Абляционные материалы

Абляционные
материалы (от позднелат. ablatio- отнятие, устранение), теплозащитные
материалы, действие которых основано на абляции - сложном энергоемком процессе
уноса вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа. Абляционные
материалы наносят на пов-сть ракет, космич. аппаратов и камер сгорания ракетных
двигателей для обеспечения температурного режима их работы при воздействии
интенсивных тепловых потоков.

В
общей форме абляция м. б. описана след. уравнением:

где
qк-конвективный тепловой поток к пов-сти материала; qR-радиац. тепловой поток;-суммарный
унос массы в результате пиролиза пов-сти, выделения газообразных продуктов и
стекания расплава;
-энтальпия плавления; GW-унос продуктов пиролиза;-энтальпия
физ.-хим. превращений;-коэф.
черноты;-постоянная
Стефана - Больцмана; ГW-абс. т-ра пов-сти; qвл-тепло, отводимое в результате
вдува газообразных продуктов пиролиза;
-тепловой поток к защищаемой пов-сти.

Схема
тепло- и массообмена в комбинированном абляционном материале: А-уносимый слой;
Б-зона абляции; В-неизменный материал; Г пример возможного достижения зоной Б
теплозащищаемой стенки; qk , qR-см.
обозначения в тексте; 7-начальная т-ра; Т2-т-ра кипения; Т3-,т-ра плавления,
T4-т-ра начала "коксования"; Г5-т-ра начала термич. разложения;
Т6-т-ра теплозащищаемой стенки в момент времени, соответствующий указанному
положению зоны Б; М-направление движения уносимой массы

Различают
след. виды абляционных материалов: разлагающиеся (политетрафторэтилен,
полиэтилен и др.), сублимирующиеся (напр., графит при т-рах ок. 3800 °С,
давлениях до 10 МПа и отсутствии окисляющего агента), плавящиеся (кварц,
пенокера-мика и др.). Наиб. распространены армированные орг. и кремнийорг.
материалы, абляция к-рых характеризуется совокупностью неск. одновременно
протекающих процессов, как показано на рисунке. В начальный момент на пов-сти
образуется пленка расплава и начинается нагрев нижележащих слоев, возникает
зона абляции, т.е. плавления и пиролиза с образованием твердого, обычно
пористого углеродного остатка. С течением времени эта зона смещается в сторону
защищаемой пов-сти, толщина слоя неизменного абляционного материала
уменьшается, а т-ра возрастает. После окончания воздействия
высокотемпературного газового потока зона абляции может достигнуть защищаемой
пов-сти, что допустимо лишь по истечении расчетного времени работы изделия.

Абляционные
материалы могут быть твердыми (на основе термореактивных синтетич. смол и
линейных полимеров) и эластичными (на основе нитрильного этилен-пропиленового,
синтетич. изо-пренового каучука и др.); армирование материалов волокнистыми
наполнителями существенно улучшает их абляционные св-ва (табл. 1 и 2).

Табл.
1.-АБЛЯЦИЯ ПОЛИМЕРОВ В ДОЗВУКОВОМ ГАЗОВОМ ПОТОКЕ(испытания на
кислородно-ацетиленовой горелке)

Табл.
2-АБЛЯЦИЯ ФЕНОЛЬНЫХ ПЛАСТИКОВ ПРИ СОДЕРЖАНИИ НАПОЛНИТЕЛЯ ОКОЛО 60%

Эластичные
абляционные материалы используют гл. обр. для защиты камер сгорания
крупногабаритных ракетных двигателей, для внеш. теплозащиты гиперзвуковых
самолетов, ракет и космич. аппаратов, входящих в атмосферу Земли или др.
планет. Их эластичность, характеризуемая, напр., относит. удлинением при
разрыве, может составлять 200% и более. Низкую плотность A.M. (до 0,16 г/см3)
обеспечивают введением пенообразователей или полых стеклянных, фенольных или
др. микросфер (т. наз. синтактные абляционные материалы).

Список литературы

Бичер
Н., Розенсвейг Р.Е., "Ракетная техника. Журнал Американского ракетного
общества" (рус. пер.), 1961, № 4, с. 81-90;

Конструкционные
свойства пластмасс, пер. с англ., М., 1967, с. 401-56;

Дубинкер
Ю. Б., Донской А. А., Эластомерные теплозащитные материалы. Обзор, М., 1969;

ПолежаевЮ.В.,
ЮревичФ.Б., Тепловая зашита, М., 1976, с. 51-58;

Камалов
B.C., Производство космических аппаратов, М., 1982, с. 236.