗУП) теплозащитные материалы используют в конструкциях из чередующихся слоев: основная теплозащита, демпфирующий слой) высокопрочный экранный слой, слой оптической защиты (например, пористый ортопласт), слой с тяжелыми элементами (поперечное сечение радиационного захвата у_захв не менее нескольких тысяч барн), радиопоглощающий слой (с ферритами).

1.6 Применение ТЗМ

Абляционная система тепловой защиты дает возможность преодолеть «тепловой барьер» при гиперзвуковых полетах в атмосферах различного состава и решить проблему защиты конструкций двигательных установок, работающих на химическом топливе. Если абляционная теплозащита используется в ЖРД только некоторых типов (с многократным запуском при небольшом расходе топлива, защита камер сгорания и сопловых блоков вспомогательных ЖРД с тягой не более 9000кг), то доля абляционных ТЗМ в РДТТ составляет 20-40% массы конструкций, которые на 60-100% изготавливаются из ПКМ, ВПКМ (конструкции камер сгорания, теплозащита переднего днища, сопловые блоки, наружная теплозащита, элементы крепления топливного заряда, корпуса запальных устройств, газовые рули (рис. 5.40). В критических сечениях сопловых блоков некоторых РДТТ, УУКМ заменены на фенольные углепластики (рис 5.41).

Абляционные ТЗМ используют в средствах защиты стартовых площадок ракет, ракетных пусковых устройствах (кабели, шланги, разъемы стартового и бортового оборудования, системы трубопроводов, электронное оборудование), палуб авианосцев, защищающих конструкции от разрушения в процессе одноразового запуска.

Полимерные абляционные ТЗМ обеспечивают надежную тепловую защиту гиперзвуковых ЛА (возвращаемые орбитальные капсулы, ИСЗ, ЛА, предназначенные для исследования других планет, боеголовки (ББ), ложные цепи, преодолевающие системы ПРО).

Абляционная теплозащита космических беспилотных ЛА, двигателей обычно состоит из полимерного материала заданной толщины (массы), приклеенного к нижележащим конструкционным элементам из металлов или ВПКМ. Для повышения надежности пилотируемых КА используют многослойные конструкции, включающие абляционные, теплоизоляционные, силовые слои, в том числе, сотовые, интегральные.

Рис. 1.40 Материалы конструкции соплового блока РДТТ [9]:

1 - внутренняя теплозащита камеры сгорания (наполненные резины на основе каучуков различных типов - СКН, СКБ, СКТ и других);

2 - теплозащита предсоплового блока (входного конуса, входного «воротника», фенольные угле-, кварцепластики изотропные);

3 - теплозащита критического сечения соплового блока(б), вхдной (а) и выходной (в) части горловины (УУКМ, фенольный углепластик, углеродные (стеклоуглерод, пироуглерод), графитизированные материалы, керамические покрытия и композиционные материалы на основе SiС и другие, силицированные УУКМ, углеродкерамические КМ);

4 - теплоизоляционные материалы (фенольные стекло-, кремнеземо-, асбопластики);

5 - теплозащита раструба (УУКМ, фенольные угле- и кварцепластики);

6 - конструкция раструба силовая (металлическая из ВПКМ, изготавливаемая намоткой, УУКМ).

Рис. 1.41 Конструкции и материалы сопловых блоков РДТТ

Типы сопловых блоков: а) неподвижное сопло с поддувом газа; б) поворотное сопло; в) качающееся сопло; г) сопло с гибким упором; д) перспективная конструкция.

ТЗМ: 1 - УККМ (например «Десна»); 2 - фенольный углеволокнит (намотка П-5); 3 - ворсовая конструкция (высота ворса из нитей Урал-Н24 40мм обеспечивает л=0,1 Вт/м * К); 4 - эластичная ТЗ («воротник»); 5 - высокоэластичный материал (из резины на основе каучука СКД) поворотного сопла (защищено ворсом); 6 - углерод-керамические КМ, КМ SiC/C, Si₃N₄/SiC

Использование абляционных ТЗМ позволяет эксплуатировать гиперзвуковые ЛА при высоких скоростях полета даже на небольших высотах. В зависимости от назначения таких ЛА изменяется геометрия их конструкции и тип используемых ТЗМ (рис. 1.42).

Тепловая защита ГЧ оживальной или полусферической формы, возвращаемых ИСЗ с большим радиусом затупления (уменьшение тепловых нагрузок из-за отскока от поверхности конструкции сжатого слоя) эффективно решается использованием асботекстолитов (ТЗ первых возвращаемых ИСЗ, в том числе, пилотируемых), стеклопластиков (использующих текстильные формы наполнителей из кремнеземных или кварцевых волокон), углепластиков на основе графитизированных наполнителей.

Совершенствование тепловой защиты возвращаемых КА привело к использованию вместо ТЗМ высокой плотности (1,75 г/см³ для фенольного стеклопластика) ТЗМ малой плотности - многослойной теплозащиты с сотовыми слоями, ячейки в которых заполнены пенопластами и дисперсными частицами (дискретные волокна, порошки, полые микросферы), позволяющие оптимизировать теплозащитные свойства (рис. 5.43). Увеличение скорости входа в атмосферу ГЧ БРДД с малым радиусом затупления привело к необходимости использования ТЗМ с предельно высокими значениями эффективной энтальпии (наконечники из УУКМ), так же как и при тепловой защите сопловых блоков и раструбов высокоимпульсных РДТТ.

Рис. 1.42 Типы ТЗМ гиперзвуковых ЛА различного назначения [9]:

1 - фенолоальдегидные асбо-, кварце- или органопластики; 2 - фенолоальдегидные кварце-, кремнеземо- и органопласты; 3-эпоксифенольные кварцепластики; 4 - фенольные кварцепластики (наконечник - фенольные углепластики или УУКМ); 5 - фенольные органопластики; 6 - фенольные кварце-, кремнеземопластики; 7 - эпоксиноволачные ПКМ; 8 - углеродные, углеродкерамичские, керамические композиционные материалы (в первоисточнике - кремнийорганические материалы низкой плотности)

Рис. 1.43 Конструкция отсека экипажа КА ”Apollo” (выполняет функцию входа в атмосферу и посадки на Землю после полётов к Луне) и его теплозащиты [59]:

1 - абляционный ТЗМ переменной толщины (ячейки сот из фенольного органосотопласта заполнены композицией Аvcoat 5026-39 HC/G, фирма Аvco на основе эпоксифенольного новолака, наполненного кварцевами волокнами и фенольными полыми микросферами);

2 - плёночный клеи HT - 424 (Траб. до 315°С);

3 - внешняя силовая оболочка из спаянных листов нержавеющей стали PH -15 - 7Mo (крепится к внутренней оболочки из алюминия 24 стрингерами, Т - образными секциями из стеклотекстолита);

4 - слои из стекловолокнистого мата (теплоизоляция);

5 - конструкционная сотовая внутренняя оболочка из алюминиевых сплавов 2014 - Т6, 5052 - Н39.



Литература

1. Шмидт Д.Л. Абляция. В кн.: Конструкционные свойства пластмасс (физико-химические основы применения). Под ред. Э.Бэра, М., Химия, 1967, с. 401-456.

2. Рогайлин М.И. Абляция. В кН.: Энциклопедия полимеров, М., Сов. Энциклопедия, 1972, т.1, с. 14,15.

3. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита, М., Энергия, 1976,392 с.

4. Панкратов Б.М., Спускаемые аппараты, М., Машиностоение, 1984, 232 с.

5. Авдуевский В.С. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике, М., Машиностроение, 1975, 624с.

6. Исаханов Г.В. Прочность неметаллических материалов при неравномерном нагреве. К., Наукова Думка, 1971, 178с.

7. Душин Ю.А. Работа теплозащитных материалов в горячих газовых потоках. Л., Химия, 1968, 210с.

8. Мадорский С. Термическое разложение органических полимеров. М., Мир, 1967, 180с.

9. Шмидт Д.Л. Вопросы ракетной техники, 1970, N6, с. 9-36.

10. Калинчев В.А., Технология теплозащиты и теплоизоляции изделий: конспект лекций. М., МГТУ, 1991, часть 1, 36, 1994, часть 2, 61с.

11. Neuse E.W. Materials Science and Engineering, 1973, v. 11, N3, р. 121-130; Вопросы ракетной техники, 1974, N8, c. 83-98.

12. Попов В.Г. В кн.: Теоретические основы авиа- и ракетостроения: учебное пособие для Вузов / А.С. Чумадин и др. - М., Дрофа, 2005, 284-341.

13. Chaumette D., Мateriaux et Techniques, 1985, N10-11, p. 541-546; 1988, N2, р. 120-125.

14. Delmonte J. Technology of Carbon and Graphite fiber Composites. Van Nostrand Reinhold Company, N.-Y.-London, 1981,452 p.

15. Фиалков А.Е. Углерод. Межслоевые соединения и композиты на его основе. М., Аспект пресс, 1997, 718с.

16. Materials Design, 1988, v.9,р. 247.

17. Kayten G.G. at all., AIAA Paper, 1984, N2445, p. 1-13

18. Гупперт А., Вопросы ракетной техники, 1959, N7, с. 15-20

19. Ганеев А.А. НК. ХХХIV Гагаринские чтения, М., 1-5 апреля 2008г.

20. Проспект Фирмы Sintec Keramik GmbH, 1990.

21. Елисеев Ю., Токаев Ю., Авиапанорама, 2000, март-апрель, с. 16,17.

22. Елисеев Ю.С. и др. Неметалические КМ в элементах конструкций и производстве авиационных ГТД. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007, 368с.

23. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы С.-Петербург, Профессия, 2006, 624с.

24. Refractory Journal, 1982, v. 57, N1, p.18-20.

25. Flight Internation, 1982,v.12, N 3803, p. 744.

26. Sample Journal, 1983, v.19, N5, p.50

27. Ceramic Bulletin, 1981, v.60, n11, p. 1235,1985, v.64, N8,p. 1105; 1986, v. 65, N1, p. 54.

28. Сенозацкий В.Н., ПАКТ, 1993, N1, с. 33,34.

29. Popular Mechanics, 2005, N7, p. 46,49-51

30. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под ред. А.Е. Шейндлина, М., Энергия, 1984, с. 79-92.

31. Гурьевич М.М. и др. Оптические свойства лакокрасочных покрытий, Л., Химия, 194, с. 79-92.

32. Space Aeronaтtics, 1963, v. 39, N4, p.81

33. Adams M.L., ARS Journal, 1959, v.29, N9, p. 625-632, BPT, 1960, N4, c. 16-35.

34. Дюнзе М.Ф., Жимолохин В.Г. РДТТ для космических систем. М., Машиностроение, 1982, с. 143-147.

35. Баженов В.Н. и др. Моделирование основных характеристик и процессов функционирование КА. М., Машиностроение, 1985, 260с.

36. Adams E., J. Aerospace Science, 1960, v. 27, N8, p. 620-630; Аircraft and Missiles, 1960, v. 3, N2, p. 40-45.

37. Буланов Н.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М.: МГТУ, 1998, 516с.

38. Композиционные материалы: Справочник /Под общ. ред. В.В. Васильева, О.М. Тарнопольского. М., Машиностроение, 1990, 512 с.

39. Молчанов Б.И. и дp. Углепластики, М. Химия, 1985, 208 с.

40. Костиков В.И. и дp. Композиционные материалы на основе углерода. М., Металлургия, 1978, 320 с.

41. Бушуев Ю.Г. и др. Углерод - углеродные композиционные материалы. М.: Металлургия, 1994, 128 с.

42. Колесников С.А. В кн.: Термоустойчивость пластиков конструкционного назначения. М.: Химия, 1980, с. 213 - 240.

43. Костиков В.И., Варенков А.Н. Сверхвысокотемпературныые композиционные материалы. М., Интермет инжиниринг, 2003, 560 с.

44. Колесников С.А. Композитный мир, 2006, N6, с. 16-19.

45. Колесников С.А. Технология машиностроения, 2006,N8, с. 11-18.

46. Справочник резинщика. Материалы резинового производства. М., Химия, 1971, 640 с.

47. Термоэластопласты. Под ред. В.В, Моисеева, М., Химия, 1985, 184 с.

48. Ромашин А.Г., Русин М.Ю. Основы технологии производства ЛА, Учебное пособие, М., Наука и технологии, 2005, с. 139 - 170.

49. Thermal characterization of Polymeric Materials, Ed. E.A. Turi, N.-Y., 1997,2200 p.

50. Коварская В.М. и др. Термическая стабильность гетероцепных полимеров, М., Химия, 1977, 264 с.

51. Брык М.Т. Деструкция наполненных полимеров, М., Химия, 1989, 240 с.

52. Lausevic Z., Carbon, 1986, v. 24, N5, p. 575-580.

53. Ладаки Р. и др. Ракетная техника и астронавтика, 1966, N10, с. 37-45

54. Розенсвейг Р.Е. Бичер Н. Ракетная техника и космонавтика, 1963, N8, с. 55-63

55. Тюкаев В.Н. в кн.: Армированные пластики. Под ред. Г.С.Головкина, М., Изд-во МАИ, 1997,с. 125-245.

56. Materials Engineering, 1983, v. 97, N1, p. 27-31.

57. Назаров А.А. и др. Конструкционные пластмассы, Справочник, М., Машиностроение, 1973 г., 240 с.

58. Донской А.А. Зарубежные теплозащитные материалы на основе кремнийорганических эластомеров, ВИАМ, 1992, 59 с.

59. Strouhal G., at al., AIAA Symp., 1966, p. 184-200 (Вопросы ракетной техники, 1967, N4, с. 25-45)

60. Сычёв М.М. Неорганические клеи. Л., Химия, 1974, 160 с.

61. Чарлзби А. Ядерные излучения и полимеры. Пер. с англ., М., Химия, 1962,310 с.

62. Энциклопедия полимеров. М., Сов. Энциклопедия, 1977, т. 3, с. 247-270

63. Радиационная стойкость материалов. Справочник. Под ред. В.Д. Дубровского. М., 1973

64. Князев В.К. и др. Радиационная стойкость материалов радиотехнических конструкций. Справочник, М., 1976.

65. Болт Р., Дж. Кэрролл. Действие радиации на органические материалы. Пер. с англ. М., 1965

66. Милинчук В.К. и др. Радиационная стойкость органических материалов, М., Энергоиздат, 1986, 205 с.

67. Колганова В.А. и др. Электротехническая промышленность. Электротехнические материалы, 1983, N9, с. 4,5

68. Хилаждинов К.В. Композитный мир, 2008, N5, c. 10-19.

Размещено на Allbest.ru

...