Некоторые современные керамические материалы хорошо противостоят нагреву, химическому и эрозионному воздействию газового потока, однако имеют и существенные конструктивные и эксплуатационные недос-
татки. К ним относятся довольно низкое сопротивление разрыву и изгибу, хрупкость (опасны удары и сотрясения) и недостаточное сопротивление тепловому удару: керамика склонна к растрескиванию при быстром изменении температуры (запуск или остановка двигателя).
Тугоплавкие материалы могут применяться для изолядии основного материала стенки со стороны огневой поверхности. Так как тугоплавкие покрытия имеют обычно низкую теплопроводность, то температура основного материала значительно ниже температуры огневой поверхности. Как видно, в этом случае низкая теплопроводность не является недостатком (если температура плавления покрытия достаточно высока). Изменение температуры в основном материале, имеющем большую теплопроводность, менее значительно. Толщина тугоплавких покрытий составляет 0,1— 0,6 мм.
Уместно отметить, что аналогичную керамическим покрытиям роль в эксплуатации двигателя выполняют плохо теллопроводящие отложения сажи, кокса и шлака.
Тугоплавкие материалы лучше нержавеющей стали по таким показателям, как допустимая температура, удельный вес, теплоемкость, коэффициент линейного расширения.
В качестве примера можно назвать покрытую керамикой "Ниафракс А" камеру ЖРД американского управляемого снаряда "Найк", работающую без жидкостного охлаждения 35 сек. (Компоненты топлива - углеводородное горючее с азотной кислотой, Т гор = 2780°С). Экспериментальные сопла, выполненные из "Ниафракса", работали в условиях ЖРД до 60 сек.
Аблирующие ТЗП
При организации теплозащиты абляцией материал стенок должен обладать высокой теплотой плавления или сублимации и в то же время - низкой теплопроводностью. В этом случае количество тепла, отводимого уносимым материалом, преобладает над количеством тепла, аккумулируемого в сохраняющихся слоях материала стенок.
При расчете характеристик ЖРД, сопло которого имеет теплозащиту абляцией, необходимо учитывать изменение площади проходных сечений сопла (прежде всего критического ) по времени.
Теплозащитные покрытия, полученные на основе полимерных материалов, являются практически единственными теплозащитными системами, позволяющими наиболее эффективно защищать конструкцию ДУ от воздействия высокотемпературных газовых потоков.
Указанное обстоятельство определяется многообразием форм поглощения тепловой энергии полимерными материалами в результате их плавления, сублимации и деструкции.
Большинство исследователей при рассмотрении механизма работы полимерных ТЗП указывает на образование при термодеструкции в полимерных покрытиях трёх подвижных зон взаимодействия со средой:
- зона, непосредственно примыкающая к газовому потоку;
- переходная зона, в которой происходят основные реакции пиролиза полимеров;
- зона практической незатронутости материала.
Теплозащитные свойства полимерных ТЗП складываются из их спо
собности поглощать и задерживать тепло (химические факторы абляции) и
противостоять механической эрозии газовой струи (механические факторы
абляции).
Факторы химической абляции. Тепло, подводимое к поверхности ТЗП, первоначально поглощается за счёт большой теплоёмкости полимеров, а скорость продвижения изотермы ограничивается малой теплопроводностью. Однако замедление продвижения тепла вглубь материала приводит к резкому увеличению температуры в поверхностных зонах покрытий, что ускоряет деструкцию материала полимеров.
Дальнейшее поглощение части тепловой энергии, подводимой к ТЗП, осуществляется за счёт различных фазовых превращений, претерпеваемых полимерным материалом в процессе прохождения термодеструкции. Выделяющиеся при термодеструкции газообразные продукты, диффундируя в окружающую среду, охлаждают нагретые внешние слои материала, тем самым дополнительно поглощая ещё некоторое количество тепловой энергии. Указанный "термоблокирующий" эффект зависит от количества материала подвергнутого деструкции; скорости абляции материала и энтальпии газового потока. Кроме того, немаловажное значение на величину поглощённого тепла оказывают состав и количество газообразных продуктов деструкции. Наибольший теплрпоглощающей способностью отличаются летучие продукты, содержащие большое количество водорода.
Следующий возможный фактор, в результате которого поглощается ещё некоторая часть тепловой энергии - поглощение тепла за счёт излучения нагретой поверхностью. В данном случае тепловое излучение зависит, в основном, от степени нагрева поверхности материала и определяется уравнением Стефана-Больцмана, как функция температуры поверхности в 4-й степени. Отсюда следует, что наибольшей излучательной способностью должны обладать полимерные материалы, у которых процессы абляции сопровождаются более высоким нагревом поверхности (т.е. материалы, содержащие неорганические наполнители, различные обуглероженные материалы и т.п.).
Исходя из вышеизложенного, следует, что тепловой баланс на поверхности аблирующего ТЗП состоит из слагаемых поглощения подводимого тепла за счёт:
- теплоёмкости полимеров;
- химических реакций (фазовых переходов);
- выделения летучих продуктов деструкции и излучения. При этом следует отметить, что указанные реакции имеют место только в двух первых подвижных зонах, тогда как третья зона (зона незатронутого материала) несёт на себе функции теплоизоляционного и конструкционного материала.
Механические факторы разрушения обусловлены в основном термическими и механическими эффектами. Согласно работам ряда исследователей, разрушение полимерных ТЗП, их эрозионный унос, складывается из разрушения материалов вследствие больших термических напряжений, сублимации, испарения, а также чисто механической эрозии покрытий.
Устойчивыми оказались ТЗП, полученные на основе коксующихся полимером, способных образовывать при термодеструкции прочный поверхностный слой, предохраняющий нижележащие слой полимера от интенсивного разрушения. Величина и прочность образованного поверхностного слоя в ряде случаев является единственной определяющей величиной эрозионной стойкости полимерных ТЗП. Одним из наиболее эффективных методов упрочнения поверхностного слоя ТЗП, образованного при термодеструкции коксующихся полимеров, оказалось отложение в порах кокса вторичных продуктов. При термодиструкции подавляющего большинства полимерных ТЗП в струе ЖРД создаются благоприятные термические условия для получения пироуглерода (пиролитического графита), отложение которого на внутренней поверхности стенок пор способствует значительному улучшению физико-механических и теплофизических свойств поверхностного слоя ТЗП. В литературе приводится прямая взаимосвязь между способностью полимеров образовывать пироуглерод и эрозионной стойкостью ТЗП. Наиболее прочный поверхностный слой образуется при термодиструкции полимерных ТЗП, полученных на основе коксующихся полимеров и содержащих в своём составе большое количество атомов углерода. Кроме того, на прочностные характеристики твёрдых продуктов пиролиза существенное влияние оказывает количественное содержание в полимере кислорода, способного вызывать преждевременное окисление образующихся при пиролизе обуглероженных продуктов.
На эрозионную стойкость полимерных ТЗП определённое влияние, помимо прочности поверхностных слоев, образующихся при термодиструкции, оказывает величина механической прочности ТЗП в исходном состоянии. Экспериментально доказано, что чем больше прочность полимера (величина его разрывного напряжения), тем дольше период разрушения материала. Однако, исходя из механизма эрозии, представляющего собой процесс разрушения материала за счёт упругих и пластических деформаций, следует ожидать, что указанное равенство справедливо лишь в случае сохранения материалом некоторой эластичности. Положительное влияние эластичности полимеров на их эрозионную стойкость состоит в уменьшении абразивного износа покрытий за счёт срезывающих усилий, имеющих место при проявлении пластической деформации.
Таким образом, основными требованиями предъявляемыми к полимерным материалам, предназначенным для создания ТЗП, являются:
- высокие температуры плавления или разложения;
- низкий коэффициент теплопроводности и высокая теплоёмкости;
- большая излучательная способность;
- выделение при пиролизе большого количества низкомолекулярных газообразных продуктов;
- образование при пиролизе прочного твёрдого остатка;
- высокая прочность и небольшая величина жёсткости полимеров.
Сгорающие ТЗП
Они представляют собой твердотопливную систему, состоящую из
горючего и окислителя, причем элементов, являющихся горючим существенно
больше по сравнению с тем количеством, которое обеспечивало бы эффектив
ный процесс горения.
Продукты сгорания такого ТЗП имеют существенно меньшую температуру, по сравнению с основным газовым потоком, что определяет возможность создания более холодного пристеночного слоя.
В случае использования указанного типа ТЗП необходимо определить оптимум между толщиной покрытия и массовыми характеристиками двигательной установки для обеспечения создания тепловой защиты.