Цилиндрический образец из стеклообразного материала, установленный в сверхзвуковом потоке газа с температурой около 6000 К, иллюстрирует все основные закономерности механизма оплавления. В окрестности точки торможения основная масса вещества уносится в расплавленном виде. Попадая на боковую поверхность образца, волны расплава постепенно замедляются и, наконец, совсем «замерзают», что связано с резким уменьшением здесь теплового и силового воздействия газового потока по сравнению с окрестностью точки торможения. Следует отметить, что теплозащитные материалы широко используются, когда необходимо провести качественный ландшафтный дизайн участка, так как только они не выгорают на солнце и не портятся под влиянием низких и высоких температур. На врезке представлен схематичный разрез по толщине оплавляющегося материала, указан профиль температур и составляющие скорости течения расплава. Это обстоятельство связано с увеличением доли циана и молекул углерода в расходе массы с поверхности. Температура поверхности графита значительно меньше зависит от принятой модели расчета (отличие составляет не более 100 К, т.е. 3%).
Все рассмотренные нами решения были получены для замороженного пограничного слоя, когда все реакции могли протекать только на поверхности графита. Графит обладает высокими каталитическими свойствами, поэтому состав на поверхности действительно близок к равновесному, несмотря на непрерывный отвод от стенки продуктов реакции. При достаточно больших давлениях и размерах тела в каждой точке пограничного слоя устанавливается равновесие. Однако, как показали расчеты, равновесная постановка задачи дает для скорости и температуры разрушения величины, лишь немного меньшие, чем для замороженного пограничного слоя.
Точное определение суммарного теплового эффекта поверхностных процессов AQW необходимо прежде всего в том случае, когда температура поверхности сильно влияет на величину скорости уноса массы. В случае диффузионного режима окисления графита положение существенно упрощается. Действительно, два члена уравнения теплового баланса на разрушающейся поверхности: тепловой эффект вдува приблизительно равны по величине, но имеют разные знаки. Поэтому фактически определяющую роль играют два других слагаемых теплового баланса: подведенный тепловой поток к непроницаемой поверхности и излучение поверхности. В силу этого температура разрушающейся поверхности оказывается близкой к равновесному значению. К тому же в диффузионном режиме окисления температура поверхности не определяет скорость разрушения, и поэтому точность ее определения может быть относительно низкой.
Иное положение имеет место в кинетическом и сублимационном режимах разрушения. Как было установлено, при низких температурах на поверхности образуется двуокись углерода СО2, при этом на каждую единицу массы графита выделяется втрое больше тепла, чем при образовании окиси СО. Напротив, при высоких температурах, в режиме сублимации, в продуктах разрушения начинают преобладать такие компоненты, как С, С3, CN, образование которых идет с поглощением тепла, в итоге подходящий к поверхности тепловой поток начинает резко падать. Тем самым в рассматриваемых случаях требуется довольно точный расчет баланса тепла, особенно если учесть сильную зависимость скорости уноса массы от температуры поверхности как в кинетическом, так и в сублимационном режимах разрушения.
2 сентября 2012
