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. А. м. наносят на поверхность 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:

абляционные материалы

где qк-конвективный тепловой поток к поверхности материала; qR-радиац. тепловой поток; абляционные материалы. Рис. 2-суммарный унос массы в результате пиролиза поверхности, выделения газообразных продуктов и стекания расплава; абляционные материалы. Рис. 3 — энтальпия плавления; GW-унос продуктов пиролиза; абляционные материалы. Рис. 4-энтальпия физ.-хим. превращений; абляционные материалы. Рис. 5-коэф. черноты; σ-постоянная Стефана — Больцмана; ГWабс. температура поверхности; qвл-тепло, отводимое в результате вдува газообразных продуктов пиролиза; абляционные материалы. Рис. 6 — тепловой поток к защищаемой поверхности.

абляционные материалы. Рис. 7

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 , qRабляционные материалы. Рис. 8-см. обозначения в тексте; 7-начальная температура; Т2 — температура кипения; Т3 — температура плавления, T4 — температура начала "коксования"; Г5 — температура начала термич. разложения; Т6 — температура теплозащищаемой стенки в момент времени, соответствующий указанному положению зоны Б; М-направление движения уносимой массы

Различают след. виды A.M.: разлагающиеся (политетрафторэтилен, полиэтилен и др.), сублимирующиеся (напр., графит при температурах ок. 3800 °C, давлениях до 10 МПа и отсутствии окисляющего агента), плавящиеся (кварц, пенокерамика и др.). Наиб. распространены армированные орг. и кремнийорг. материалы, абляция которых характеризуется совокупностью неск. одновременно протекающих процессов, как показано на рисунке. В начальный момент на поверхности 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 поверхности, толщина слоя неизменного A.M. уменьшается, а температура возрастает. После окончания воздействия высокотемпературного газового потока зона абляции может достигнуть защищаемой поверхности, что допустимо лишь по истечении расчетного времени работы изделия.

A.M. могут быть твердыми (на основе термореактивных синтетич. смол и линейных полимеров) и эластичными (на основе нитрильного этилен-пропиленового, синтетич. изопренового каучука и др.); армирование материалов волокнистыми наполнителями существенно улучшает их абляционные свойства (табл. 1 и 2).

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

абляционные материалы. Рис. 9

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

абляционные материалы. Рис. 10

Эластичные A.M. 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 А. м.).

Лит.: 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; Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б., Тепловая защита, М., 1976, с. 51–58; Камалов B.C., Производство космических аппаратов, М., 1982, с. 236.

Ю. Б. Дубинкер, Ф. Г. Будакова

Источник: Химическая энциклопедия на Gufo.me