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烧蚀

速度极高的运动物体在炽热气体作用下,表面材料熔解、消失和变形的现象。

再入大气层的弹头、卫星、飞船和航天飞机,在通过稠密大气层时,因气动加热,表面温度急剧上升,表面材料也会产生一系列复杂的物理化学变化,如材料的熔化、蒸发、升华,材料与周围空气之间的化学反应,材料各成分之间的化学反应,材料的流失和剥蚀等,统称为烧蚀。烧蚀以损耗一定质量的材料来耗散外界的气动热,从而能减少外界对物体体内的传热,使物体内部保持所要求的温度。所以,烧蚀可作为热防护的一种手段。

1、是通过空气动力加热等产生的热能使固体表面熔融蒸发升华分解等形成喷出的现象。

此时固体的质量必然会减少,将所用的固体材料称之为烧蚀材料

这种热屏蔽方法(烧蚀屏蔽Ablation shields)适用于火箭喷嘴的喉衬部或宇宙飞船再进入大气圈时结构体的表面以防止激烈地加热,可用碳化硅纤维增强酚醛树脂或C/C复合材料等作烧蚀材料。

2、陨星进入大气层后发生侵蚀裂变的现象。

宇航领域是指当飞行物体(如导弹航天器等)再入大气层时在热流作用下,由热化学和机械过程引起固体表面的质量迁移现象。

卫星宇宙飞行器壳体均有防热烧蚀材料。当回收卫星进入大气层时,由于空气力学的加热,其表面温度可达几千度的高温。烧蚀材料的作用是在突然受热或极高温度下燃烧分解而遗留一层炭质耐热层以起隔热作用。保护卫星结构不受损坏。

在烧蚀后的物体表面上常可以看到各种有规则的图案,称为烧蚀图象。烧蚀图象大致可分为三类:①流向沟槽:它的前后宽度一致,在两种不同材料形成的后向台阶的表面上,常可观察到这种图象(图1)。②熔楔;一种楔形的流向沟槽,其形态特征是,半楔角在9°~11°之间,两侧有较深的窄沟(图2)。在球头上,熔楔有时会形成有序分布(图3)。有序熔楔是边界层过渡区中的一种烧蚀图象。③菱形花纹和鱼鳞坑,这种图象往往紧接在熔楔和流向沟槽的后面。外流为超声速和边界层为湍流是产生这种图象的必要条件。实验表明,这种图象的几何形状有一定的规律性。形成烧蚀图象的机理复杂,尚待进一步研究。由于烧蚀图象在一定程度上能显示流场,深入研究烧蚀图象有助于了解物面边界层和湍流流动。

图1 火箭喷气发动机排气管内壁因烧蚀形成的流向沟槽

图2 烧蚀形成的熔楔

烧蚀是包括热量传递、动量传递、质量传递和化学反应的复杂过程。它的冷却作用是通过保护层材料本身的熔化、蒸发、热解、升华等相变吸热、辐射换热和生成气阻塞热量传入等物理的和化学的效应,使向器件传递过来的大部分热量随着消熔材料一起被高速气流吹走,借以保持器件固体壁和器件内部处于允许的温度范围之内。

自20世纪50年代开始研究洲际导弹再入大气层的热防护问题以来,烧蚀机理和烧蚀材料的研究发展较快。早期洲际导弹的热防护材料为硅基复合材料,主要成分为二氧化硅,吸热机理主要为二氧化硅蒸发吸热。随着弹头的小型化和机动化,硅基材料因难以适应更苛刻的热环境,被碳基材料取代。碳基材料的主要成分为碳,包括石墨和各种工艺的碳碳基复合材料,吸热机理为碳的升华。烧蚀机理的研究是根据高温气流作用下实际材料的物理、化学反应运用能量守恒和质量守恒原理,确定烧蚀材料的损耗及其热防护效果。

材料特性直接影响烧蚀防热效果。按照防热机理的不同,烧蚀材料可分为熔化烧蚀的玻璃类材料、解聚烧蚀的热熔塑料、表面燃烧的石墨和碳素材料、热解烧蚀的增强塑料等。材料制造方法有喷射、加压、缠绕、浇铸、拉挤、模压和层压等工艺。有效烧蚀热是鉴定烧蚀材料烧蚀性能的重要指标,它代表单位质量烧蚀材料所能阻拦或吸收的热量。通常要求烧蚀材料有效烧蚀热高、热导率低、热膨胀率低以及具有良好的抗热冲击和抗机械振动等性能。

由于烧蚀现象的复杂性,在应用它的同时,它的冷却机理、材料制备和工程应用技术上尚存在不少问题,系统的理论和实验尚有待于进一步研究。

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