Краткая характеристика методов тепловой защиты

Известны шесть основных способов отвода (поглощения) тепла: теплопроводностью с использованием теплоемкости конденсированных веществ, конвекцией, массообменном, излучением, с помощью электромагнитных полей, за счет физико-химических превращений. На практике часто применяют одновременно два или более из отмеченных способов. Каждый из этих способов или их сочетание могут быть реализованы в виде различных методов тепловой защиты в зависимости от конкретного конструктивного исполнения

1 ) Поглощение и накопление тепла конденсированными веществами.

Системы с накоплением тепла являются низкотемпературными, так как они работают при температурах ниже точки плавления поглощающего тепло материала. Тепло отводится от поверхности теплопроводностью в соответствии с законом Фурье . Максимальное количество тепла, которое может поглотить такая система определяется выражением .

2 ) Конвективное охлаждение.

От обогреваемой горячим потоком газа стенки тепло передается охлаждающей жидкости или газу. Перепад температур в стенке при заданной ее толщине определяется выражением . Плотность теплового потока в стационарных условиях определяется расходом хладоносителя , его теплоемкостью и перепадом температур : , где - площадь теплоотдающей поверхности. В качестве охладителей на практике чаще всего используются жидкости: вода, спирт и т.д. При высоких температурах стенки для охлаждения могут применяться расплавленные металлы: натрий, литий. В зависимости от способа рассеяния тепла в окружающее пространство системы конвективного охлаждения подразделяются на замкнутые и разомкнутые. Обязательным элементом замкнутой системы охлаждения является теплообменник, в котором охладитель, получивший тепло от горячей стенки, рассеивает его в окружающую среду или передает другому теплоносителю. В замкнутой системе необходимое количество охладителя не зависит от времени эксплуатации системы.

3 ) Массообменный принцип охлаждения.

Этот принцип охлаждения может быть реализован в виде пористого, пленочного или заградительного охлаждения. При вводе холодного газа или жидкости непосредственно в пристеночный слой набегающего потока толщина этого слоя увеличивается, происходит оттеснение горячего газа от защищаемой поверхности, в результате чего интенсивность теплообмена на поверхности снижается. Преимущества этого способа защиты перед другими обусловлены, во-первых, сохранением внешней формы защищаемой поверхности тела и, во-вторых, возможностью поддержания температуры поверхности на желаемом уровне с помощью соответствующего регулирования расхода охладителя.

Рассмотрим сначала пленочное охлаждение. Горячий газ движется вдоль стенки, покрытой пленкой охлаждающей жидкости, которая поступает через одну или несколько щелей или отверстий, находящихся на некотором расстоянии друг от друга вдоль поверхности. Температура поверхности тела не будет превышать температуру кипения жидкости до тех пор, пока существует пленка на поверхности.

При заградительном охлаждении защищаемая стенка изолируется от горячего потока газа слоем холодного газа, который подводится к поверхности через щели или отверстия.

Пористое охлаждение является очень эффективным способом тепловой защиты. Одним из его преимуществ является подача охладителя через поверхность. Проходя через поры, охладитель отбирает тепло от стенки, а выйдя на поверхность, снижает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой, воздействуя на пограничный слой. Охладителем может быть газ или жидкость. Предпочтение обычно отдается газообразным веществам из-за более высоких рабочих температур и меньшего перепада давления при их течении через поры. По расходу охладителя на единицу защищаемой поверхности пористое охлаждение более эффективно, чем уже рассмотренные другие способы. Но использование пористого охлаждения требует изготовления пористых стенок по довольно сложной технологии. Кроме того, при эксплуатации такой системы необходимо принимать меры для очистки охладителя, чтобы избежать засорения пор.

4 ) Радиационное охлаждение.

Нагретая поверхность тела становится источником теплового излучения, рассеивая в окружающее пространство подводимую к нему тепловую энергию. Плотность потока излучения поверхности с температурой и степенью черноты характеризуется законом Стефана-Больцмана: , где - постоянная Стефана-Больцмана, приблизительно равная величине . Размерность - . Возможности радиационной системы охлаждения ограничены уровнем допустимых температур поверхности. В основу радиационного метода охлаждения заложена идея равенства подводимого к поверхности извне теплового потока и теплового потока, рассеиваемого этой поверхностью за счет излучения. Температура поверхности,если предположить, что теплоотвод внутрь покрытия равен нулю, определяется соотношением: . Очевидно, что при таком методе охлаждения . В качестве конструкционных материалов для системы с радиационным охлаждением применяются тугоплавкие металлы - молибден, вольфрам и др.

5 ) Электромагнитное регулирование теплообмена

Для регулирования температуры внешней поверхности можно использовать методы электрического или магнитного воздействия на плазму, обтекающую защищаемую поверхность. Магнитногидродинамический способ требует создания поля сил в ионизированной плазме, обтекающей тело. Магнитное поле, воздействуя на слой сжатого газа, в состав которого входят, кроме нейтральных молекул и атомов, электрически заряженные ионы и электроны, увеличивает расстояние между ударной волной и поверхностью тела, что приводит к утолщению пограничного слоя, а следовательно, к уменьшению градиентов скорости и температуры.

Может использоваться также термоэлектрический способ поглощения тепла путем преобразования его в электрическую энергию.

6) Охлаждение тел за счет физико-химических превращений на их поверхности

Как известно, любое фазовое превращение сопровождается значительным тепловым эффектом. У металлов при плавлении происходит частичное ослабление межатомных связей, а при испарении рвутся все связи кристаллической решетки и атомы становятся практически независимы друг от друга, поэтому тепловой эффект испарения намного выше (в 10 - 20) раз теплового эффекта плавления. Значение теплоты испарения колеблется от 5000 у низкотемпературных металлов до 10000 у тугоплавких окислов [7]. У графита теплота испарения составляет величину порядка 20000 . Однако не все вещества, обладающие высокими значениями теплоты испарения, могут быть использованы в качестве эффективных теплозащитных материалов. Если при плавлении образуется пленка с очень низким значением вязкости расплава, то она практически мгновенно может сдуваться с поверхности набегающим газовым потоком. Поэтому важно не только выбрать вещество с высоким тепловым эффектом испарения, но и обеспечить обязательную реализацию этого эффекта при разрушении поверхности. Поэтому разрушающиеся теплозащитные системы выполняют как комбинированные, удовлетворяющие следующим условиям:

1) поглощать большое количество тепла при физико-химических превращениях;

2) иметь высокое значение объемной теплоемкости ();

3) по возможности обладать высокой эрозионной стойкостью для обеспечения небольшого механического уноса массы;

4) по возможности иметь высокую температуру разрушающейся поверхности и высокое значение ее степени черноты ();

5)образовывать при разрушении газообразные продукты с малой молекулярной массой для эффективного снижения конвективного теплового потока;

6)пленка расплава, если она образуется, должна быть достаточно вязкой.

Заканчивая обзор методов тепловой защиты можно сделать некоторые обобщающие выводы качественного характера:

- системы с накоплением тепла имеют ограничения как по суммарному количеству подведенного тепла, так и по максимальному удельному тепловому потоку в силу ограниченности коэффициента теплопроводности материалов.

- системы радиационного охлаждения ограничены по максимальному удельному тепловому потоку, но практически могут работать при произвольном суммарном теплоподводе.

- для всех космических аппаратов, включая сюда и головные части баллистических ракет, время спуска которых не превышает 10 минут, разрушающиеся теплозащитные материалы обладают абсолютным преимуществом перед другими возможными методами по весовой эффективности.

- для очень продолжительных, а следовательно, и менее теплонапряженных спусков в атмосфере на первое место выходят последовательно массообменная, а затем радиационная система тепловой защиты. Это связано с тем, что увеличение времени спуска в атмосфере, без снижения суммарного количества тепла, пропорционально уменьшает плотность подводимого теплового потока. Равновесная температура понижается настолько, что радиационная система охлаждения может вполне без сложных дополнительных мер справиться с задачей рассеивания подводимой к поверхности спускаемого объекта энергии.