«Теплозащита»

средство обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значит. тепловых потоков. Т. широко распространена в авиационной и ракетной технике для защиты летательных и космических аппаратов от аэродинамического нагрева (См. Аэродинамический нагрев) при движении в плотных слоях атмосферы, а также для защиты камер сгорания и сопел воздушно-реактивных и ракетных двигателей.

Существуют активные и пассивные методы Т. В активных методах газообразный или жидкий охладитель подаётся к защищаемой поверхности и берёт на себя основную часть поступающего к поверхности тепла. В зависимости от способа подачи охладителя к защищаемой поверхности различают несколько типов Т. Конвективное (регенеративное) охлаждение — охладитель пропускается через узкий канал («рубашку») вдоль внутренней (по отношению к подходящему тепловому потоку) стороны защищаемой поверхности. Данный способ Т. применяется в стационарных энергетических установках, а также в камерах сгорания и соплах жидкостных ракетных двигателей. Заградительное охлаждение — газообразный охладитель подаётся через щель в охлаждаемой поверхности на внешнюю, «горячую», сторону, как бы загораживая её от воздействия высокотемпературной внешней среды. Заградительный эффект струи охладителя уменьшается по мере её перемешивания с горячим газом. Поэтому для Т. больших поверхностей пользуются системой последовательно расположенных щелей. Этот метод применяется в авиации для Т. камер сгорания и сопел воздушно-реактивных двигателей, причём в качестве охладителя используют забортный воздух. Плёночное охлаждение аналогично заградительному, но через щель защищаемой поверхности подаётся жидкий охладитель, образующий на этой поверхности защитную плёнку. По мере растекания вдоль поверхности жидкая плёнка испаряется и разбрызгивается. Поглощение подводимого к поверхности тепла в данном способе Т. происходит за счёт нагревания и испарения плёнки жидкого охладителя, а также последующего нагрева его паров. Применяется для защиты камер сгорания и сопел жидкостно-реактивных двигателей. Пористое охлаждение — газообразный или жидкий охладитель подаётся через саму охлаждаемую поверхность, для чего последнюю делают пористой или перфорированной. Этот метод применяется при повышенных тепловых потоках к поверхности, когда предыдущие методы Т. оказываются несостоятельными. В пассивных методах Т. воздействие теплового потока воспринимается с помощью специальным образом сконструированной внешней оболочки или с помощью специальных покрытий, наносимых на основную конструкцию. В зависимости от способа «восприятия» теплового потока различается несколько вариантов пассивных методов Т. В теплопоглощающих конструкциях (тепловых аккумуляторах) подходящее к поверхности тепло поглощается достаточно толстой оболочкой. Эффективность метода зависит от величины удельной теплоёмкости материала теплопоглощающей конструкции (наиболее эффективен бериллий). «Радиационная» Т. основана на применении в качестве внешней оболочки материала, сохраняющего при высоких температурах достаточную механическую прочность. В этом случае почти весь тепловой поток, подходящий к поверхности такого материала, переизлучается в окружающее пространство. Теплоотвод внутрь защищаемой конструкции минимален за счёт размещения между внешней высокотемпературной оболочкой и основной конструкцией слоя из лёгкого теплоизоляционного материала. Данный способ может использоваться лишь для Т. внешних поверхностей аппаратов, когда излучение от нагреваемой поверхности имеет свободный выход во внешнее пространство.

Наибольшее распространение в ракетной технике получила Т. с помощью разрушающихся покрытий. Согласно этому методу защищаемая конструкция покрывается слоем специального материала, часть которого под действием теплового потока может разрушаться в результате процессов плавления, испарения, сублимации и химических реакций. При этом основная часть подводимого тепла расходуется на реализацию теплот различных физико-химических превращений. Дополнительный заградительный эффект имеет место за счёт вдува во внешнюю среду сравнительно холодных газообразных продуктов разрушения теплозащитного материала. Этот вид Т. используется для защиты от аэродинамического нагрева головных частей баллистических ракет и космических аппаратов, входящих с большой скоростью в плотные слои атмосферы, а также для защиты камеры сгорания и сопел ракетных двигателей, особенно двигателей твёрдого топлива, где использование др. методов Т. затруднено. Данный метод Т. обладает повышенной надёжностью по сравнению с активными методами Т.

Большинство используемых на практике разрушающихся теплозащитных покрытий представляют собой довольно сложные композиции, состоящие по крайней мере из двух составных частей — наполнителя и связующего. Задача наполнителя — поглотить в процессе разрушения за счёт физико-химических превращений достаточно большое количество тепла. Задача связующего — обеспечить достаточно высокие механические и теплофизические свойства материала в целом. Пример разрушающихся теплозащитных покрытий — стеклопластики и другие пластмассы на органических и кремнийорганических связующих.

Лит.: Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике, М., 1975; Душин Ю. А., Работа теплозащитных материалов в горячих газовых потоках. Л., 1968; Мартин Дж., Вход в атмосферу, пер, с англ., М., 1969; Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б., Тепловая защита, М., 1975.

Н. А. Анфимов.

1. теплозащи́та;
2. теплозащи́ты;
3. теплозащи́ты;
4. теплозащи́т;
5. теплозащи́те;
6. теплозащи́там;
7. теплозащи́ту;
8. теплозащи́ты;
9. теплозащи́той;
10. теплозащи́тою;
11. теплозащи́тами;
12. теплозащи́те;
13. теплозащи́тах.

-ы, ж.

То же, что теплоизоляция.

Теплозащита зданий.

ж.

Защита различных устройств, помещений и т.п. от нежелательного теплового обмена с окружающей средой; теплоизоляция.

косм. heat shielding, heat-reflection

ТЕПЛОЗАЩИТА

- средство для обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значит. тепловых потоков (q>> Вт/см ²), когда применение простой теплоизоляции становится невозможным.

М е т о д ы Т. l. Конвективное охлаждение - подходящие к тонкой металлам, обшивке тепловые потоки отводятся в охлаждающую жидкость или газ, к-рые протекают с другой стороны обшивки.

2. Заградит. охлаждение - через отверстие или щель вблизи охлаждаемой поверхности в направлении потока подаётся струя холодного газа. Заградит. эффект струи уменьшается по мере её перемешивания с горячим газом.

3. Плёночное охлаждение - аналогично заградительному, с той разницей, что через щель или отверстие подаётся жидкий охладитель, образующий на охлаждаемой поверхности защитную плёнку. Защитный эффект уменьшается по мере испарения плёнки и ее разбрызгивания.

4. Пористое охлаждение - жидкий или газообразный охладитель подаётся через пористую или перфорированную поверхность аппарата. При охлаждении жидкостью расход её подбирается т. о., чтобы жидкость испарялась внутри пор.

5. Т. с помощью теплопоглощающей оболочки - подходящее к поверхности тепло поглощается за счёт теплоёмкости достаточно толстой оболочки при повышении темп-ры последней. Большой эффект достигается при дополнит. использовании теплоты плавления и нагревания жидкой фазы материала, а также теплоты хим. разложения. Однако в этих случаях необходимо заключать тепло-поглотитель в жёсткую металлич. оболочку.

6. Отвод тепла радиацией - проблема Т. решается посредством создания материала, выдерживающего высокую темп-ру, при к-рой всё подводимое тепло может излучаться в пространство; при этом, согласно Стефана -Больц-мана закону излучения, излучаемый поверхностью тепловой поток где e - суммарная испускат. способность внеш. покрытия, s₀ - постоянная Стефана, a T_w - абс. темп-pa поверхности. Сложность практич. применения данного метода Т. связана с тем, что при высокой темп-ре металлы, из к-рых изготовляется излучающая оболочка, окисляются кислородом воздуха. Для борьбы с окислением внеш. поверхность 2 (рис. 1) покрывается тонким слоем покрытия 1, устойчивого к окислению. Между излучающей поверхностью и частями конструкции 4 помещается лёгкая изоляция 3. Этот способ может применяться лишь для Т. внеш. поверхностей аппаратов.

7. Т. с помощью разрушающихся (уносимых) покрытий осуществляется за счёт поглощения большого кол-ва тепла в процессе уноса массы этих покрытий. Поглощаемое тепло идёт на нагрев материала, а также на разл. фазовые и хим. превращения. При применении методов 4 и 7, а также частично методов 2 и 3 возникает дополнит. заградит. эффект в результате вдува газообразного охладителя в пограничный слой, что приводит к снижению подходящего к поверхности теплового потока. При не слишком больших расходах газообразного охладителя G_u снижение теплового потока q=q₀-b(I₀₀ - I_w)G_u. где q₀- тепловой поток к непроницаемой поверхности, I₀₀ - энтальпия торможения, a I_w - энтальпия внеш. газа при темп-ре стенки. Коэф. вдува b= a(M_e/M_u)^b, где М _е и M_u -молекулярные веса внеш. и вдуваемого газов, причём коэф. а и b зависят от геометрии тела и режима течения в пограничном слое (л а м и н а р н ы й или т у p б у л е н т н ы й).

Метод Т. с помощью разрушающихся покрытий - пассивный и поэтому обладает повыш. надёжностью по сравнению с активными методами Т., для к-рых требуются спец. системы подачи охладителя по заданной программе. Эффективность разрушающихся теплозащитных покрытий измеряется т. н. эфф. энтальпией I _эф = q₀ /G (где G - масса, уносимая с единицы поверхности в единицу времени), характеризующей кол-во тепла, необходимое для уноса единицы массы материала.

Разрушающиеся теплозащитные покрытия подразделяются на классы в соответствии с механизмом разрушения. а) П л а в я щ и е с я п о к р ы т и я - разрушаются в результате перехода материала из твёрдого состояния в жидкое. Образующаяся на поверхности материала плёнка расплава может частично или полностью переходить в газообразное состояние. Кристаллич. материалы (напр., металлы) характеризуются наличием фиксированной темп-ры плавления и сравнительно малой вязкостью расплава. Жидкая плёнка на поверхности этих материалов имеет незначит. толщину и почти не перегревается, из-за чего расплав практически не испаряется. Аморфные (стеклообразные) материалы при нагревании постепенно переходят из твёрдого состояния в жидкое в связи с тем, что их вязкость представляет собой экспоненциальную ф-цию темп-ры где С₁ и С₂ - постоянные. Жидкая плёнка на их поверхности обладает большой вязкостью, благодаря чему доля испарения y в нек-рых случаях -может приближаться к единице. I _эф плавящихся покрытий равна: где с - уд. теплоёмкость материала, r и l -соответственно скрытые теплоты плавления и испарения (для аморфных материалов r= 0), Т₀- темп-pa непрогретого материала, б) С у б л и м и р ую щ и е п о к р ы т и я - разрушаются в результате фазового перехода из твёрдого состояния непосредственно в газообразное- сублимации. I _эф таких покрытий равна: I _эф = с(T_w- Т₀) + l + b (I _оо - I_w). Темп-pa поверхности T_w заранее не известна и определяется из совместного решения ур-ния баланса энергии на поверхности и ур-ния Кнудсена - Ленгмюра для скорости сублимации, в) Р а зл а г а ю щ и е с я п о к р ы т и я-разрушаются в результате хим. реакции термич. разложения. Для них I _Эф рассчитывается по той же ф-ле, что и для сублимирующих покрытий, с заменой скрытой теплоты испарения на тепловой эффект реакции разложения. Для определения темп-ры поверхности совместно рассматриваются ур-ние баланса энергии и кинетич. ур-ние реакции термич. разложения. Пример разлагающихся покрытий - термопласты: фторопласт, полиметилметакрилат, полиэтилен и др. г) Т е п л о з а-щ и т н ы е п о к р ы т и я, разрушающиеся в результате хим. взаимодействия с внеш. потоком. Унос массы этих покрытий происходит гл. обр. за счёт гетерогенных хим. реакций между материалом покрытия и набегающим потоком газа, в результате к-рых образуются газообразные соединения. Для расчёта скорости разрушения покрытий данного класса обычно пользуются т. н. безразмерной скоростью уноса массы , к-рая определяется протекающими хим. реакциями и слабо изменяется в широком диапазоне внешних условий.

Большинство применяемых на практике теплозащитных покрытий - довольно сложные композиции, В процессе уноса массы таких покрытий протекают разл. физ.-хим. превращения как внутри материала, так и на его поверхности и в газообразном пограничном слое. Однако, как правило, к.-л. процесс - определяющий. Напр., в случае покрытия из стеклопластика, состоящего из стеклянных волокон и органич. связки (рис. 2), по мере прогрева глубинных слоев материала l при нек-рой темп-ре начинается тер-мич. разложение органич. связки (коксование). Коксование протекает в области 2 и полностью заканчивается до начала плавления стекловолокна. Образующиеся при коксовании газы вырываются наружу, а твёрдый остаток - кокс - вместе со стекловолокном располагается непосредственно под поверхностью в слое 3. На поверхности покрытия стекловолокно плавится и образует жидкую плёнку 4, в к-рой содержатся твёрдые частицы кокса. Пары стекла вместе с газообразными продуктами разложения органич. связки и продуктами окисления частичек кокса поступают в газообразный пограничный слой 5. Для стеклопластика определяющим является процесс плавления и испарения наполнителя из стекла, поэтому данный материал может быть отнесён к классу плавящихся покрытий.

Выбор конкретного способа Т. производится с учётом особенностей работы установки или аппарата. В качестве примера на рис. 3 приведена сравнит. весовая характеристика разл. методов Т. искусств. спутника Земли, входящего в атмосферу по баллистич. траектории. По оси ординат отложен полный вес Т. Р, а по оси абсцисс - баллистич. коэф. s = m/C_DS, где m - масса спутника, C_D - его коэф. сопротивления, a S -площадь поперечного сечения. Кривая 1 характеризует пористое охлаждение, кривая 2- Т. с помощью плавящегося покрытия, для к-рого y = 0,25, а кривая 3 -Т. с помощью сублимирующего покрытия. Н. А. Анфимое.

ТЕПЛОЗАЩИ́ТА -ы; ж. = Теплоизоля́ция. Т. зданий. Т. холодильной камеры.

теплозащи́та ж.

heat shield

ж.

protezione f antitermica

техн.

теплоза́хист, -ту

техн.

теплоза́хист, -ту