9.1. Тепловая защита в ракетных двигателях твердого топлива

Отсутствие жидкости на борту твердотопливной УБР приводит к принципиально другой организации тепловой защиты несущей конструкции: специальными материалами. Эти материалы представляют собой искусственные изотропные и анизотропные композиции, обеспечивающие тепловую изоляцию несущей конструкции и прогнозируемый унос поверхностного слоя при воздействии потока продуктов сгорания.

Материалы можно разделить на облицовки, теплоизоляционные слои и многофункциональные композиции. Облицовки обеспечивают стойкость первого слоя тепловой защиты от разрушения при взаимодействии с потоком продуктов сгорания ТТ, но при этом может происходить унос материалов с прогнозируемой скоростью. В качестве облицовок используют сплавы на основе вольфрама для минимального сечения сопла, УУКМ; входные и сверхзвуковые части сопел изготавливают из углепластиков. Стеклопластики в качестве облицовок применяют или при невысоких значениях температуры продуктов сгорания (баллиститные топлива), или для концевых частей сопел ДУ маршевых ступеней. Это вызвано наличием плавкого наполнителя - кварцевого стекла (Т_пл ≈ 1800К), что приводит к большому уносу поверхностного слоя, а испарения оксида кремния в условиях РДТТ не наступает.

Теплоизоляционные слои обладают низкой проводимостью теплоты, но подвержены значительному разрушению уже при слабом уровне воздействия движущегося газа. Многофункциональные материалы одновременно выполняют функции тепловой защиты и несущей конструкции, характерный пример в РДТТ - насадки концевых частей сопел большой степени расширения. В зависимости от уровня воздействия окружающей элемент конструкции среды один и тот же материал может быть как облицовкой, так и изолятором.

Геометрия заряда РДТТ с центральным утопленным соплом исключает возникновение больших скоростей обтекания элементов корпуса (т.е. больших значений конвективных тепловых потоков), материалы тепловой защиты подвержены в основном нагреву излучением. Поэтому тепловая защита корпуса двигателя выполнена из легких ( ) эластичных низкотеплопроводных материалов на основе каучуков и резин без армирования наполнителем.

В многослойных конструкциях теплоизоляционные слои располагают между облицовкой (эрозионно-стойким слоем) и защищаемым элементом в целях минимизации общей массы данного узла двигателя. В зависимости от уровня напряженно-деформированного состояния и температуры элементов изолятором может быть ТЗМ на основе каучуков, а также низкотеплопроводный угле- и стеклопластик.

Материалы облицовок представляют собой изотропные и анизотропные композиции, состоящие из матрицы (связующего) и наполнителя, а также дефектов. Угле- и стеклопластики имеют органическое связующее и наполнители из угольной или кремнеземной ткани. Детали тепловой защиты тракта сопла получают прессованием и намоткой. Прессованием можно получить слоистые (анизотропные) и неориентированные (изотропные) композиты. Крупногабаритные элементы тракта (раструбы сопел) получают намоткой пропитанных связующих лент наполнителя на оправки с последующим отверждением под давлением и механической обработкой.

Графиты получают прессованием смеси каменноугольного пека (связующего) с нефтяным пеком (наполнителем) с последующей графитизацией при Т > 2400 К.

Пирографиты получают осаждением углерода при разложении метана на поверхность графита в интервале температур 2373...2673К, и пирографит по своим свойствам приближается к свойствам монокристалла - ему присущи резкая анизотропия и экстремальные значения теплопроводности, прочности и других характеристик.

УУКМ имеют наполнители из углеродных и графитовых тканей и волокон (в том числе и объемного плетения) и матрицу из пироуглерода. Ряд деталей получают пропиткой углеграфитового наполнителя связующим из органических смол при карбонизации заготовки в инертной среде (Т = 1273... 1373 К) и уплотнении карбонизированной заготовки пироуглеродом - осаждением пленок органических веществ при Т=1273...1473К.

Другие детали получают намоткой или выкладкой непропитанных связующим углеграфитовых лент или волокон на оправку с последующим уплотнением пироуглеродом в печи.

Насадки - концевые части сопел большой степени расширения выполняют из сплавов на основе ниобия или из низкоплотных УУКМ.

КМ обладают разнообразием структур, что приводит к различным значениям свойств элементов тракта, формально выполненных из одинаковых наполнителей и матриц. К дисперсным относят ТЗМ на основе резин и каучуков, а также прессованные угле- и стеклопластики с наполнителями из мелких кусков волокон и тканей (но некоторая анизотропия свойств наблюдается). Слоистые структуры имеют угле- и стеклопластики, получаемые намоткой, к ним же относятся графиты и пирографиты, имеющие анизотропию свойств по направлениям осей прессования (осаждения). УУКМ также имеют анизотропию свойств в зависимости от технологии изготовления. Анизотропия свойств материалов является сильным инструментом для создателей тепловой защиты - меняя значение угла ориентации слоев наполнителя тепловому потоку можно получать один и тот же материал с разными теплофизическими свойствами (теплопроводность).

Рассмотрим механизм работы углепластика при нагреве потоком продуктов сгорания ТТ. Температурные поля тонких осесимметричных элементов тракта (сопла РДТТ) определяют решением одномерного уравнения теплопроводности:

(9.1) где с, λ, ρ теплоемкость, теплопроводность и плотность материала, R - текущий радиус оболочки, - тепловой эффект фазовых переходов в материалах при нагреве. Для КМ теплопроводность есть некоторая эффективная характеристика, представляющая свойства композита как некоторого целого.

Начальным условием служит равномерное распределение температуры по толщине многослойной стенки:

(9.2)

Граничное условие на рабочей поверхности материала записывают модификацией граничного условия III рода на движущейся границе:

(9.3)

Здесь плотность конвективного теплового потока в стенку тракта записана в общем виде для сжимаемого течения коэффициент теплообмена, H_аСТ, H_СТ - значения энтальпии газового потока при температуре восстановления на адиабатической стенке и при температуре стенки конструкции. Плотность радиационного теплового потока представлена в форме закона Стефана-Больцмана (8.1), Т_е - температура ядра потока. Далее обозначено: Q - тепловой эффект окисления поверхностного слоя с массовой скоростью , R_СТ, R₀ - текущее и начальное значение радиуса оболочки, - значение суммарной массовой скорости уноса материала (скорости окисления и механического разрушения поверхностного слоя), ρ₀ - плотность материала исходного состава (до начала фазовых переходов), а_к - коксовое число материала с матрицей, подверженной пиролизу (массовая доля твердого остатка материала после завершения термической деструкции).

Для многослойной конструкции уравнение теплопроводности (9.1) справедливо для каждого слоя, на стыках слоев записывают условие сопряжения - равенство тепловых потоков и температур.

Граничным условием на внешней поверхности защищаемой конструкции (последнего слоя) принимают либо условие изоляции:

либо условия теплообмена с окружающей внешней средой. Это может быть радиационный тепловой поток от конструкции в окружающую среду при полете ракеты, при стендовых испытаниях может происходить конвективный теплообмен с окружающей двигатель атмосферой.

Схему такого прогрева коксующегося КМ иллюстрирует рис. 9.1., на котором в произвольный момент времени показаны профиль температуры, зона пиролиза и продукты пиролиза, фильтрующиеся по порам коксового остатка в пограничный слой на поверхности кокса и воздействующие на КМ тепловые потоки.

В уравнении (9.1) член содержит две составляющих, учитывающих тепловой эффект разложения матрицы и поглощение теплоты при фильтрации газообразных продуктов пиролиза по порам коксового остатка. Тепловой эффект разложения матрицы оценивают в концепции фронта пиролиза - пиролиз происходит в узкой области при достижении некоторой характерной изотермы:

, т.е. полусуммы температуры начала пиролиза и температуры его окончания. Величина теплового эффекта связана со скоростью потери массы соотношением:

где ΔJ – собственно тепловой эффект. Учет поглощения теплоты при фильтрации газов пиролиза выполняют при допущении о равенстве температур коксового остатка и движущегося газа с помощью конвективного члена , в котором и - теплоемкость и массовая скорость движения продуктов пиролиза.

Теплоемкость пиролизного газа определяют расчетным путем, массовую скорость его оценивают по соотношению:

где - доля связующего, перешедшего в газообразное состояние. Тогда уравнение (9.1) примет вид:

(9.4) где φ_с- доля связующего (матрицы) в материале.

Теплозащитные материалы корпусов РДТТ на основе каучуков и резин имеют большие значения доли связующего, т.е. большое выделение газа пиролиза, непрочный коксовый остаток, подверженный усадкам и разбуханию. Математические модели прогрева и разрушения таких материалов сложны и требуют знания ряда экспериментальных констант, определение которых выливается в длительные исследования высокотемпературной теплофизики.

В составных элементах горловины сопел, узлах стыка насадка из УУКМ и углепластикового раструба, а также в ряде других деталей конструкции необходимо учитывать пространственный характер распространения теплоты и анизотропию свойств материалов. Обычно используют модели нестационарной двумерной теплопроводности в системе R – z.

.

Рис. 9.1. Схема прогрева коксующегося КМ (углепластик)

ЛЕКЦИЯ 10