КАТАЛИТИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА В СИСТЕМАХ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 38_www.mai.rU/science/trudv/_

УДК 516:621.791.629.78.021.226.

Каталитические и излучательные свойства в системах тепловой защиты космических летательных аппаратов.

А. А. Купрюхин, П.В. Никитин

Аннотация

В статье излагается метод экспериментального определения каталитических и излуча-тельных свойств перспективных материалов тепловой защиты космических летательных аппаратов планирующего класса. Метод разработан с целью использования на высокотемпературных газодинамических стендах, воспроизводящих натурные тепловые параметры при полете КЛА (космического летательного аппарата) в атмосфере Земли и других планет. Проведен анализ влияния каталитических и излучательных свойств на теплообмен на поверхности КЛА.

Ключевые слова

Термодинамика; тепломассообмен; тепловая защита; гетерогенные потоки; разно-функциональные покрытия; теплозащитные материалы.

Некоторые аспекты расчета теплообмена на каталитически активной поверхности.

Анализ влияния на теплообмен каталитической активности поверхности строится, главным образом, на концепции /3/ равенства нулю концентрации атомов на поверхности. Однако эта концепция не учитывала процессы каталитической абсорбции, для которых, как показано в ряде работ /2/, скорость реакции абсорбции пропорциональна плотности и массовой концентрации 1-ой компоненты у поверхности, т.е. (С^-р^)т. Кроме того, эта концепция не учитывала также возможность реакции диссоциации молекул на поверхности. В дальнейшем было установлено, что указанными процессами можно пренебрегать в случае высокой активации поверхности и низких уровнях температур, Тк < 2000^ . В этой связи, для экспе-

риментального определения каталитических свойств новых типов ТЗМ появилась необходимость проанализировать некоторые аспекты влияния на тепло - и массообмен каталитической активности поверхности.

Как известно, диффузионный проток массы атомов к поверхности в пограничном слое описывается законом Фика в виде:

П №)

и

(1.1).

Тогда, согласно закону сохранения массы, имеем:

= РК • Ц • {■^^ = Кк • (,Р,* Т

\.дУ и

(12),

где К« - скорость рекомбинации атомов. По оценкам ряда работ порядок реакции т изменяется в пределах: 1 < т < 2. При умеренных температурах поверхности можно принять т = 1.

Выражение (1.2) является граничным условием для решения уравнения неразрывности потока. Из него следует, что диффузионный поток атомов к стенке может иметь место при го, не смотря на то, что вследствие процесса гетерогенной рекомбинации массовая концентрация атомов на стенке С;,«^ 0.

При использовании (1.2) возникают трудности в определении массовой концентрации атомов на каталитически активной поверхности. В этой связи приходится решать систему нелинейных дифференциальных уравнений пограничного слоя с введением новых переменных в форме преобразования Дородницина - Лиза. Подобное решение проведено в работах /4/ и /5/. Далее, если учесть, что при умеренной температуре поверхности каталитическую реакцию рекомбинации можно считать реакцией первого порядка (т = 1 в ур. 1.2), то решение задачи пограничного слоя дает возможность представить безразмерную массовую концентрацию атомов на стенке в виде

С^ 1

С,

2в

К

0,47&„^ р • Ц

■ +1

^ 3

(1.3),

где Сг,е - массовая концентрация атомов на внешней границе пограничного слоя, индекс «0» означает, что данный параметр берется при температуре торможения, К - скорость рекомбинации атомов, Бе« = Ргте/Ье№, в - градиент скорости в передней критической точке:

М р0

(1.4).

= Г~РН

В свою очередь, коэффициент С = 1--, Я0 - радиус притупления КЛА.

\ Р0

Из выражения (1.3) следует, что при абсолютной каталитической активности поверхности, т.е. К^—> да, безразмерная концентрация атомов на поверхности стремится к нулю, т.е. ci,w/ci,e — 0. При нулевой каталитической активности К— 0, эта концентрация стремится к единице, С^/С^ — 1.

Перейдем далее к анализу теплообмена на стенке. Ранее показано, что теплообмен в химически активном пограничном слое определяется, главным образом, двумя процессами: молекулярной теплопроводностью и процессом рекомбинации атомов, продиффундировав-ших на стенку из объема пограничного слоя. Плотность теплового потока для первого процесса обозначим для второго - q0,рeк. В таком случае, суммарный тепловой поток в стенку можно представить в виде: qo,E = qoд + qo,рeк

(15).

Выражение для расчета плотности теплового потока в передней критической точке, обусловленного молекулярной теплопроводностью д0Д получено в теории теплообмена и имеет вид:

=0,665 (в Р0 -а ) рг;к ((0 - ^ )

(16),

где р0 - плотность воздуха при температуре и давлении торможения, ц0 - коэффициент динамической вязкости воздуха при температуре и давлении торможения, Рг - критерий Пран-дтля, 10 - энтальпия торможения потока, 1„ - энтальпия воздуха при температуре стенки.

Остановимся несколько подробнее на выводе выражения для расчета плотности теплового потока q0,рeк в передней критической точке, обусловленного рекомбинацией атомов. Понятно, что плотность теплового потока q0,рeк определяется величиной диффузионного потока атомов к поверхности § , а также удельной теплотой рекомбинации атомов 0, т.е.:

40,рек. = §1 '

Или, учитывая (1.1), получим:

Я.0,рек. = Кп ' Сг ' Р™ ' кг (1.8).

Но, согласно (1.1), окончательно получим:

^0,рек. = 0,665 (в-М0 ■ Р0 Т ■ ^-23 • к,0 • С,,е ^ ( - К )

(1.9),

где Сг,е - массовая концентрация атомов на внешней границе пограничного слоя, ф - коэффициент равен:

1

ср = -

1 + 0,665&;/з ■(■у^ р)

(110),

Рг™ _ У

В свою очередь, критерий Шмита, 8ек =

Ье р И

Как видно, в формуле (1.9) влияние каталитической активности поверхности отражено в скорости рекомбинации К«. Если К«^ го, ф ^ 1, при, К«^ 0, ф ^ 0, а, следовательно,

Ч0,рек ^ 0.

В таком случае, используя уравнения (1.5), (1.6) и (1.11) и проведя соответствующие преобразования, получаем выражение для расчета суммарного теплового потока в передней критической точке КЛА с учетом влияния на теплообмен каталитической активности поверхности ТЗМ:

дох = 0,665(в^0 РТРГ-К 1 + С1уЬе-К (/0 -/

/ _ , 0 л

- к _Л (/0 - Т

(1.11).

Соотношения (1.10) и (1.11) используются при составлении алгоритма экспериментального определения К«.

2. Определение излучательных свойств теплозащитных материалов при интенсивном нагреве.

Интегральная излучательная способность е№ (степень черноты поверхности) теплозащитного материала является одним из параметров, обеспечивающих условие теплового баланса на внешней поверхности космических летательных аппаратов многоразового использования. Кроме того, уровень е№ является индикатором всех физи-

ко-химических процессов, протекающих на поверхности ТЗМ. Как известно, в комплекс излучательных свойств включает монохроматическую (спектральную) £Д и

интегральную £Ш степени черноты поверхности. Для определения этих параметров в

ходе испытания ТЗМ в высокоэнтальпийных газовых потоках используются основные теоретические положения теплового излучения тел, а также методы оптической пирометрии /6/.

Из определения цветовой температуры, согласно закону Вина, имеем /7, 8/: 1 1

Т

• I

Ш ,ЦВ.

Д ' ТШД Д2 ' ТШД

Г1 1 V

Д Д

2 У

(2.1)

В таком случае истинная температура поверхности может быть определена по известной цветовой температуре по формуле:

Г = 1

т +-1 С2

(2.2).

(

\___1_

Д Д

Л-1

Кроме того, как известно из теории теплового излучения тел, монохроматическая степень черноты поверхности серого тела представляется в виде:

ехр

С,

Сдл = ■

Д ■ ТШ

-1

ехр

С

Л ■т,

-1

(2.3),

где С2 - коэффициент излучения в законе Планка.

В свою очередь, интегральная степень черноты поверхности согласно закону Стефана - Больцмана может быть представлена в виде:

(2.4).

Т Т

V у

Таким образом, в основу метода определения излучательных свойств теплозащитных материалов при интенсивном нагреве положено использование в эксперименте соотношений (2.1)...(2.4) и соответствующих параметров, полученных в эксперименте.

Метод экспериментального определения излучательных свойств ТЗМ базируется на измерении монохроматических яркостных температур поверхности Tw,x,nP датчиком Козырева /9/, как минимум, на двух длинах волн X и а также радиационной Tw,R и истинной Tw температуры поверхности исследуемого ТЗМ.

Далее принимается допущение, что монохроматическая излучательная способность материала слабо изменяется в выбранном диапазоне длин волн и т. е.

6^1 ~ 6X2 ~ 6х .

Для того чтобы это допущение выполнялось в эксперименте, измерения ярко-стных температур производятся на нескольких длинах волн Xi. Такой прием позволяет выбрать для эксперимента такой интервал длин волн, где справедливо допущение о слабом изменении монохроматической степени черноты 6X. Тогда, используя экспериментальные данные измеренных температур Tw,Xi, Tw,R и Tw по проведенным выше зависимостям рассчитываются искомые излучательные способности исследуемого ТЗМ - спектральная и интегральная.

Библиографический список

[1] Никитин П.В. Тепловая защита. Учебник высшей школы. М.: Изд. «МАИ» 2006, 510с.

[2] Воронин В.Г., Залогин Г.Н. «О механизме рекомбинации атомарного азота вблизи каталитической поверхности, обтекаемой диссоциированным воздухом». Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа, №3, 1980г.

[3] Goulard R. «On catalytic recombination rates in hypersonic stagnation heat transfer. Jet Propulsion, 1958, vol. 28, № 11, p/.128...140.

[4] Анфимов Н. А. «Ламинарный пограничный слой на химически активной поверхности». - «Известия АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение», 1962, №3, с.46.52.

[5] Гулард Р. « О влиянии скоростей каталитической рекомбинации на теплопередачу при торможении гиперзвукового потока». Ж. «Вопросы ракетной техники», №5 1959, с. 4.23.

[6] В.С. Авдуевский, Б.М. Галицейский, Ю.И. Данилов и др. « Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике». Под общ. ред. В. С. Авдуевского, В. К. Кошкина. 2-е изд. - М., «Машиностроение», 1992, 528 с.

[7] Топорец А.С. «Оптика шероховатой поверхности». Л.: «Машиностроение», 1973

327с.

[8] Полежаев Ю.В., Михатулин Д.С., Никитин П.В. «Моделирование межфазного обмена в гетерогенных средах с целью разработки высокоэффективных технологий», ИФЖ, АН Беларуси, т. 71, № 1 1998, с.19...29.

[9] Киренков А. Й. «Метрологические основы оптической пирометрии». М., 1976 г, с .421.

Сведения об авторах

Александр Александрович Купрюхин, аспирант, Московский авиационный институт (Государственный технический университет), kupryukhin@mail.ru, (499) 158 49 30.

Петр Васильевич Никитин, профессор, д.т.н., Московский авиационный институт (Государственный технический университет), petrunecha@mtu-net.ru, (495) 945 72 47, (499) 158 49 30.