Обобщение и анализ испытаний образцов композиционных материалов

 

Экспериментальное исследование теплозащитных и эрозионных свойств материалов и тестирование на основе эксперимента разработанных моделей разрушения различных типов материалов было выполнено на газогенераторе [5.38], позволяющем провести физическое моделирование термохимических процессов при типичных условиях ГРД по давлению, температуре и окислительному потенциалу продуктов сгорания.

Образцы исследуемых материалов изготавливались в виде вкладышей критического сечения сопла. Такая методика испытаний выбрана по следующим причинам:

1. Легко позволяет варьировать режимы испытаний за счет изменения соотношения компонентов топлива.

2. Основными окислительными компонентами продуктов сгорания являются пары воды и углекислый газ.

3. Концентрации этих компонентов достаточно велики, что позволяет при небольших временах работы получать значительные уносы материла, повышая тем самым точность эксперимента.

4. Постоянный расход продуктов сгорания во время эксперимента позволяет по изменению давления в камере сгорания судить об уносе материала образца, расположенного в критическом сечении, в каждый момент запуска.

Типичные условия испытаний и термодинамические свойства продуктов сгорания приведены в таблице 5.2. Термодинамические свойства продуктов сгорания рассчитаны по программе АСТРА [5.39].

 

Таблица 5.2

Термодинамические параметры

Название	Режим
	1	2	3
	a=0,85	a=0,64	a=0,58
1 Давление в камере сгорания, МПа	2,943	2,943	2,943
2 Температура, К	3100	2540	2343
3 Показатель адиабаты	1,18	1,2	1,2
4 Динамическая вязкость, кг/м/с	0,0000815	0,0000699	0,0000645
5 Теплопроводность, Вт/м/К	0,3	0,274	0,26
6 Молекулярный вес смеси газов, кг/кмоль	23,37	20,87	19,95
7.Теплоемкость равновесная в зависимости от температуры cp (T)	5207(3053) 4703(2896) 2292(2500) 2292(2000)	2684(2589) 2504(2367) 2336(2000)	2505(2343) 2416(2123) 2333(1800)
8 Теплоемкость замороженная в камере сгорания, Дж/кг/К	2292	2336	2333
9 Окислительный потенциал в критическом сечении соплового блока Вm:	0,42	0,377	0,36

 

Исследовались образцы из графита МПГ-6; углепластика П5-28; стеклопластика П5-7 и П5-7М. В экспериментах с графитом из него изготавливался только вкладыш, остальная часть горловины сопла делалась из материалов П5-28 или П5-7.

В результате экспериментов определялись линейные уносы образца (измерялись диаметры критического сечения d ₀, d _t до и после испытания) и рассчитывались экспериментальные скорости уноса по формуле:

 ,

где t _у – время  уноса (промежуток времени от начала падения давления в камере сгорания из-за разгара критического сечения до резкого спада давления из-за выключения двигателя). Экспериментальные результаты приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3 

Материал вкладыша	Материал участка входа	Режим испытания	Угол на входе в сопло	Начальный диаметр	Конечный диаметр	Начальное давление в КС	Время работы	Время уноса	Средняя скорость уноса
			[град]	d0 [мм]	dt [мм]	Pk [кг/см^2]	t [c]	ty [c]	Vy ср [мм/с]
П5-7	П5-7	1	45	17,3	23,78	30	11,6	10,9	0,3
П5-7	П5-7	2	45	17,1	17,25	31	30	12,4	0,006
П5-7	П5-7	3	45	17,1	17,1	31	30	-	0
П5-28	П5-28	1	45	17,0	23,92	29	7,1	6	0,52
П5-28	П5-28	2	45	17,1	24,52	30	21,5	17,5	0,21
П5-28	П5-28	3	45	17,2	24,32	30,5	27	19	0,19
П5-7М	П5-7М	1	45	17,15	24,23	29	11,8	10,5	0,34
П5-7М	П5-7М	2	45	17,1	17,82	31	60	45,7	0,008
Графит МПГ-6	П5-28	1	45	17,2	23,8	30	23,5	20,1	0,18
Графит МПГ-6	П5-28	1	20	17,2	24,2	30,2	21	18,2	0,19
Графит МПГ-6	П5-28	2	20	17,4	19,34	32	30	21	0,046

 

 

Расчетный анализ выполнен по методикам, описанным выше. В эти методики, для расчета данных экспериментов на жидкостном газогенераторе, добавлено определение изменения давления торможения во время работы двигателя. Изменение давления определялось на каждом шаге по времени, в соответствие с расчетным разгаром образца, по соотношению , где (р_{к 0}) – исходное давление в камере сгорания; r _t – текущий расчетный радиус минимального сечения образца с учетом его уноса; r ₀ – начальный радиус (r ₀ =d ₀ /2). Такой пересчет можно сделать, так как образец помещен в критическое сечение сопла и кроме изменения площади критического сечения, остальные параметры, определяющие давление в камере сгорания , остаются практически неизменными (если пренебречь некоторым изменением коэффициента расхода, например, из-за изменения толщины вытеснения пограничного слоя в процессе работы двигателя).

В расчетном анализе определялись в зависимости от времени линейный унос образца, скорость его уноса, расчетная кривая давления, температура материала и его плотность для материалов с внутренними превращениями.

 

Проанализируем расчетные и экспериментальные данные, полученные для каждого из материалов. Результаты расчетов приведены на графиках рис. 5.36…5.43.

Графит МПГ-6

На МПГ-6 проведены экспериментальные исследования на первом и втором режиме испытаний. Для этих же режимов выполнены расчеты.

 

Рис. 5.36…5.37

 

На рис.5.36 приведены расчетные изменения во времени линейных уносов этого материала на первом и втором режимах испытаний и соответствующих эксперименту временах работы. Расчетный унос графита в критическом сечении на конец работы двигателя на первом режиме составляет ~ 3,6 (опыт №9) и 2,7 мм (опыт №10), на втором режиме – ~ 0,7 мм (опыт №11). Из эксперимента эти величины получены равными 3,3; 3,5 и 0,98 мм соответственно, что хорошо согласуется с расчетом.

Скорость уноса материала, как показывают расчеты (рис. 5.37), существенно изменяется во времени. Экспериментально определены лишь средние скорости уноса 0,18; 0,19 мм/с для двух опытов на первом режиме и 0,046 – на втором. Как видно (рис. 5.37), они хорошо согласуются с расчетными данными.

Из расчетных кривых на рис. 5.37 видно, что существует некоторый отрезок времени (для первого режима около 2…3 с), когда давление изменяется слабо, так как в этот период материал прогревается, достигает температуры начала взаимодействия с продуктами сгорания, далее нарастают скорости реакций и появляется заметный унос материала. Из обработки экспериментальных на первом режиме это время составляет t-t_у » 3,4 и 2,8 с. На втором режиме этот процесс менее выражен из-за общего низкого уровня уносов.

Углепластик П5-28

Из углепластика П5-28 изготавливался весь сопловой блок. Испытания проводились на всех трех режимах. Результаты расчетов представлены на рис.5.38 …5.40. На рис.5.38 приведены линейные уносы П5-28 в критическом сечении сопла для этих режимов.

 

Рис. 5.38…5.40

На конец работы двигателя расчетный унос на первом режиме составляет 3,2 мм, экспериментальный –3,46 мм; на втором режиме расчетный – 3,6 мм, экспериментальный – 3,71 мм, на третьем 3,5 мм и 3,51 мм соответственно.

Определенная на основе обработки экспериментальных данных скорость уноса материала составляет 0,52 мм/с на первом режиме, 0,21 мм/с на втором и 0,19 мм/с на третьем, что достаточно хорошо согласуются с расчетными данными (рис.5.39).

Расчет показывает, что тепловое состояние образцов из углепластика П5-28 и теплопроводного графита МПГ-6 существенно отличаются друг от друга. Глубина прогрева углепластика до температуры 500 К составляет ~ 5 мм за 7,1 с работы двигателя. Образец из графита за это же время прогревается на всю свою толщину 11,5 мм до 1600 К.

Приведенные на рис.5.40 профили плотности материала в различные моменты времени наглядно показывают процесс термодеструкции материала при его нагреве. В глубине образца имеем слой «свежего» (без следов деструкции) материала с исходной плотностью, в данном случае равной 1370 кг/м³. Затем, приближаясь к поверхности, проходим достаточно узкую (менее 1 мм) зону термодеструкции, в которой плотность падает до величины, соответствующей предельно прококсованному материалу, здесь 1041 кг/м³. Вблизи поверхности имеем слой предельно прококсованного материала, толщина которого растет по времени.

Кроме рассмотренных характеристик, разработанные методики позволяют определить еще многие параметры, которые не могут быть измерены непосредственно в эксперименте. Например, профили расхода газообразных продуктов термодеструкции, массовые скорости их образования и т.п., знание которых позволяет детально проанализировать и полнее понять, происходящие при испытаниях процессы.

Стеклопластик П5-7

Из стеклопластика, так же как из углепластика изготавливается весь сопловой блок. Эксперименты выполнены на трех режимах (см. табл. 5.2). Результаты расчетов приведены на рис. 5.41…5.43.

 

Рис. 5.41…5.43

 

Процессы, вызывающие линейный унос стеклопластика, иные, чем в углепластике. Унос, а точнее уменьшение толщины стеклопластика в рассматриваемых условиях (рис. 5.41) в значительной степени определяется плавлением пористого материала. Пористость образуется из-за деструкции связующего вещества и взаимодействия углерода коксового остатка с двуокисью кремния. Процессы, происходящие на поверхности: испарение, течение пленки, взаимодействие частиц углерода с окисляющими компонентами потока в данных условиях вносят меньший вклад в унос материала. Так, наиболее значимый из названных процессов, а именно, испарение составляет в среднем 2…5 % от общего уноса.

Унос материала начинается по достижении на горячей поверхности температуры плавления двуокиси кремния. По расчету на первом режиме (опыт №1) это происходит через 0,5…0,6 с от начала работы двигателя (см. рис.5.43), что хорошо согласуется с экспериментом (0,7 с). Расчетная величина линейного уноса материала на конец работы двигателя составляет ~2,93 мм, в эксперименте – 3,24 мм. Близкие данные получены в эксперименте №7 для стеклопластика П5-7М на первом режиме: время – 1,3 с; d=3,54 мм. На рис. 5.41 кроме линейных уносов показаны расчетные значения толщины пленки расплава ~ 1 мм на конец работы двигателя и глубины деструкции материала ~ 5,2 мм, которая отсчитывается от исходной поверхности материала (без учета уноса).

Расчетная глубина прогрева стеклопластика до 500 К за 7с работы двигателя составляет 5…5,5 мм, что близко к значению этой величины для углепластика. Профили же плотности в нагреваемом стеклопластике (рис. 5.42) имеют иной характер из–за двух термохимических процессов (термодеструкция и взаимодействие двуокиси кремния с углеродом) и плавления. Плавление приводит к резкому росту плотности материала из-за ликвидации его пористости.

Расчеты показывают, что взаимодействие двуокиси кремния с углеродом происходит после завершения термодеструкции связующего и, в основном, в пленке расплава.

На втором режиме в эксперименте №2 при времени работы двигателя 30 с имеется (рис. 5.43) лишь незначительный унос ~ 0,075 мм, начало которого, судя по кривой давления, можно отнести к моменту 15,8 с. Аналогичный, но  более длительный (60 с) эксперимент №8  на материале П5-7М дает унос ~ 0,36 мм, начало которого примерно соответствует моменту 14,6 с. Прежде всего эти данные показывают, что, как и предполагалось при построении математических моделей процессов, несмотря на протекающие внутри материала термохимические превращения, унос начинается после начала плавления материала и не зависит от окислительного потенциала продуктов сгорания.

Хорошее согласование практически всех расчетных и опытных данных для рассмотренных 11 испытаний образцов из разнообразных материалов (графит, углепластик, стеклопластик) подтверждает правильность и надежность приведенных методик для изучения теплового состояния и стойкости материалов для пассивной тепловой защиты.

 

Рис. 5.44

 

На экспериментальной установке, схема которой показана на рис. 5.44, проведены испытания по исследованию эрозионной стойкости вкладыша критического сечения сопла, изготовленного углерод-углеродного композиционного материала.

В опытах моделировался состав газовой смеси, содержащий окисляющие компоненты CO₂, H₂O, O₂, O, OH, NO, концентрации которых близки к характерным уровням продуктов сгорания ГРД.

При расчете уноса материала все эти компоненты включены в окислительный потенциал, а расчетная методика дополнена определением скоростей уноса материала от каждой окисляющей компоненты в отдельности по соотношениям: , , и на основании этих величин уточнен расчет суммарного теплового эффекта поверхностных реакций. При таком методе расчета кинетические константы скорости взаимодействия каждого из компонентов с углеродом стенки принимаются близкими. Кроме того, учтена возможность реагирования углерода материала с водородом и азотом при их наличии в газовой смеси. Исходными данными для расчетов являются получаемые в опыте зависимости давления торможения и относительного расхода продуктов сгорания от времени.

 

Рис. 5.45…5.47

 

Результаты расчетов для условий эксперимента приведены на рис. 5.45… 5.47. Тепловое состояние соплового блока и унос материалов в конце запуска показаны на рис. 5.45. Максимальная температура поверхности образца ~ 3300 К достигается в конце работы установки на его входной части. Температура восстановления на конец работы в этом месте составляет ~ 3770 К. Сопоставление расчетной и измеренной температуры образца в местах заделки термопар приведено на рис. 5.46.

Сравнение рассчитанных линейных уносов материала образца с уносами, полученными на основании измерения образца до и после испытания, показано на рис. 5.47. Приведенные величины определяются в направлении радиальной координаты. Расчетный унос удовлетворительно согласуется с опытным.