АБЛИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

Широкое применение в технике получили теплозащитные материалы, которые разрушаются в процессе их взаимодействия с горячим газовым потоком.

При нагреве поверхность теплозащитного покрытия может оплавляться, сублимировать, разлагаться с образованием газообразных продуктов разложения и твердого обугленного слоя. Внутренние слои теплозащитного покрытия также прогреваются, в них могут образоваться газообразные вещества, способные реагировать с внешним потоком. Продукты разрушения теплозащитного покрытия уносятся с поверхности горячим газовым потоком, поэтому поверхность теплообмена в процессе работы перемещается в глубь покрытия со скоростью и. Совокупность процессов, протекающих в разрушающемся покрытии в процессе его работы, называется абляцией.

Важная особенность работы аблирующих теплозащитных покрытий состоит в том, что основная доля теплоты, которая от газа подводится к поверхности теплообмена, расходуется на фазовые и химические превращения и только часть ее отводится внутрь конструкции. При этом вдувание паров и газообразных продуктов разложения покрытия в пограничный слой горячего газа приводит к уменьшению теплового потока к поверхности теплообмена.

Аблирующие покрытия обладают свойством саморегулируемости — увеличение подвода теплоты сопровождается увеличением скорости разрушения покрытия. Они могут применяться практически при неограниченной мощности теплового потока.

В качестве оплавляющихся покрытий наибольший интерес представляют стекловидные вещества, которые не имеют строго определенной температуры плавления. При повышении температуры эти вещества размягчаются, их вязкость постепенно уменьшается, что ведет к существенному перегреву пленки расплава относительно температуры начала размягчения покрытия.

Стекловидные материалы имеют хорошие термоупругие характеристики, небольшую теплопроводность в жидком состоянии, большую вязкость и теплоту испарения (скрытой теплоты плавления эти материалы не имеют).

В качестве разрушающихся теплозащитных материалов используются также полимеры (полиэтилен, тефлон и др.). Взаимодействие такого покрытия с горячим газовым потоком приводит к термической деструкции, представляющей собой совокупность химических реакций с поглощением теплоты и выделением газообразных продуктов разложения. Скорость разложения полимера определяется скоростью химических реакций, зависящей от температуры покрытия.

Широкое применение в качестве теплозащитных покрытий нашли композиционные материалы, состоящие из тугоплавкого наполнителя и органического связующего (например, кварцевое стекло и смола). Разложение связующего сопровождается поглощением теплоты и выделением большого количества газообразных веществ.

Защитный эффект может быть также основан на обугливании поверхностного слоя материала покрытия. Обугленный слой выполняет роль теплоизолятора, через который в пограничный слой горячего газа вдуваются газообразные продукты химических реакций, протекающих на внутренней стороне обугленного слоя. Обугленный слой состоит в основном из углерода, который при низких давлениях может сублимировать. Таким образом, кроме теплоизолирующего эффекта самого слоя происходит уменьшение теплоподвода к поверхности вследствие вдувания газа в пограничный слой.

При высокой температуре на поверхности покрытия может возникнуть процесс горения. При этом тепловые эффекты окислительных реакций уменьшают теплоту абляции, но при этом уменьшается теплоподвод от внешнего потока как за счет повышения температуры поверхности, так и за счет вдува продуктов сгорания в пограничный слой внешнего потока, а также увеличивается поток теплоты излучением с поверхности, что повышает эффективность работы покрытия.

Тугоплавкие, оплавляющиеся, сублимирующие и газифицирующиеся покрытия находят широкое применение в ракетной технике для защиты наружных поверхностей ракет от разрушения при входе их в плотные слои атмосферы. Эти покрытия применяются также для защиты внутренних поверхностей ракетного двигателя твердого топлива.