Полежаев - Тепловая защита

Ю.В.ПОЛЕЖАЕВ Ф. Б. ЮРЕВИЧ

ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА

Под редакцией А. В. ЛЫКОВА

«ЭНЕРГИЯ»

МОСКВА

1976

Полежаев Ю. В. и Юревич Ф. Б.

Тепловая защита. Под ред. А. В. Лыкова.

М., «Энергия», 1976. 392 с. с ил.

В книге обобщены достижения отечественной и зарубежной науки в области аэродинамики, тепло- и массообмена и термодинамики  применительно к конструированию и расчету тепловой защиты; приведены сведения по рецептурам и механизму разрушения основных классов теплозащитных покрытий; описаны методы экспериментальных  исследований эффективности тепловой защиты в высокотемпературных газовых потоках.

Книга предназначена для научных сотрудников и инженерно-технических работников, занятых в области теплообмена,  теплофизики и теплоэнергетики, а также студентов и аспирантов высших учебных заведений соответствующих специальностей.

© Издательство «Энергия», 1976

ПРЕДИСЛОВИ

Современное развитие энергетики, повышение режимных параметров теплоэнергетических процессов требует разработки новых конструкционных материалов, обладающих необходимыми теплозащитными свойствами.

Большой опыт в создании стойких теплозащитных материалов накоплен в ракетно-космической технике. За короткий срок была создана и усовершенствована технология изготовления тугоплавких металлов и их соединений, керамики и серии разрушающихся теплозащитных материалов как композиционных, так и армированных.

Учитывая, что в последнее время наблюдается сближение требований к тепловой защите в энергетических установках и аппаратах космической техники, представляет интерес ознакомить инженеров теплотехников и конструкторов станционной и промышленной энергетики с новейшими способами тепловой защиты, с основными закономерностям тепло- и массопереноса в материалах тепловой защиты, а также с методами исследования теплозащитных свойств материалов.

Использование этих методов в энергетике позволит определить основные направления в разработке новых теплозащитных материалов и наметить пути повышения режимных параметров теплоэнергетичских процессов.

В предлагаемой читателю монографии дано систематическое изложение теории тепловой защиты и теплоизоляции. Основное внимание уделяется методам и материалам, температурный диапазон применимости которых превышает 1000 К. Технология получения и нанесения покрытий освещается только с точки зрения работоспособности защитного  материала. Большое внимание в книге уделяется  нахождению оптимального режима тепловой защиты,  анализу тепловых, массообменных и химических  процессов в теплозащитных покрытиях. Такое  изложение теории и методов расчета высокотемпературной тепловой защиты дается впервые. Книга является первой отечественной монографией по тепловой  защите, обобщает достижения отечественной и  зарубежной науки в этой области техники за последние 10—15 лет.

Книга намечает пути практической реализации накопленных наукой данных по теплообмену в  высокотемпературных диссоциированных и  ионизированных газовых потоках, а также по теплопереносу внутри разлагающихся твердых материалов и в  известном плане может служить справочным  пособием. В книге содержатся опубликованные сведения по рецептурам теплозащитных покрытий и  принципам их оптимизации.

Книга представляет интерес не только для  энергетиков, но и для инженеров металлургической  теплотехники, авиационной техники, для  конструкторов химического машиностроения и ряда других  отраслей техники, где применяется тепловая защита.

Методическое построение книги, доступность изложения сложных вопросов, большая эрудиция авторов в разных областях научных знаний  позволяет рекомендовать книгу в качестве учебного  пособия для аспирантов и студентов старших курсов вузов энергетических и авиационных  специальностей.

А. В. ЛЫКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость в использовании специальной тепловой защиты возникает в тех случаях, когда незащищенная конструкция под действием  тепловых потоков неминуемо должна разрушиться. 

Верхним пределом применимости самых жаропрочных металлов без тепловой защиты можно,  по-видимому, считать тепловые потоки порядка 2,5-10 Вт/м2, которые приводят к равновесным температурам  поверхности, превышающим 1500 К. Названные  величины могут рассматриваться лишь как условная граница, поскольку в большинстве случаев тепловое воздействие может усугубляться механическими и окислительными воздействиями, что приводит к разрушению конструкции при существенно  меньших температурах.

В настоящее время возникает необходимость на основе накопленного опыта выработать строгие критерии отбора, позволяющие заменить  эмпирический подход целенаправленным поиском систем, оптимальным образом отвечающих заданным  условиям. Это требование особенно важно для  разрушающихся теплозащитных материалов, количество которых резко растет в связи с прогрессом в  области органической химии и материаловедения. При этом возникла потребность в разработке теории (механизма) процессов разрушения и прогрева теплозащитных материалов, в теоретическом  исследовании влияния состава различных классов  покрытий на параметры разрушения, в обобщении результатов стендовых исследований и создании  новых методик эксперимента.

Этим объясняется важность классификации многочисленных  рецептур теплозащитных материалов, детального исследования различных  аспектов взаимодействия материала с высокотемпературным газовым  потоком.

Впервые проблема тепловой защиты была сформулирована и  получила интенсивное развитие в авиационно-космической технике в связи с решением задач гиперзвукового полета в атмосфере. При движении какого-либо тела со скоростями более чем в шесть раз превышающими скорость звука, в самом газовом потоке и на поверхности тела  происходит целый ряд физико-химических превращений. В воздухе за ударной волной начинается диссоциация молекул кислорода, а затем и азота. На поверхности тела появляются очаги разрушения материала стенки. В тонком пристеночном слое выделяется тепловая энергия трения и  происходит конвективный перенос тепла от газа к поверхности.

На рис. В-1 показано, как изменяется температура газа за прямой ударной волной по мере увеличения скорости набегающего воздушного потока (числа Маха), а на рис. В-2 соответственно представлено  изменение его химического состава. Переход кинетической энергии потока в тепловую приводит к тому, что при гиперзвуковых скоростях полета поверхность тела омывается высокотемпературной смесью атомов, молекул, ионов и электронов.