содержание      ..     9      10      11      12     ..

Справочник: Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива (Шишков А.А., Панин С.Д.) - часть 11

В графитах и пирографитах, имеющих кристаллическую структуру,

перенос энергии почти полностью осуществляется колебаниями решетки,

т.е. фононной теплопроводностью. Такой же механизм может быть реализован в

углерод-углеродных

композициях

и

прококсованных

слоях

углепластиков, в которых наполнитель и твердый остаток связующего

после пиролиза представляет собой подобие кристаллов.

Композиционные материалы обладают разнообразием структур, значения

теплопроводности определяют по различным моделям. Наиболее

распространенные типы структур композитов представлены на рис. 5.35. К

дисперсным структурам можно отнести теплозащитные материалы на основе

резин и каучуков с наполнителями, а также пресованные угле- и

стеклопластики с наполнителями из мелких кусков волокон. Слоистые

структуры имеют угле- и стеклопластиковые детали сверхзвуковых частей

сопел, получаемые намоткой лент наполнителя на оправку. К этим же

структурам можно отнести графиты и пирографиты, имеющие анизотропию

свойств по направлениям оси прессования (осаждения). Углерод-углеродные

композиции, полученные из карбонизованных углепластиков с последующим

осаждением пироуглерода также имеют слоистую структуру, только матрица

их состоит из углерода, а не из органического связующего.

Значения коэффициентов теплопроводности слоистого углепластика полученные

прямыми методами, приведены на рис. 5.36. До температуре начала пиролиза

(Т<573 К) наблюдается незначительное увеличение проводимости при   0 и

 =90°. При значении угла ориентации слоев наполнителя тепловому потоку

 =0 теплопроводность образцов кока в степени предельного разложения резко

увеличивается с ростом температуры вследствие осаждения пироуглерода на

твердый остаток кокса с ориентацией кристаллов углерода в направлении

максимальной теплопроводности.

Рис. 5.35. Модели структур комопзиционных материалов:

а - дисперсная структура; б - слоистая структура; в — трехмерная структура

Для угла ориентации   90° характерно уменьшение проводимости при

температурах, больших температуры начала пиролиза вследствие образования

пор. При больших значениях температуры

(Т>2100 К) теплопроводность

прококсованного слоя начинает увеличиваться вследствие переноса тепла

излучением.

214

Рис. 5.36. Теплопроводность углепластика:

□ - исходный состав,   0, • - прококсованные образцы,   0 ,  — исходный

состав,  =90°,  - прококсованные образцы,  =90°

Значения теплопроводности графита ПРОГ-2400 и пирографита УПВ-1 в

зависимости от температуры при двух значениях угла ориентации плоскости

прессования (осаждения) тепловому потоку приведены на рис. 5.37 согласно

данным работы

[16]. Существует резкая анизотропия проводимости

пирографита и уменьшение значений  с ростом температуры, подтверждающее

положение фононной теории теплопроводности.

Давление среды, окружающей образец, при экспериментальном опре-

делении теплофизических свойств асботекстолита оказывает влияние на

значения коэффициента теплопроводности. Исследования выполнены прямым

методом при давлении 0,2; 1,2 и 4 МПа и в диапазоне температур 470...730 К.

По мере увеличения давления происходит увеличение проводимости

вследствие уменьшения скорости термической деструкции из-за смещения

температуры кипения продуктов разложения в область повышенных

температур. При Т>730 К значения теплопроводности также выше значений при

атмосферном давлении [37].

В работах Тейлора исследована проводимость импульсным методом

углерод-углеродного композиционного материала трехмерной структуры (см.

рис.

5.35). Материала имел плотность

1883 кг/м³, открытую объемную

пористость 2%, объемные фракции волокон по осям х и у 0,13 и объемную

фракцию волокон по оси z 0,22. Значения теплопроводности в зависимости от

температуры для разных осей координат образца материала приведены на рис.

5.38. Наблюдается снижение проводимости с ростом температуры.

Теплозащитные материалы на основе резин и каучуков имеют самые

низкие значения коэффициентов теплопроводности. Так, при Т=300«400 К

значения  не превышают 0,21...0,25 Вт/м•К, а в случае наполнения материалов

полыми микросферами  не превышает 0,12...0,15 Вт/(м*К).

Теплоемкость композитов определяют в концепции дисперсной среды

[24]:

(c)

(1П

)(c)



П

(c)



m

s

m

g

215

Влияние степени термодеструкции на значение теплоемкости можно

оценить по соотношению [37]

c (T) c

(T)

c

(T)(1

)

c

(T)(1)



H

H

K

H

0

M

Рис. 5.37. Теплопроводность графита и пирографита:



- пирографит УПВ-1,

 0,



- пирографит УПВ-1,

 =90°;

•

- графит

ПРОГ-2400,   0 , о - графит ПРОГ-2400,  =90°

Рис. 5.38. Теплопроводность углерод-углеродной композиции трехмерной

структуры:

о - ось х; • - ось z

Результаты экспериментальных исследований прямым методом

теплоемкости композиционных материалов

[16,

24,

37] представлены на

рис.

5.39. Для графита, пирографита и углепластика характерно увеличение

теплоемкости с ростом температуры.

Показатели пиролиза коксующихся материалов определяют потерю массы

и тепловые коэффициенты, значение которых необходимо для моделирования

температурных полей в материалах, потерь импульса из-за трения

(вдув

продуктов разложения в пограничный слой). Важно знание показателей

пиролиза и при создании материалов тепловой защиты так как получить

прочный прококсованный слой можно на связующих с максимальным

выходом твердого остатка.

В экспериментах Ю.Е. Фраймана по нагреву фенол-формальдегидного

полимера со скоростью b =12 К/мин до температуры 1273 К установлено, что

процесс пиролиза может быть разделен на четыре этапа в интервалах

температуры до

453 К,

453...633 К,

633...1013 К и выше

1013 K.

При нагреве до

633 К происходит выделение адсорбированной влаги,

окиси и двуокиси углерода и воды вследствие частичной дегидратации

полимера. Самым сложным является процесс пиролиза при Т=633«1013 К.

В этом диапазоне температур происходит разрыв связей основной

цепи полимера, что приводит к образованию большого количества

216

низкомолекулярных продуктов и газообразных веществ: фенола, толуола,

крезола,

ксиленолов,

окиси

и двуокиси углерода,

водорода,

предельных и ненасыщенных алифатических углеводородов.

Скорость термодеструкции полимеров определяет кинетика процесса

разложения, являющаяся функцией теплового нагружения и структуры

материалов. Если рассматривать процесс деструкции одностадийным, то

скорость потери массы определяет классическое кинетическое уравнение [37]:

где К₀ и Е

— кинетические константы, определяемые экспериментально;

п - порядок реакции.

Рис 5.39. Теплоемкость материалов тепловой защиты:

0 - углепластик, исходный состав; • - углепластик, прококсованные образцы;

 - графит ПРОГ-2400;  - пирографит УПВ-1

Однако процесс пиролиза является многостадийным и зависящим от темпа

нагрева (рис. 5.40 [37]), особенно в диапазоне 630...740 К.

В инженерных расчетах используют формальные значения констант К₀ и Е,

охватывающие все имеющиеся экспериментальные данные в приближении

одностадийного процесса, а порядок реакции п принимают равным нулю. Учет

много стадийности процесс пиролиза выполняют разделением температурного

диапазона на характерные этапы, для каждого из которых вычисляют свои

значения

— К_о и Е. Влияние темпа нагрева на скорость потери массы

учитывают модификацией (5.19) в виде

d

K

n







(5.20)

dt

b

Однако в работе

[37] показано, что при больших темпах нагрева

кинетическое уравнение одностадийного процесса в виде (5.19) ил (5.20) не

отражает истинного процесса потери массы при пиролизе.

В углепластиках доля связующего имеет значение примерно 0,4 коксовое

число композита составляет 0,7...0,73 в степени предельного разложения при

значении коксового числа фенол-формальдегидной смолы примерно 0,52.

217

Рис 5.40. Потеря массы при пиролизе эпоксидного связующего:

1 - b=50 К/мин, 2 - b=20 К/мин, 3 - b=80К/мин, 4 - b=160 К/мин.

Тепловой эффект пиролиза коксующихся материалов учитывают в

уравнении теплопроводности членом

d

Q



J

,

dt

а под

J понимают эндотермический тепловой эффект одностадийно й

реакции термического разложения полимера.

Данные дифференциально-термического анализа углепластика на основе

фенольно-формальдегидной смолы, приведенные на рис. 5.41, указывают на

существование как эндо-, так и экзотермических реакции.

Рис.

5.41. Результаты дифференциальной термогравиметрии пиролеза

углепластика со связующим из фенольноформальдегидной смолы:

1 - потеря массы; 2 - кривая дифференциально-термического анализа (ДТА); 3 -

пик эндотермического эффекта пиролеза; 4 - впадина экзотермического эффекта

пиролеза; 5 - начало отсчета ДТА; b=19,5 К/мин

218

Механизм пиролиза полимера, предложенный, В Л. Миковым, объясняет

наличие экзоэффектов следующим образом. Энергия, поглощаемая при

крекинге макромолекулы полимера, запасается в образующихся коротко- и

долгоживущих радикалах. Короткоживущие радикалы при рекомбинации

образуют газообразные летучие и возвращают часть энергии. Энергия

долгоживущих радикалов также образует экзотермический эффект при

формировании коксового остатка. Такой подход требует представления Q как

суммы экзо- и эндотермических реакций со своими значениями кинетических

констант.

Коэффициенты в расчетных соотношениях, для перемещения характерной

изотермы начала пиролиза материалов на основе резин и каучук ков выбирают

по результатам экспериментов на установках, представляющих собой

твердотопливный генератор рабочего тела и мерный участок для диагностики

температурного поля в материалах (рис. 5.42). Если отсутствует инерционный

вынос конденсированной фазы на стенку, то параметры перемещения

характерной изотермы в материалах являются функцией конвективного и

радиационного теплового потока, а также состава и температуры газа.

Рис.

5.42. Схема модельной установки для определения характеристик

перемещения изотермы 573 К в материалах тепловой защиты корпусов:

1 - заряд твердого топлива; 2 - переходный участок; 3 - мерный участок с ис-

следуемым материалом;

4

— термопары для измерения температуры в

материале; 5 - сопловой блок установки; 6 — пробка из исследуемого материала

с термопарами; 7 - соломка для изоляции термоэлектродов; 8 - горячий спай

термопары из сваренных в стык термоэлектродов

Параметры радиационного и конвективного теплообмена на участке

стабилизированного течения в трубе поддаются достоверному расчету, и

219

возможно построение регрессионных уравнений для оценки характеристики

перемещения изотермы 573 К типа









t

;





a



a

a

 T



T

0

1

2

ЭФ

0

c

p

В таких установках важно организовать переходный участок от камеры к

мерному участку так, чтобы не было инерционного осаждения

конденсированной фазы на стенку и "жгутования" конденсата.

Для материалов тепловой защиты, унос которых происходит в кинетическом

режиме при взаимодействии с рабочим телом, необходимо знание

кинетических констант К_о иЕ при моделировании процесса уравнением

Аррениуса. К таким материалам относятся графиты, пирографи-^ТЬ1, углерод-

углеродные композиции, металлы. Углепластики в условиях теплового

нагружения современных РДТТ окисляются в диффузионном Режиме с первой

секунды работы двигателя, и исследовать кинетику уноса их нет надобности

(исключение составляют вспомогательные двигатели и газогенераторы,

топлива которых имеют невысокое значение температуры продуктов

сгорания).

Рис.

5.43. Функция распределения высоты бугорков шероховатости

поверхности (точки - различные значения массовой скорости уноса).

Процесс уноса материала изучают на экспериментальных установках при

взаимодействии образца со струей углекислого газа или паров воды. Образцы

нагревают электрическим током до заданной температуры, измеряемой

пирометром. Установку предварительно калориметрируют, и величины

тепловых потоков в опытах известны достоверно.

Определение

K

и Е по результатам модельных и натурных экспериментов

0

заключается в подборе их значений при расчетах уноса до совпадения с

опытными значениями величины унесенного слоя к концу работы РДТТ.

221

Шероховатость характеризуется минимум двумя параметрами - высотой

бугорков к и расстоянием между центрами соседних гребней бугорков s.

Функции распределения значений к и s приведены на рис. 5.43 и 5.44.1.

Значения к и s зависят от значений скорости уноса массы материалов.

Зависимости математических ожиданий высоты бугорков и расстояния между

гребнями от массовой скорости уноса представлены на рис. 5.45 и 5.46.

Минимальные значения к и s соответствуют случаю т 0, а при т > 0,1

кг/(м²•с) параметры шероховатости слабо зависят от скорости уноса массы.

Отличия в механизме и в абсолютных значениях скорости уноса на различных

участках сопел приводят к различным значениям параметров шероховатости, но

наибольшие значения к не превышают толщины слоя ткани наполнителя (при

отсутствии аномального разрушения материалов в виде сколов больших

кусков).

Рис.

5.44. Функция распределения расстояния между гребнями

шероховатости (обозначения см. на рис. 5.43)

Рис.

5.45. Зависимость математического ожидания высоты бугорков

шероховатости от массовой скорости уноса

222

Рис.

5.46. Зависимость математического ожидания расстояния между

гребнями от массовой скорости уноса

В общем случае шероховатость развивается от начальной (технологической)

под воздействием пиролиза связующего и уноса прококсованного слоя;

нарастающая во времени шероховатость начинает интенсифицировать процессы

теплообмена и трения на стенке.

Значения интегральной степени черноты поверхности материалов

определяют экспериментально. Технология получения пирографитов

обеспечивает такую шероховатость поверхности, что падающее излучение

отражается и зеркально, и диффузно при Tw 300 К, причем излучательная

способность зависит от температуры осаждения [16]. Однако при воздействии

потока продуктов сгорания поверхность становится щероховатой при уносе

массы, и излучение отражается диффузно.

Экспериментальные значения степени черноты графита и пирографита в

зависимости от температуры приведены на рис. 5.47 по данным работ [16, 24,

28]. Наличие механической обработки, т.е. изменение шероховатости

поверхности, увеличивает значение степени черноты при Tw 2200 К по

сравнению с необработанными поверхностями.

Рис. 5.47. Интегральная степень черноты материалов

о

- полированный графит;

•

- механически обработанный графит;

 - полированный пирографит;  - механически обработанный пирографит

223

Прококсованные слои углепластиков имеют такие параметры

шероховатости, что высота бугорков шероховатости существенно превышает

длину волны падающего излучения (к /  1), и можно рассматривать случай

падения излучения в полость с многократным отражением. Обычно для

поверхности кокса углеграфитовых материалов в области температур

Tw>2000К принимают значение  w  0,8.

Представление характеристик материалов тепловой защиты в конструкции

РДТТ на машинном носителе в базе данных (БД) можно выполнять в виде

объектно-характеристической структуры, показанной в табл. 5.5.

Предварительно составленная таблица аргументов — значений температур

Т^, ,Т

, ..., Тⁿ , охватывающих диапазон от начальной температуры конструкции

до температуры торможения продуктов сгорания существующих топлив, —

должна быть в прикладных программах.

Полное представление всех характеристик материалов тепловой,

защиты и конструкции в рамках информационного обеспечения

проектирования РДТТ с возможностью наращивания и изменения данных без

доработки прикладных программ требует применение системы управления БД.

Вариант дерева описания данных по характеристикам материалов представлен

на рис. 5.48.

Рис.

5.48. Пример дерева описания данных по свойствам материалов

тепловой защиты

224

Терминальные вершины третьего уровня содержат ключ к БД

—

"Марка", комментарий к данным

— "Коммент" (русский текст 250 байт),

значения математических ожиданий постоянных характеристик материалов и

значения их дисперсий, а также два ключевых массива

— "Тепло" и

"Прочность", содержащих теплофизические и механические характеристики

материалов в зависимости от температуры и угла ориентации.

В ключевом массиве "Тепло" вершина "Т" на пятом уровне является

ключевой и содержит аргумент — значения температур. Массив "Ориеноль"

содержит характеристики материалов при угле ориентации слоев наполнителя

(оси прессования)  =0°, а массив "Ориенорм" - при угле ориентации  =90°.

Аналогично организован ключевой массив "Прочность", в котором

терминальная вершина "ТТ" является аргументом (температура), а массивы

"Ор" и "Нор" содержат математические ожидания и дисперсии характеристик

материалов.

Для расчетов энергетических параметров РДТТ и параметров

взаимодействия потока продуктов сгорания с элементами тракта необходимо

знать термодинамические свойства и переносные свойства рабочего тела РДТТ:

молярную массу, газовую постоянную, температуру торможения,

окислительный потенциал, показатели адиабаты и изоэнтропы, массовую долю

конденсированной фазы, функцию распределения размеров частиц

конденсированной фазы, вязкость, теплоемкость, число Прандтля (см. подразд.

2.2).

Рис. 5.49. Пример дерева описания данных о характеристиках твердых

топлив и продуктов сгорания

225

Ключевые массивы дерева описания данных (рис. 5.49) содержат марки

топлив, давления

("Значения") и температуру

("Течение") в качестве

аргументов, а в терминальных вершинах размещены необходимые данные.

Переносные

свойства

изменяются

только

от

температуры,

незначительное влияние давления не учтено.

В информационное обеспечение входят также данные по известным

конструктивным решениям элементов класса разрабатываемых РДГТ,

патентные решения других организаций и стран. Тем самым используется опыт

создания надежных конструктивных решений, обладающих преемственностью.

Конструктивные схемы решений можно хранить на микрофильмах, и кассету

просматривать непосредственно на рабочем месте.

Некоторые типовые решения элементов тепловой защиты корпусов и

сопел РДТТ приведены на рис. 5.50.

Рис.

5.50. Конструктивные решения элементов тепловой защиты тракта

РДТТ:

а - входная часть сопла; б — многослойная' конструкция сверхзвуковой части

сопла; 3 - облицовка; 2 - изолятор; 1 — конструкция; в - вкладыш минимального

сечения сопла:

1

- облицовка из многомерного УУКМ;

2

- изолятор из

углепластика

5.9. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ РДТТ

В ходе огневых стендовых испытаний (ОСИ) РДТТ выполняют измерения

температуры защищаемой конструкции термометрами сопротивления или

термопарами, а также температурных полей материалов тепловой защиты [6].

Температуры по толщине элементов тракта измеряют с помощью термопар,

установленных на пробках, и трудности измерения температур в

низкотеплопроводных композиционных материалах проявляются в полной мере

[24].

Измерение температуры насадков сопел большой степени расширения,

выполненных из металлов и углерод-углеродных композиций, проводят

226

оптическими методами. После проведения ОСИ производят обмер величин

унесенного и прококсованного слоев по схеме, учитывай) щей особенности

создаваемой конструкции и требования надежности.

После спада давления в двигателе на стенде до момента начала тушения

водой происходит догорание остатков топлива и газов пиролиза материалов

тепловой защиты, продолжающееся вследствие перераспределения тепла,

накопленного материалами в период работы двигателя. Свободная конвекция в

полости двигателя после спада давления не приводит к увеличению уноса

материалов ввиду низкого значения температуры стенки, и измеренные

значения величины унесенного слоя можно считать истинными, если при

тушении не было разрушения не прочного кокса резиноподобных материалов.

Но величина прококсованного слоя, измеренная после разрезки остывшего

двигателя, превышает истинные значения в момент окончания работы

двигателя вследствие дополнительного коксования поел спада давления.

Численные оценки влияния граничных условий в полости двигателя на

дополнительное коксование углепластика сверхзвуковой части сопла РДТТ

представлены на рис. 5.51.

Рис. 5.51. Дополнительное коксование углепластика сверхзвуковой части

сопла после окончания работы двигателя:

1 - изменение давления во времени; 2 - расчетное перемещение изотермы 573 К

при изолированной стенке для t>65 с; 3 - расчетное перемещение изотермы

573 К при свободной конвекции в полости двигателя для t>65 с; 4 - расчетное

перемещение изотермы 573 К при излучении стенки в окружающую двигатель

среду за срез сопла для t>65 с;

5

- толщина углепластика, полностью

прококсованная к 88 с.

Решение одномерного уравнения теплопроводности с учетом пиролиза

связующего выполнено для трех вариантов граничных условий после спада

давления:

изолированная стенка;

227

Рис. 5.52. Пример дерева описания данных отработки тепловой защиты

двигателя на стенде

Откликами служат данные по величинам унесенного и прококсованного

слоев материалов тепловой защиты в меридиональных плоскостях сечений

тракта. Записи подлежат величины



и



представляющие собой унос и кокс

yij

Tij

в i-й точке обмера по j-й базе. Откликами являются также экспериментальные

значения температур защищаемой конструкции Т в конечный момент времени

работы двигателя, а также качественная оценка аномальных результатов

испытаний тепловой защиты (наличие локальных прогаров, трещин, отслоений

и т.п.).

229

содержание      ..     9      10      11      12     ..