О воздействии непрерывного лазерного излучения высокой интенсивности на композиционное теплозащитное покрытие с объемным поглощением излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

О воздействии непрерывного лазерного излучения высокой интенсивности на композиционное теплозащитное покрытие с объемным поглощением излучения

И.М. Приходько

Согласно имеющихся данных современные лазеры непрерывного действия обеспечивают плотность теплового потока I0 порядка 10 8 (Вт/ м2) [5] , и позволяют в течении короткого времени прожигать различные материалы на достаточно близком расстоянии.

В настоящее время нет строгих аналитических зависимостей, описывающих тепловое состояние и градиенты температур, как в активных теплозащитных покрытиях, так и в материале защищаемой конструкции. Это затрудняет выбор активного теплозащитного покрытия, определение его потребной толщины и расчет термических напряжений в конструкции.

Рассмотрим воздействие непрерывного лазера на фтористом дейтерии, излучающего на длине волны =3.8 мкм с интенсивностью I0 =108 (Вт/м2) на композиционное теплозащитное покрытие(КТЗП), имеющее следующие характеристики:

т = 0,8 (Вт/м К) коэффициент теплопроводности;

а = 2 10 7 (м 2/с) коэффициент температуропроводности;

с = 2667 (Дж/кг К) теплоемкость;

Тs = 1870 (К) температура кипения;

Qs = 3,2 10 6 (Дж/кг) удельная теплота испарения;

h = 5 10 2 (м) толщина КТЗП;

= 1500 (кг/м 3) массовая плотность.

В видимом и инфракрасном диапазоне частот все лазерное излучение (ЛИ), которое не отражается, поглощается материалом в скинслое. Его толщина d сильно зависит от степени прозрачности материала и для КТЗП лежит в пределах 10 5 10 3 (м) [7]. Это позволяет упростить описание воздействия ЛИ на КТЗП и рассматривать лишь два процесса: отражение и поглощение, пренебрегая распространением ЛИ в материале [2].

Наиболее важными свойствами любой поверхности являются ее неоднородности [2] : физические, химические и индуцированные. Поэтому любой макроскопический участок поверхности твердого тела характеризуется некоторым средним значением поглощательной способности А .

Поглощательная способность сильно зависит как от длинны волны (с увеличением уменьшается А [6] ) и вида материала, так и от состояния поверхности и ее температуры. При увеличении температуры, загрязнении поверхности, наличие или образование при нагревании поверхности ЛИ окислов, толщина слоев которых при непрерывном ЛИ может достигать десятков микрометров, поглощательная способность А увеличивается в 2 раза в каждом отдельном случае.

На основании этих факторов принимаем максимальное значение А=1; d=103 (м).

Коэффициент поглощения = 10 3 (м 1), где :

. (1)

Расчет времени начала и скорости волны испарения будем проводить при следующих допущениях:

теплофизические характеристики КТЗП: т, с, , а остаются постоянными [2,8];

интенсивность ЛИ равномерно распределена по всему сечению луча;

нагрев КТЗП без разрушения происходит до начала испарения материала.

Сравнительные оценки в [1] показали, что учет затрат энергии ЛИ на химические превращения и плавление КТЗП не дает серьезных погрешностей ( занижая временные и завышая скоростные характеристики волны испарения), но значительно усложняет расчеты.

Поглощение ЛИ твердым телом эквивалентно появлению источника тепла внутри или на поверхности тела [4]. В качестве модели источника тепла примем распределенный поверхностный источник [7].

Учитывая, что радиус r 0 лазерного пучка значительно превышает размер прогретой зоны, в случае отсутствия взаимодействия ЛИ с парами, описание процесса нагрева упрощается [2].

Так как КТЗП частично прозрачно для ЛИ, выполняется условие d , где глубина проникновения тепла за время [4]. В этом случае роль теплопроводности несущественна и распределение температуры в КТЗП во времени определяется непосредственным проникновением света в материал и описывается уравнением [1]:

, (2)

а температура на поверхности материала :

, (3)

где : T0 начальная температура материала;

q=AI0 тепловой поток (ТП) к поверхности;

время воздействия ТП на материал;

z координата.

Из (3) определим s при котором T поверхности достигнет Ts :

(с).

В дальнейшем, при s начинается испарение материала, вглубь тела распространяется волна испарения, скорость которой можно найти из уравнения теплового баланса при испарении [8] :

, (4)

лазер теплозащитный испарение скорость

где: - удельная теплота плавления материала.

Для большинства материалов Qs . В этом случае пренебрегая , скорость волны испарения Vs может быть найдена по формуле :

. (5)

Подставив в (5) известные значения характеристик ТЗП найдем Vs :

(м/ c) .

Следует отметить, что найденная скорость волны испарения Vs несколько завышена в силу принятых допущений.

ЛИ большой интенсивности, поглощаемое в начальный момент в тонком поверхностном слое, является источником тепловой волны, распространяющейся вглубь тела со скоростью Vт [8]:

. (6)

Определим время когда скорости тепловой волны и волны испарения сравняются. Полагая Vт =Vs , находим :

(c) .

При наступает режим форсированного испарения(ФИ) [8] и затраты энергии излучения связаны, в основном, с продвижением вглубь тела волны испарения, а потери энергии на теплопроводность невелики.

Пары вещества в режиме ФИ остаются прозрачны для ЛИ. Температура паров равна температуре поверхностного слоя тела и пропорциональна I0 . Температурное поле при ФИ в подвижной системе координат описывается следующей системой уравнений:

; (7)

; . (8)

Учитывая, что источник теплоты в материале является объемным (правая часть уравнения(7)) и на поверхности испарения действует тепловой сток QS VО , соответствующий затратам теплоты на фазовый переход при испарении, решение сформулированной задачи имеет вид:

,

где : .

При совместном действии объемного источника теплоты в материале и поверхностного стока, максимальная температура Tmax достигается на некотором расстоянии z0 от поверхности испарения[1]. Это расстояние определяется как:

, (10)

. (11)

Таким образом в условиях когда материал частично прозрачен для падающего излучения, возможен значительный внутренний перегрев, то есть энергия поглощается внутри образца впереди фронта испарения, вызывая внутреннее кипение вещества, наблюдаемое в виде микровзрывов [1].

Зная скорость волны испарения(5) и время воздействия возд ЛИ, можно определить толщину hs унесенного слоя по формуле :

. (12)

Потребная суммарная толщина h покрытия обеспечивающая тепловую защиту конструкции:

(13)

Величина hOCT определяется из формулы (8), принимая :

. (14)

Тогда при времени воздействия ВОЗД =3(с), по формулам (11-12) получим: hs=2.65 10 2 (м), hOCT =0.005(м), h=0.0315(м).

Таким образом, поверхностное испарение является основным фактором, определяющим потребную толщину теплозащитного материала. Однако поверхностным испарением не исчерпываются возможные механизмы разрушения КТЗП, подвергающегося действию ЛИ. Например, причиной разрушения могут стать термические напряжения, движение расплава под действием градиента давления паров и др.

В статье решена задача о воздействии ЛИ на КТЗП при объемном поглощении излучения в материале. Определены время начала испарения материала, скорость волны испарения и температурное поле при стационарной абляции. Показано, что испарение играет основополагающую роль в разрушении КТЗП при воздействии ЛИ. Даны рекомендации по оценке потребной толщины теплозащитного покрытия, обеспечивающего тепловую защиту конструкции.

Литература

1. Григорьянц А. Г., Соколов А. А. Лазерная обработка неметаллических материалов. М. : Высшая школа, 1988. 191 c.

2. Делоне Н. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М. : Наука, 1989. 280 с.

3. Дж. Реди. Промышленные применения лазеров. М. : Мир, 1981. 638 с.

4. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов М. : Мир, 1986. 502 с.

5. Иванов И., Чеканов И. Лазерное оружие в космосе

6. Лазерное излучение / Под ред. В. Я. Гранкина.

7. Приходько И. М., Дуреев В. А., Винник Л. А. О воздействии непрерывного лазерного излучения на композиционное теплозащитное покрытие // Системи обробки інформації. Збірник наукових праць. Вип. 4 (10). ХФВ “ Транспорт України ” , 2000, с. 3 5.

8. Устенко Э. П. Основы квантовой электроники. Ч. 3. Действие лазерного излучения на вещество: Конспект лекций. Харьков, 1979. 132 с.

Размещено на Allbest.ru