Механизмы теплообмена — кратко и по сути
1) Основные каналы переноса энергии при входе в атмосферу
- Конвективное нагружение от обтекающего сверхзвукового/гиперзвукового потока и ударной волны (включает перенос кинетической энергии в тепло в пограничном слое и у стенки). Для стагнационной точки приближенно:
$$q_{\mathrm{conv}}\propto {\rho }_{\infty }^{1/2}{V}_{\infty }^3{R}^{-1/2},$$ где ${\rho }_{\infty },V_{\infty }$ — плотность и скорость потока, $R$ — радиус кривизны в точке. Переход ламинар→турбулент резко увеличивает $q$.
- Радиативный поток из высокотемпературного слоя газа (молекулярное и атомное излучение, важен при очень больших скоростях, межпланетных вхождениях). Местно:
$$q_{\mathrm{rad}}\approx ϵ\sigma T^4$$ для излучения поверхности; излучение шок-слоя сложнее (зависит от состава, оптической толщины и спектра).
- Теплопроводность внутрь структуры (кондукция): температура внутри слоёв определяется уравнением теплопроводности
$$\rho c_p\frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot (k\nabla T)+\dot{q},$$ где $k$ — теплопроводность, $c_p$ — теплоёмкость, $\dot{q}$ — объёмные источники (например, хим. реакции при пиролизе).
- Абляция и пиролиз (эндотермическое унос энергии веществом): внешняя жёсткая часть испаряется/карбонизируется, поглощая энергию и отводя её в виде массы и газов. Массовый поток абляции приближённо:
$$\dot{m}=\frac{q_{\mathrm{net}}}{L},$$ где $q_{\mathrm{net}}=q_{\mathrm{conv}}+q_{\mathrm{rad}}-q_{refl/\mathrm{выход}}$, $L$ — удельная теплота абляции/энтальпия испарения/реакции. Скорость отступания поверхности:
$$\dot{s}=\frac{\dot{m}}{{\rho }_s}.$$ - Химико-каталитическое отопление: рекомбинация диссоциированных атомов на поверхности выделяет дополнительную теплоту; коэффициент каталитичности материала влияет на дополн. нагрев.
2) Поведение многоступенчатой (многослойной) термозащиты
- Концепция: внешняя жертвенная абляционная/реактивная оболочка → промежуточные теплоизолирующие слои → несущая внутренняя конструкция. Внешний слой принимает основную часть $q$ и уносит энергию массой (абляция), промежуточный слой ограничивает теплопроводный поток к структуре.
- Тепловая волна и глубина проникновения: теплопроводность и теплоёмкость задают теплопроводную диффузию; характерная глубина за время $t$:
$$\delta \sim \sqrt{\alpha t},\alpha =\frac{k}{\rho c_p}.$$ Если промежуточный слой достаточной толщины и с малой $\alpha$, внутренняя температура остаётся безопасной.
- Динамика абляции: при интенсивной абляции внешний слой уменьшается ($\dot{s}$), изменяя геометрию и, следовательно, местное $R$ и распределение $q_{\mathrm{conv}}$. При пиролизе выделяющиеся газы могут создавать обратное «пневматическое» охлаждение (blowing), снижая эффективный тепловой поток к твёрдой стенке.
- Механические/термохимические взаимодействия между слоями: образование уплотняющегося «char» слоя может увеличить термостойкость, но увеличит теплопроводность поверхности; металлические прокладки могут шунтировать тепло.
3) Влияние формы на распределение температуры и потери массы
- Радиус кривизны/затуплённость: более тупая (более большой радиус) носовая часть отдаляет удар от поверхности → снижает пик конвективного теплового потока: $q_{\mathrm{conv}}\propto R^{-1/2}$. Острие даёт меньшую стагнационную область, но локализует высокие тепловые потоки на тонких кромках.
- Распределение по поверхности: на соосных телах максимум в стагнационной точке; у асимметричных/крылатых объектов — локальные горячие точки на передних кромках, пиковое нагружение при больших углах атаки. Турбулизация пограничного слоя особенно повышает $q$ на участках с высоким градиентом.
- Геометрические изменения в процессе абляции меняют локальный поток (самоусиление или самоограничение абляции).
4) Влияние материалов и их свойств
- Тепловая инерция: большой $\rho c_p$ (масса и теплоёмкость) снижает скорость нагрева внутренних слоёв.
- Низкая теплопроводность $k$ полезна для изоляции, но при абляции важно и механическое поведение. Пенастые/пористые материалы дают низкий $k$ и высокую теплоёмкость на плотность.
- Высокая эмиссионная способность $ϵ$ поверхности помогает отвести часть энергии излучением (уменьшает T поверхности).
- Химическая стабильность/режим абляции: материалы с высокой удельной теплотою абляции $L$ и контролируемым пиролизом дают большую массу уноса на единицу принятой энергии (эффективнее охлаждают). Примеры: фенолформальдегидные аблаторы, резиноиды, углеродные композиты с управляемой карбонизацией.
- Каталитичность поверхности: неметаллические и покрытые материалы обычно менее каталитичны, уменьшая дополнительный нагрев от рекомбинации. Металлические/катализирующие поверхности увеличивают нагрев.
- Механическая стойкость и структурное отслоение: слои должны выдерживать градиенты температур и абляционные напряжения; отслоение ведёт к непредсказуемой потере массы.
5) Простейшие количественные оценки (практически)
- Если суммарный тепловой поток на участок $q_{\mathrm{net}}(t)$, то масса, удалённая за $\Delta t$:
$$\Delta m=\int \frac{q_{\mathrm{net}}(t)}{L}dt.$$ - Тепловая глубина за время боязни $t_{\mathrm{entry}}$:
$$\delta \sim \sqrt{\frac{k}{\rho c_p}{t}_{\mathrm{entry}}}.$$ - Рецессия поверхности:
$$\dot{s}(t)=\frac{1}{{\rho }_s}\frac{q_{\mathrm{net}}(t)}{L}.$$
Короткие практические выводы
- Для минимизации пиковых $q$ выбирают тупые формы (увеличить $R$), контролируют угол атаки, избегают ранней турбулизации пограничного слоя.
- Многоступенчатая схема: внешний аблатор (большой $L$, контролируемая рецессия) + толстый слой низкопроводного изолятора (низкое $\alpha$) + внутренняя структура. Это уменьшает проникновение тепловой волны и суммарную потерю массы.
- Материал выбирают по балансу: низкий $k$, высокая $\rho c_p$, высокая эмиссия, контролируемая абляция и низкая каталитичность.
Если нужно, могу привести пример расчёта для заданных параметров потока/геометрии/материалов.