Процессы в композиционных теплозащитных покрытиях при объемном поглощении энергии лазерного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОЦЕССЫ В КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЯХ ПРИ ОБЪЕМНОМ ПОГЛОЩЕНИИ ЭНЕРГИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

B.А. Дуреев

Рассматривается воздействие непрерывного лазерного излучения на композиционное теплозащитное покрытие: объемное поглощение излучения, модель теплового источника, температурные поля в нестационарном и в стационарном режимах нагрева, механизм лазерного разрушения композиционного теплозащитного покрытия

Согласно имеющихся данных современные лазеры непрерывного действия обеспечивают плотность теплового потока I₀ порядка 10 ⁸ (Вт/ м²) [1], и позволяют в течении короткого времени прожигать различные материалы на достаточно близком расстоянии.

В настоящее время нет строгих аналитических зависимостей, описывающих тепловое состояние и градиенты температур, как в активных композиционных теплозащитных покрытиях (КТЗП), так и в материале защищаемой конструкции. Это затрудняет выбор активного теплозащитного покрытия и определение его потребной толщины.

В видимом и инфракрасном диапазоне частот все лазерное излучение (ЛИ), которое не отражается, поглощается материалом в скинслое. Его толщина d сильно зависит от степени прозрачности материала и для КТЗП лежит в пределах 10 ⁵ 10 ³ (м). Это позволяет упростить описание воздействия ЛИ на КТЗП и рассматривать лишь два процесса: отражение и поглощение, пренебрегая распространением ЛИ в материале [1].

Наиболее важными свойствами любой поверхности являются ее неоднородности [4]: физические, химические и индуцированные. Поэтому любой макроскопический участок поверхности твердого тела характеризуется некоторым средним значением поглощательной способности А.

Поглощательная способность сильно зависит как от длинны волны (с увеличением уменьшается А [1]) и вида материала, так и от состояния поверхности и ее температуры [2]. При увеличении температуры, загрязнении поверхности, наличие или образование при нагревании поверхности ЛИ окислов, толщина слоев которых при непрерывном ЛИ может достигать десятков микрометров, поглощательная способность А увеличивается в 2 раза в каждом отдельном случае.

На основании этих факторов принимаем максимальное значение А=1; d=10³ (м).

Коэффициент поглощения = 10 ³ (м ¹), где:

(1)

Расчет времени начала и скорости волны испарения будем проводить при следующих допущениях:

теплофизические характеристики КТЗП: _Т, с, _, а остаются постоянными [1];

интенсивность ЛИ равномерно распределена по всему сечению луча;

нагрев КТЗП без разрушения происходит до начала испарения материала.

Сравнительные оценки в [3] показали, что учет затрат энергии ЛИ на химические превращения и плавление КТЗП не дает серьезных погрешностей (занижая временные и завышая скоростные характеристики волны испарения), но значительно усложняет расчеты.

Поглощение ЛИ твердым телом эквивалентно появлению источника тепла внутри или на поверхности тела [2, 4]. В качестве модели источника тепла примем распределенный поверхностный источник [1, 4, 5].

Учитывая, что радиус r ₀ лазерного пучка значительно превышает размер прогретой зоны, в случае отсутствия взаимодействия ЛИ с парами, описание процесса нагрева упрощается [6].

Так как КТЗП частично прозрачно для ЛИ, выполняется условие d, где глубина проникновения тепла за время [1, 2]. В этом случае роль теплопроводности несущественна и распределение температуры в КТЗП во времени определяется непосредственным проникновением света в материал и описывается уравнением [1]:

(2)

а температура на поверхности материала:

 (3)

где T₀ начальная температура материала;

время воздействия ТП на материал;

z координата;

массовая плотность;

с теплоемкость.

Из (3) определим время _S при котором температура поверхности достигнет температуры испарения T_S:

(4)

композиционный теплозащитный лазерное излучение

В дальнейшем, при _S начинается испарение материала, вглубь тела распространяется волна испарения, скорость V_S которой можно найти из уравнения теплового баланса при испарении [1, 2]:

(5)

(6)

где: Q_S - удельная теплота испарения материала.

ЛИ большой интенсивности, поглощаемое в начальный момент в тонком поверхностном слое, является источником тепловой волны, распространяющейся вглубь тела со скоростью V_T [2]:

(7)

где а коэффициент температуропроводности;

Из условия равенства скоростей тепловой волны и волны испарения (V_T =V_S), находим :

(8)

При наступает режим форсированного испарения (ФИ) [1, 2] и затраты энергии излучения связаны, в основном, с продвижением вглубь тела волны испарения, а потери энергии на теплопроводность невелики.

Пары вещества в режиме ФИ остаются прозрачны для ЛИ. Температура паров равна температуре поверхностного слоя тела и пропорциональна I_0. Температурное поле при ФИ может быть определено из решения задачи о движении границы испарения тела толщиной в одномерной постановке:

(9)

(10)

где _Т коэффициент теплопроводности.

Учитывая, что источник теплоты в материале является объемным (правая часть уравнения(9)) и на поверхности испарения действует тепловой сток Q_S V_О , соответствующий затратам теплоты на фазовый переход при испарении, решение сформулированной задачи имеет вид:

(11)

При совместном действии объемного источника теплоты в материале и поверхностного стока, максимальная температура достигается на некотором расстоянии z₀ от поверхности испарения:

(12)

Таким образом, в условиях когда материал частично прозрачен для падающего излучения, возможен значительный внутренний перегрев, то есть энергия поглощается внутри образца впереди фронта испарения, вызывая внутреннее кипение вещества, наблюдаемое в виде микровзрывов [1, 3].

Зная скорость волны испарения и время воздействия _ВОЗД ЛИ, можно определить толщину h_S унесенного слоя по формуле:

(13)

Потребная суммарная толщина h покрытия обеспечивающая тепловую защиту конструкции:

(14)

Величина h_OCT определяется из формулы (11), принимая:

T(z = )= T₀+200 (15)

Пример расчета. Рассмотрим воздействие ЛИ с I₀= 10 ⁸ (Вт/ м ²⁾ в течении _ВОЗД= 3 (с), на КТЗП характеристики которого: _Т= 0.8 (Вт/ мК), а=210- ⁷ (м ²/ с), с= 2667 (Дж/ кгК), T_s= 1870 (K), Q_S= 3.210 ⁶ (Дж/ кг), h= 510- ² (м), = 1500 (кг/ м ³⁾, A= 1, = 10 ⁵ (1/ м), Т₀= 292 (К), Т_ПРЕД= 492 (К).

Используя приведенную методику, получим: h_S=2.65 10 ² (м), h_OCT =0.005(м), h=0.0315(м).

Следует отметить, что расчеты по формулам (2), (6), (11), (14) дают несколько завышенный результат, то есть отклонения идут в запас прочности.

Таким образом, поверхностное испарение является основным фактором, определяющим потребную толщину теплозащитного материала. Однако поверхностным испарением не исчерпываются возможные механизмы разрушения КТЗП, подвергающегося действию ЛИ. Например, причиной разрушения могут стать термические напряжения, движение расплава под действием градиента давления паров и др.

В статье решена задача о воздействии ЛИ на КТЗП при объемном поглощении излучения в материале. Определены время начала испарения материала, скорость волны испарения и температурное поле при стационарной абляции. Показано, что испарение играет основополагающую роль в разрушении КТЗП при воздействии ЛИ. Даны рекомендации по оценке потребной толщины теплозащитного покрытия, обеспечивающего тепловую защиту конструкции.

Литература

Приходько И. М., Дуреев В. А., Винник Л. А. О воздействии непрерывного лазерного излучения на композиционное теплозащитное покрытие с объемным поглощением энергии.// Интегрированные технологии и энергосбережение, 3, 2001, с. 59 63.

Гавриков В.К. Взаимодействие лазерного излучения с материалами: Конспект лекций. Харьков: ХВУ, 1999. -134 с.

Григорянц А. Г., Соколов А. А. Лазерная обработка неметаллических материалов. М.: Высшая школа, 1988. 191 c.

Приходько И. М., Дуреев В. А., Винник Л. А.. О воздействии непрерывного лазерного излучения на композиционное теплозащитное покрытие с поверхностным поглощением энергии.// Системи обробки інформації. Збірник наукових праць. Вип. 3 (13).-Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ, 2001, с. 167 170.

Приходько И. М., Дуреев В. А., Винник Л. А. О воздействии непрерывного лазерного излучения на композиционное теплозащитное покрытие // Системи обробки інформації. Збірник наукових праць. Вип. 4 (10). ХФВ “ Транспорт України ”, 2000, с. 3 5.

Делоне Н. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989. 280 с.

Размещено на Allbest.ru