Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее. Том 1. Прогнозирование и анализ экстремальных воздействий

      взгляд В БУДУЩЕЕ



    Материалы
    и покрытия в экстремальных условиях
     1
    том

    Прогнозирование и анализ экстремальных воздействий

    Под редакцией
    С.В. Резника



     МОСКВА
     Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2002

УДК 629.76
ББК 34.432
     М27


   Рецензенты: член-корр. РАН О.М. Алифанов, академик РАН А.И. Леонтьев
   Редакционная коллегия: Ю.В. Полежаев, С.В. Резник, В.Г. Сигало, В.В. Скороход, А.Н. Тимофеев, В.И. Тимошенко, Г.А. Фролов

        Материалы и покрытия в экстремальных условиях.

М27 Взгляд в будущее: В 3 т. - Т.1. Прогнозирование и анализ экстремальных воздействий / Ю.В. Полежаев, С.В. Резник, Э.Б. Василевский и др.; Под ред. С.В. Резника. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 224 с.: ил.

       ISNB 5-7038-1990-3 (Т.1)
       ISNB 5-7038-1989-Х

   Книга является частью научного издания в трех томах, обобщающего результаты оригинальных научных исследований материалов, покрытий и конструкций для работы в экстремальных условиях. В данном томе главное внимание уделяется математическому моделированию экстремальных воздействий на ракетные и аэрокосмические конструкции, анализу возникающих при этом сложных физических процессов, обоснованию технических решений, гарантирующих работоспособность объектов. Отличительными признаками применяемой методологии являются глубина и строгость прогноза, основанные на применении современных численных алгоритмов и программ.
   Книга может быть полезна ученым и инженерам, а также студентам и аспирантам технических вузов.

УДК 629.76
ББК 34.432

ISNB 5-7038-1990-3 (Т.1)
ISNB 5-7038-1989-Х

  © Коллектив авторов, 2002 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002

        К ЧИТАТЕЛЮ


      Уважаемые коллеги!
Мне приятно представить Вам книгу «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» в трех томах, которая подготовлена в Издательстве Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана.

   Экстремальные условия работы характерны для ряда современных машин и аппаратов. Исключительно высокие и крайне низкие температуры, глубокий вакуум, высокие давления, вибрации, потоки корпускулярного излучения - вот далеко не полный перечень факторов, которые вынуждены учитывать проектанты, конструкторы и технологи авиационной и ракетно-космической промышленности. Другие, но не менее сложные нагрузки характерны для объектов судостроения, ядерной энергетики, металлургии. Распространенные приемы обеспечения работоспособности конструкций и сооружений подчас оказываются бессильными при возникновении нештатных воздействий. Неумение предвидеть опасные ситуации, отсутствие резервов работоспособности, низкая надежность средств контроля, низкая эффективность средств защиты оборачиваются огромными, а подчас и невосполнимыми потерями.
   Актуальность и сложность проблемы диктует необходимость объединения усилий технологов, теплофизиков, механиков, прибористов, математиков. Особенно важны научная’ кооперация и сотрудничество, продуктивный обмен мнениями. Надеюсь, что данное издание, обобщающее опыт передовых исследований, наглядно демонстрирует плодотворность такого сотрудничества и позволит достичь новых и практически ценных результатов в создании материалов и покрытий, с характеристиками, превосходящими современные.


Профессор, ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана, И.Б. Федоров


3

Посвящается светлой памяти наших унителей — создателей ракетной и космической техники

        ПРЕДИСЛОВИЕ

   В природе и технике человек нередко сталкивается с проявлением колоссальных разрушительных воздействий. Землетрясения, извержения вулканов, ураганы, взрывы ракет, пожары на шахтах и на химических производствах, авиационные катастрофы и многие другие явления выглядят как экстремальные условия, как действие неумолимых внешних сил, от которых нет защиты. Принято трактовать экстремальные условия как крайние, предельные, выходящие из рамок обычного, чрезвычайные по сложности и опасности. Степень опасности зависит от особенностей объекта внешних воздействий и от того насколько эти воздействия изучены, как быстро они установлены и какие меры защиты предусмотрены. Действительно, ведь только неожиданные и, если говорить техническим языком, нерасчетные нагрузки порождают необратимые изменения формы, размеров, внутренней структуры конструкций и сооружений и являются причиной утраты ими служебных качеств, формируют среду, непригодную для жизнедеятельности.
   В 20-м веке преодолен целый ряд символических барьеров, таких, как звуковой, тепловой, скоростной, за которыми происходили необычные и опасные явления. Серийные самолеты теперь летают со скоростями, в 3 раза превышающими звуковую, а скорость некоторых ракет превышает звуковую более чем в 20 раз. Тепловой барьер, вызванный аэродинамическим нагревом, преодолен с помощью специальных мер тепловой защиты. Выведение спутников в космос стало возможно лишь с созданием конструкций ракет-носителей, выдерживающих аэродинамический напор и перегрузки, превышающие ускорение свободного падения более чем в 4 раза. Вслед за выведением спутников на околоземные орбиты освоены полеты в космос и возвращение на Землю со второй космической скоростью, совершены мягкие посадки на Венеру, где температура у поверхности близка к 500 °C, а давление достигает 10 МПа. Продолжительность полетов орбитальных и автоматических межпланетных станций превысила 10 лет и продолжает расти. Рабочие процессы в современных ракет

4

ных двигателях, имеющих тепловые мощности в десятки мегаватт, идут при температурах, превышающих 3500 К, и давлениях в десятки мегапаскалей.
    Как бы не были велики достигнутые значения рабочих параметров, можно с уверенностью сказать, что они не являются предельными. По прогнозам, в газофазных ядерных ракетных двигателях температура плазмы превысит 20000 К, давление достигнет 50 МПа, а время работы реактора на пылевидном ядерном горючем будет исчисляться часами. Экстремальны ли такие параметры? Да, безусловно, но только сегодня; пока с такими двигателями много неясного.
    Интересно, что в основе распространенных технологий лежат процессы взаимодействия энергии и вещества, параметры которых превосходят по своей интенсивности параметры рабочих процессов в авиационной, ракетно-космической или ядерной технике. Так, при лазерной обработке плотность падающего потока достигает 5-10¹² Вт/м², при этом зона тепловыделения может составлять 10“⁵ мм², а продолжительность импульса 10“⁹ с. При образовании слоистых покрытий вследствие сильной деформации при ударе и интенсивного теплоотвода скорость охлаждения частиц может составлять 10б К/с, а в плазмохимических процессах закалки дисперсных продуктов холодными потоками жидкости -до 10⁸ К/с. Общая черта названных технологий - достаточная изученность, локализация действия нагрузок и их управляемый характер, поэтому их не считают экстремальными.
    Риск больших экологических, экономических и людских потерь стимулирует исследования в области создания высоконадежных конструкций с большим ресурсом эксплуатации. Примером могут служить воздушно-космические самолеты, эффективность которых как транспортного средства возрастает с увеличением числа полетов. Если для «Шаттла» и «Бурана» ставилась задача выполнения до 100 полетов, то для перспективных конструкций количество полетов исчисляется тысячами. Количество полетов находится в зависимости от стойкости теплозащитного покрытия. Вот почему при проектировании новых воздушнокосмических систем внимание специалистов привлекает такое сложное и недостаточно изученное явление, как эрозия. Другой пример. Срок эксплуатации современных спутников связи составляет нескольких лет. Требуется довести его до нескольких десятков лет, а это заставляет продумать меры обеспечения теп-

5

левого режима в условиях возрастающего числа теплосмен, вызванных заходами в тень Земли, деградации материалов и покрытий под действием ультрафиолетовой и корпускулярной радиации, атомарного кислорода.
   Высокая надежность, как правило, - результат кропотливого научного поиска, охватывающего все стадии жизненного цикла конструкции. Любая попытка повышения параметров новой техники требует больших усилий, поскольку известные материалы и покрытия уже работают на пределе своих возможностей, а большие запасы прочности и тепловосприимчивости не приемлемы из-за строгих массово-геометрических и стоимостных ограничений. О современном состоянии и перспективах таких исследований и призвана рассказать эта книга, написанная интернациональным коллективом известных специалистов. Среди авторов книги - академик РАН М.И. Соколовский, член-корреспондент РАН Ю.В. Полежаев, академики НАНУ Ю.В. Найдич и ¹ В.В. Скороход, член-корреспондент НАНУ В.И. Тимошенко, 16 ' докторов наук и 16 кандидатов наук. Многие результаты исследований нашли отражение в курсах лекций, читаемых студентам ¹ МГТУ им. Н.Э. Баумана, Днепропетровского государственного ’ университета и других вузов.
   Книга состоит из трех томов, обобщающих результаты оригинальных научных исследований материалов, покрытий и кон- ' струкций, работающих в экстремальных условиях.
   В первом томе основное внимание уделяется прогнозированию и анализу экстремальных воздействий на ракетные и аэрокосмические конструкции, исследованию возникающих при этом л сложных физических процессов, обоснованию технических ре- !" шений, гарантирующих работоспособность объектов. Отличи- [" тельные признаки применяемой методологии - глубина и стро-гость прогноза, основанные на современных методах математи- *' ческого моделирования.
   Во втором томе, наряду с освещением фундаментальных про- ⁾_ блем машиностроительных технологий, раскрываются состояние |е и перспективы развития исследований на ряде важнейших науч-но-технологических направлений, таких как производство изде- г“ лий из композиционных материалов, металлов, сплавов, стекла и и керамики.
   Третий том посвящен методам и средствам испытания мате- е" риалов и конструкций при высоких тепловых и механических ¹Х

6

нагрузках, воспроизводящих реальные условия работы современных и перспективных машин и аппаратов. Приведены характеристики уникальных испытательных установок и стендов, рассмотрены новые оригинальные методики эксперимента.
   Определенное влияние на содержание каждого тома и формирование авторского коллектива оказали не только годы совместной работы, но и творческие дискуссии, характерные для научных конференций последних лет, проводившихся в России, Белоруссии и Украине. В этом смысле следует выделить международную научную конференцию «Ракетно-космическая техника: фундаментальные проблемы механики и теплообмена» (Москва, 1998 г.), международные форумы по тепломассообмену (Минск, 1996, 2000 гг.), международный симпозиум «Передовые термические технологии и материалы», международную конференцию «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» (п.п. Понизовка, Кацивели, Автономная республика Крым, Украина, 1997, 2000,2002 гг.).
   Издание книги стало возможно благодаря вниманию и поддержке Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации и Российского авиационно-космического агентства. Особой благодарности заслуживает помощь ректора МГТУ им. Н.Э. Баумана профессора И.Б. Федорова, заместителя проректора по НИР Н.А. Никифорова, директора Издательства Т.И. Попенченко. Значительный вклад в работу с украинскими авторами внес Г.А. Фролов, возглавляющий Научно-технический центр по материалам для ракетно-космической техники ИПМ НАН Украины. Считаю своим приятным долгом отметить большую работу сотрудников МГТУ им. Н.Э. Баумана А.В. Шуляковского, С.А. Макеева, И.В. Шаховой, взявших на себя труд по изготовлению оригинал-макета книги.


Профессор
МГТУ им. Н.Э. Баумана
С.В. Резник


7

1.         ДЕСТРУКЦИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ПРИ ВХОДЕ ТЕЛ
      В ПЛОТНЫЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ

   Экспериментальная отработка средств тепловой защиты изделий ракетно-космической техники связана с большими материальными затратами на создание испытательных стендов, лабораторных установок и на проведение исследований. Проблемы возникают при диагностике параметров и интерпретации результатов измерений. В связи с этим развитие средств и методов экспериментальных исследований происходит параллельно с разработкой методов и программного обеспечения для численных исследований процессов, сопровождающих работу теплозащитных покрытий (ТЗП).
   Математическое моделирование термохимической деструкции материалов в высокоэнтальпийном потоке газа является сложной проблемой. Кроме уравнений динамики вязкого газа, необходимо решать уравнения диффузии различных компонентов смеси, а также уравнения химической кинетики, определяющие состав газа в возмущенной области потока и скорости гетерогенных химических реакций на поверхности. Сложность задачи приводит к тому, что в практических расчетах часто используют приближенные подходы. В пограничном слое принимают приближение эффективной длины, а скорость термохимического разрушения определяют с привлечением соотношений для эффективной энтальпии. При этом получают достаточно точные значения определяемых параметров, что частично можно объяснить использованием эмпирических формул и констант.

1.1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕСТРУКЦИИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ

   Общие методологические особенности математического моделирования. Получение требуемых эмпирических данных связано с проведением большого количества экспериментов. Кроме того, применимость полученных таким путем данных в значительной мере ограничена условиями проведения экспери

8

ментов. Неопределенность в кинетических и теплофизических параметрах может быть снята только на основе сравнительного анализа результатов численного и физического экспериментов.
    Методология численного моделирования тепломассообменных процессов, сопровождающих деструкцию теплозащитных материалов (ТЗМ) в высокоэнтальпийном газовом потоке, объединяет формулировку математических моделей, определенную технологию создания программ и разработку алгоритмов. Это дает возможность повышения эффективности численного моделирования (сокращения сроков разработки программ, уменьшения времени ЭВМ, расширения ассортимента задач, которые могут быть решены).
    Решение задачи в постановке, наиболее приближенной к точной, учитывающей различные особенности кинетики термохимического разрушения, возможно только с использованием проблемно-ориентированного комплекса программ. Комплекс программ должен быть достаточно гибким и допускать естественную модификацию. Создание такого комплекса программ основывается на принципах структурного модульного программирования [1,2]. В соответствии с этими принципами сложная комплексная задача разбивается на ряд более простых задач, для которых предполагаются известными все внешние входные для нее данные. Структурный анализ постановки задачи предусматривает построение иерархической системы отдельных подзадач. Затем создаются проект программы и программа решения на ЭВМ всей комплексной задачи, для отдельных частей которой используются простейшие приближенные методики. Более точные методы решения отдельных задач разрабатываются автономно. Затем автономные программы включаются в комплексную программу в диапазоне применимости вместо приближенных методов. Таким образом, осуществляется комбинированная технология программирования, сочетающая способы как «сверху-вниз», так и «снизу-вверх».
    Общей особенностью рассматриваемых задач является необходимость сопряженного решения задачи о течении газа и термохимического разложения материала. Взаимосвязь этих задач обеспечивается при постановке граничных условий на поверхности тела. На поверхности материала, омываемой высокоэнтальпийным потоком газа, формулируются условия теплового баланса и используются соотношения, определяющие скорости деструкции материала.

9

   Соотношения на поверхности для химически активного материала. Температура поверхности тела при наличии вдува через его поверхность и отвода теплоты излучением определяется из условия баланса теплоты:

                  ⁺ GJL “/о)“ест^⁴ = •                (1-1)
Здесь Gw - масса газа, вдуваемого в поток с единицы поверхности в единицу времени (при принудительном вдуве Gw задано, в общем случае Gw определяется в результате решения задачи сопряженного тепломассообмена); - тепловой поток, отводимый внутрь материала (в общем случае qₜ_ определяется из решения задачи о распространении теплоты в материале, во многих задачах полагают qK~ 0 - квазистационарный режим разрушения); £ -излучательная способность материала; о - постоянная Стефана-Больцмана; Tw-температура поверхности материала; qw - тепловой поток, подводимый к телу от газа вследствие теплопроводности газа и диффузии:

                       +                              (12)
Pr on cᵣt                дп

где Le* - число Льюиса; 1а - удельная энтальпия непрогретого материала поверхности или принудительно вдуваемого газа; 7„, -удельная энтальпия продуктов разложения поверхности или принудительно вдуваемого газа при температуре поверхности 7„, - ^ск1к (Г,,,), которая является функцией состава вдуваемого газа с° или газа, образованного вследствие разрушения поверхности, и температуры. Таким образом, СД (7ₗᵥ - 7о) определяет тепловой эффект термохимического разрушения материала, т.е. количество теплоты, которое поглотилось или выделилось на поверхности при физико-химической деструкции материала ТЗП.
   Интенсивность уноса массы материала поверхности Gw определяется в общем случае температурой поверхности и составом газа на ней. Для полимерных материалов [3, 6]:

ф ( F >
                  G„ = JPo^ exp dy,                   (1.3)

10