3. Analiza modelu 2D płytki izolacyjnej za pomocą programu FreeFem++
3.4. Wpływ zmiany wybranych parametrów na rozkład temperatury w badanym modelu
rzeczywistego rozkładu temperatur w materiale. W tym celu przedstawiono wpływ zmiany ciśnienia, w czasie lądowania statku kosmicznego na właściwości materiałowe izolacji poszycia statku, na otrzymane wyniki. W atmosferze ziemskiej wraz z wysokością występuje coraz mniej materii. Do wysokości 20 km występuje 94% masy powietrza zawartego w atmosferze. Ciśnienie także maleje. Znacząco wydłuża się średnia swobodna droga cząstek. Podczas gdy na powierzchni Ziemi wynosi ona w przybliżeniu 66∙10-9 m to już na 120 km wydłuża się do 1,3 m [30]. Statek kosmiczny powracający na Ziemię obniża swój lot aż do wylądowania. W związku z tym, od chwili wlotu w atmosferę, następuje ciągły przyrost ciśnienia.
Na rys. 3.9 przedstawiono rozkład temperatury w izolatorze z uwzględnieniem wpływu zmiany ciśnienia na właściwości materiału LI900 Na podstawie przeprowadzonych obliczeń dostrzeżono kilka znaczących różnic. Okazało się, że maksymalna temperatura na powierzchni izolacji dla różnych modeli płytek uszkodzonych jest wyższa i wynosi średnio 3%, tabela 3.10.
Dla modelu 1 i 1p jest to ta sama temperatura. Nie zmienia się także czas wystąpienia maksimum.
Bardzo podobne różnice można zaobserwować analizując rozkład temperatury w poszyciu, rys. 3.10. Różnice w temperaturze rosną z każdym centymetrem średnicy uszkodzenia.
Dla modelu 1 i 1p wynik jest taki sam, tabela 3.11. Od modelu 2 i 2p widać różnice, których wzrost przypadający na każdy kolejny model jest za każdym razem w przybliżeniu dwukrotny.
Dla modeli 1, 2, 3, 4 i 5 etap wzrostu temperatur rozpoczyna się wcześniej. Dłuższy jest natomiast czas stygnięcia, gdyż później osiągane jest maksimum.
Strumień ciepła, który dociera do poszycia jest większy dla obliczeń, w których uwzględnia się wpływ zmiany ciśnienia. To powoduje, że izolacja nagrzewa się mniej.
Bezpośredni wpływ na to może mieć zastosowany model promieniowania cieplnego, siatki elementów skończonych modeli oraz właściwości materiałowe. Sądząc jednak po tym, że w modelach płytki nieuszkodzonej wyniki są zgodne z dokładnością jednego stopnia to ani siatka, ani właściwości materiałowe nie powinny mieć na to wpływu. Na rys. 3.7 oraz 3.8 przedstawiono rozkład temperatury w poszczególnych warstwach modelu w czasie, gdy w izolacji i poszyciu temperatura jest maksymalna.
69 Rys. 3.7. Rozkład temperatury w modelu po upływie 850 s.: po lewej model 1p, po prawej model 5p1
Rys. 3.8. Rozkład temperatury w modelu: po lewej model 1p po upływie 5630 s., po prawej model 5p1 po upływie 4570 s.
W ostatnim etapie analizy zmianie poddano współczynnik emisyjności cieplnej. W poprzednich obliczeniach ciepło było wypromieniowane z izolacji przy uwzględnieniu stałej emisyjności równej 0,85. W rzeczywistych warunkach nie jest ona stała. Im temperatura wyższa tym materiał wypromieniuje mniej ciepła. W przyjętym zakresie temperatur ε zmniejsza się maksymalnie o 0,633.
70 Rys. 3.9. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni LI900
Rys. 3.10. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni poszycia
71 Tab. 3.10. Wyniki analizy termicznej w programie FF++: maksymalna temperatura na powierzchni LI900 –
wpływ zmiany ciśnienia modelu nr temperatura
[°C] przyrost
Tab. 3.11. Wyniki analizy termicznej w programie FF++: maksymalna temperatura na powierzchni Al.
2024 – wpływ zmiany ciśnienia modelu nr temperatura
[°C] przyrost porównaniu do rozkładu temperatury wcześniej rozpatrywanych modeli. Średni przyrost temperatury jest o 39% większy w stosunku do porównywanych modeli, tabela 3.12. W tabeli 3.14 porównano wyniki obliczeń z wynikami zamieszczonymi w [34] (obliczenia wykonane w programie ABAQUS). Porównując modele płytek nieuszkodzonych, widać, że wyniki są zgodne z dokładnością do 1°C. Istotne różnice występują w temperaturze na brzegu uszkodzonej części płytki. Zarówno w otrzymanych wynikach jak i w [2] czas, w którym pojawia się maksimum, jest taki sam, równy 850 s. Źródłem tych rozbieżności są różne modele aproksymacji Równania Transferu Promieniowania Cieplnego zastosowane w obliczeniach. W [34] problem radiacji rozwiązany jest za pomocą metody energetycznej, w której niezbędne jest wyznaczenie tzw.
współczynników konfiguracji.
Na wykresie 3.13 przedstawiono rozkład temperatury w funkcji czasu występujący na powierzchni poszycia. Konsekwencją wyliczonego większego strumienia ciepła w materiale jest także wzrost wartości temperatury, który pojawia się wcześniej. Występuje różnica w czasie pojawienia się maksimum w modelach p oraz p2. W przypadku modelu płytki nieuszkodzonej jest to prawie 14 minut. Dla modelu 5p2 maksymalna temperatura w poszyciu jest w przybliżeniu dwukrotnie wyższa jak w modelu 5p1, tabela 3.13. Poniżej, na rysunku 3.11, przedstawiono rozmieszczenie izolinii w warstwach modelu 5p2 kiedy w izolacji i poszyciu temperatura jest największa.
72 Rys. 3.11. Rozkład temperatury w modelu 5p2: po lewej po upływie 850 s., po prawej po upływie 4080 s.
Rys. 3.12. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni LI900
73 Rys. 3.13. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni poszycia
Tab. 3.12. Wyniki analizy termicznej w programie FF++: maksymalna temperatura na powierzchni LI900 – wpływ zmiany emisyjności
nr
modelu temperatura
[°C] przyrost [%] czas
[s] nr
modelu temperatura
[°C] przyrost [%] czas
[s]
1p 982 - 850 1p 982 - 850
2p1 1345 36,97 850 2p2 1661 69,14 830
3p1 1396 42,16 850 3p2 1822 85,54 850
4p1 1419 44,50 850 4p2 1847 88,09 850
5p1 1428 45,42 850 5p2 1935 97,05 850
Tab. 3.13. Wyniki analizy termicznej w programie FF++: maksymalna temperatura na powierzchni Al.
2024 – wpływ zmiany emisyjności nr
modelu temperatura
[°C] przyrost [%] czas
[s] nr
modelu temperatura
[°C] przyrost [%] czas
[s]
1p 149 - 5630 1p 149 - 5630
2p1 155 4,03 5605 2p2 160 7,38 5575
3p1 177 18,79 5440 3p2 204 36,91 5305
4p1 219 46,98 5095 4p2 289 93,96 4785
5p1 282 89,26 4570 5p2 415 178,52 4080
74 Tab. 3.14. Wyniki analizy termicznej w programie FF++: maksymalna temperatura na powierzchni LI900 –
porównanie z literaturą [34]
FF++ ABAQUS
modelu nr temperatura
[°C] przyrost
Tab. 3.15. Wyniki analizy termicznej w programie FF++: maksymalna temperatura na powierzchni Al.
2024 – porównanie z literaturą [34]
FF++ ABAQUS
modelu nr temperatura
[°C] przyrost
W pierwszej części analizy numerycznej, której wyniki przedstawiono w tym rozdziale, przeprowadzono obliczenia oparte na tych samych założeniach co w rozdziale poprzednim.
Obliczenia w programie FF++ potwierdziły, że temperatura maksymalna nie różni się znacząco dla różnych modeli uszkodzonych płytek. Charakter rozkładu temperatury w programie ANSYS oraz FF++ jest zachowany a temperatury maksymalne nie różnią się istotnie.
W drugiej części obliczeń założono wpływ zmiany ciśnienia na przewodzenie w materiale LI900 a także zmienny współczynnik emisyjności radiacji. Skutkiem tego następuje gwałtowny wzrost temperatury we wszystkich warstwach modelu. Temperatury o wartościach większych jak 1704°C powodują stopienie materiału izolacyjnego. Z obliczeń wynika, że zjawisko to dotyczy płytek o średnicy uszkodzenia od 1,27 cm i jest to zgodne z wynikami zamieszczonymi w literaturze. O ile temperatury zamieszczone w literaturze dla powierzchni izolacji znacznie się różnią, o tyle w przypadku poszycia wyniki otrzymane w programie FF++ są podobne. Różnią się o kilka stopni, przy czym najmniejsze różnice pojawiają się dla modelu płytki nieuszkodzonej i są mniejsze niż 1°C. Uszkodzenie izolacji o średnicy 4 cm powoduje, że maksimum, które wynosi 415°C nie stanowi niebezpieczeństwa stopienia stopu aluminium (temperatura topienia to 502°C). Niemniej jednak powoduje trwałą zmianę struktury. Taka sama wartość pojawia się w podkładce SIP i jest ona także zbliżona do wartości, przy której materiał ten ulega zmianie strukturalnej (maksymalna temperatura to 399°C). Jednak z punktu widzenia bezpieczeństwa lotu dużo większe zagrożenie może stanowić nadmierne nagrzanie spoiwa RTV-560. Od temperatury 371°C rozpoczyna się proces spalania tego materiału.
Prowadzi to do zaniku spoiwa i w konsekwencji powoduje odczepienie materiału izolacyjnego od podkładki. Wówczas, w tym miejscu intensywnie wzrasta temperatura. Co więcej, wzrasta
75 ona także w sąsiednich płytkach w wyniku czego kolejnym następstwem jest ich utrata i katastrofa orbitera.
76 4. Analiza termiczna modelu płytki izolacyjnej z dodatkowymi warstwami
4.1. Wprowadzenie
W poprzednim rozdziale wykonano analizę, która dotyczyła trzech głównych warstw płytki izolacyjnej. W rzeczywistości w płytce występują jeszcze dwa dodatkowe materiały. Są nimi spoiwo RTV-560 oraz utwardzona warstwa szklana RCG Informacje na ten temat znajdują się we wstępie do rozprawy. Stworzone zostały modele płytki z dodatkowymi warstwami, uwzględniające wspomniane materiały o parametrach podanych w tabeli 4.1. Obliczenia wykonano dla dwóch skrajnych przypadków. Pierwszy z nich dotyczy płytki nieuszkodzonej, natomiast drugi płytki uszkodzonej o największym wymiarze uszkodzenia, D = 4cm (modele 1p i 5p2). Materiał RCG usytuowany jest na powierzchni zewnętrznej materiału izolacyjnego.
Spoiwo RTV-560 tworzy w rzeczywistości dwie warstwy, ponieważ łączy podkładkę zarówno z izolacją jak i z poszyciem. Im większa jest grubość izolacji, tym większa jest grubość spoiwa.
Wykorzystana w badaniach warstwa izolacyjna jest w przybliżeniu równa połowie grubości maksymalnej, jaka stosowana była na amerykańskim wahadłowcu. W związku z tym do obliczeń przyjęto dwie różne grubości obu materiałów. Mają one wartości: minimalną i w przybliżeniu 38% wartości maksymalnej w stosunku do stosowanych w praktyce (rozdział 1.4). Z uwagi na zmianę liczby warstw przewodzących w rozpatrywanym modelu pojawiło się następujące pytanie: jak się powinna zmienić całkowita grubość płytki? Rozważono zatem dwa oddzielne przypadki. W jednym założono, że grubość modelu powiększona jest o wymiar dodanych warstw. W drugim przypadku sumaryczna grubość płytki jest zachowana. Dodatkowe warstwy zmniejszają proporcjonalnie grubości warstw sąsiednich.
Tab. 4.1. Dobór grubości warstw dla modelu płytki izolacyjnej
nr
Analiza termiczna modelu płytki z dodatkowymi warstwami jest analogiczna jak przeprowadzona w rozdziale 3.5. Wszystkie założenia dotyczące modelu płytki są identyczne jak w poprzednim rozdziale. Modele płytek izolacyjnych z dodatkowymi warstwami posiadają taką samą liczbę elementów oraz węzłów siatki jak modele bez tych warstw. Warstwy te mają bardzo małą grubość w stosunku do całej grubości płytki, dlatego siatka elementów
77 skończonych jest w przypadku tych warstw jednowymiarowa. Tworzenie elementów siatki dwuwymiarowej w miejscach, gdzie wstawione zostały dodatkowe warstwy płytki może powodować brak zbieżności obliczeń numerycznych. Aby wygenerować prawidłową dwuwymiarową siatkę elementów skończonych w dodatkowych warstwach, trzeba by zastosować siatkę o dużej liczbie elementów w obrębie całego modelu, co powodowałoby wydłużenie czasu obliczeń lub wymagałoby większej mocy obliczeniowej komputera.
4.2. Właściwości termiczne dodatkowych warstw płytki
W analizie termicznej wykorzystano model płytki, który został uzupełniony o dwa dodatkowe materiały, których właściwości podano w tabelach 4.2. i 4.3. Ciepło właściwe oraz współczynnik przewodzenia ciepła dla obu materiałów są zależne od temperatury. Materiały te cechują się również zbliżoną gęstością Warstwa RCG jest zewnętrzną warstwą modelu.
Emisyjność tej warstwy jest stała, a jedynie w miejscu uszkodzenia, gdzie nie ma tej warstwy, emisyjność jest funkcją temperatury.
Tab. 4.2. Właściwości RTV-560 [48]
[ ] cp [J/kgK] k [W/m·K] ρ [kg 3] -17,6 1109,5 0,42410
1410 38,0 1193,2 -
93,5 1256,0 0,34630 204,6 1423,5 0,28215
260,2 - 0,25273
Tab. 4.3. Właściwości RCG [48]
T [°C] cp [J/kgK] k [W/m·K] ε [-] ρ [kg/m3] -17,6 795,5 0,84300
0,85 1666 121,3 900,2 0,95205
260,2 1004,8 1,04552 399,1 1088,6 1,13207 538,0 1193,2 1,21862 676,9 1256,0 1,29825 815,7 1318,8 1,37788 926,9 1360,7 1,43500 954,6 1381,6 1,44885 1065,7 1423,5 1,50770 1093,5 1444,4 1,52847 1149,1 1465,4 1,55098 1176,9 1477,9 1,56482 1260,2 1507,2 1,61502
78 4.3. Analiza przebiegu temperatury w płytce izolacyjnej z dodatkowymi warstwami
Analizę numeryczną można podzielić na dwie części: dla płytki z uszkodzeniem oraz bez uszkodzenia. Przebiegi temperatury na powierzchni zewnętrznej płytki nieuszkodzonej i na powierzchni wewnętrznej kadłuba statku powietrznego pokazane zostały na wykresach 4.1 i 4.2. W tym przypadku na powłoce zewnętrznej można uznać, że warstwa RCG oraz spoiwo nie mają wpływu na zmianę temperatury. Jest to spowodowane niewielką zmianą lub brakiem zmiany grubości całej osłony i niewielkimi grubościami warstw dodatkowych. Wyniki dla modelu 1p oraz pozostałych modeli przyjętych do analizy w całym przedziale czasu pokrywają się. Istnieją jedynie dwa obszary, gdzie temperatura w sposób wyraźny różni się. Ma to miejsce w czasie do ok. 150 s od rozpoczęcia symulacji oraz w przedziale między 2125 s i 4000 s.
Różnica ta dotyczy modeli płytek, w których powłoka szklana miała większą grubość. W takim przypadku płytka wolniej się nagrzewa ale także wolniej stygnie. Największa różnica wynosi 89°C po upływie 2100 s.
Rys. 4.1. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni RCG – model płytki nieuszkodzonej Strumień ciepła, który dopływa do poszycia, jest mniejszy gdy w obliczeniach uwzględni się warstwę spoiwa oraz warstwę RCG. Największe zmiany w rozkładzie temperatury widać dla przypadku, kiedy grubość całkowita modelu powiększona została o grubość warstw obu materiałów. Temperatura maksymalna na powierzchni poszycia zmniejsza się najbardziej, gdy warstwy te są grubsze. Obserwuje się wtedy spadek wartości o 22°C. Dla modelu 1p wmin+ ten spadek jest mniejszy tylko o 5°C. Główną przyczyną zmniejszenia temperatury jest poszerzenie całkowitej grubości płytki. Jednak wpływ na to mają również korzystne właściwości obu warstw. Dotyczą one przede wszystkim większego ciepła właściwego. Tym cechuje się materiał RCG w stosunku do materiału LI900, ale także spoiwo w stosunku do poszycia. Korzyści
79 wynikające ze znacznej pojemności cieplnej są większe aniżeli wady do których zaliczyć należy zwiększoną przewodność cieplną obu materiałów. Dlatego zachowanie całkowitej grubości płytki a nawet zastosowanie minimalnej grubości materiałów dodanych powoduje obniżenie temperatury na powierzchni poszycia.
Rys. 4.2. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni poszycia – model płytki nieuszkodzonej Na rys. 4.3 oraz 4.4 przedstawiono wyniki analizy termicznej dla modelu płytki uszkodzonej. W przypadku rozkładu temperatury na powierzchni powłoki szklanej RCG nie obserwuje się wyraźnych zmian. Dopiero po upływie 50 minut pojawiają się różnice, dla których wartości temperatury zmieniają się, w zależności od modelu, w przedziale od kilku do kilkunastu stopni Celsjusza. Dla przypadku skrajnego, który dotyczy analizy modelu 5p2 wśr-, wartość ta wynosi 20°C. W związku z powyższym temperatury nie różnią się istotnie. W dodatku zmiana temperatury pojawia się po przyziemieniu, co z punktu widzenia bezpieczeństwa załogi ma znaczenie drugorzędne. W przypadku poszycia charakter zmiany temperatury jest bardzo podobny jak w przypadku analizy modelu płytki nieuszkodzonej. Z tych samych przyczyn, które opisano wcześniej, największy spadek temperatury obserwowany jest dla modeli o poszerzonej grubości całkowitej. Dla modelu 5p2 wśr+ maksymalna temperatura nie przekracza 346°C.
Zatem włączenie obu warstw o zwiększonej grubości w takim przypadku skutkuje zmniejszeniem tej temperatury o 17%. Temperatury na poszyciu dla modeli o niezmienionej grubości także są mniejsze, jednak ich zmiana w stosunku do modelu 5p2 nie jest tak wyraźna.
80 Rys. 4.3. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni RCG – model płytki uszkodzonej
Rys. 4.4. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni poszycia – model płytki uszkodzonej
81 Tab. 4.4. Maksymalna temperatura na powierzchni zewnętrznej: model płytki nieuszkodzonej i
uszkodzonej modelu nr temperatura
[°C] przyrost
Tab. 4.5. Maksymalna temperatura na powierzchni poszycia: model płytki nieuszkodzonej i uszkodzonej modelu nr temperatura
[°C] przyrost
Wykonanie analizy termicznej z udziałem dwóch dodatkowych materiałów, jakimi są powłoka szklana RCG oraz spoiwo RTV-560, było istotne w celu sprawdzenia ich wpływu na rozkład temperatury w płytce. Istotne dla dalszych badań jest uwzględnienie tych warstw izolacji, które dają możliwie najtrudniejsze warunki pracy dla osłony termicznej.
Przeprowadzone obliczenia pokazały, że dodatkowe warstwy mają znikomy wpływ na temperaturę powierzchni zewnętrznej osłony i powierzchni kadłuba statku (obniżają temperaturę poszycia orbitera, co jest korzystne). Wynika to z dwóch podstawowych powodów:
po pierwsze umieszczone w płytce materiały tworzą warstwy o małej grubości, często poniżej 1 mm, a po drugie cechują się dobrymi właściwościami termicznymi.
W związku z powyższym do dalszych badań przyjęto model, który wykorzystano wcześniej. W jego skład wchodzić powinny trzy podstawowe warstwy: izolacja z materiału LI900, podkładka z NOMEX oraz poszycie ze stopu aluminium AL2024.
82 5. Analiza wpływu dodatkowej warstwy przewodzącej na właściwości termiczne wybranego modelu
5.1. Wprowadzenie
Wyniki obliczeń, zawarte w poprzednich rozdziałach, umożliwiły weryfikację poprawności przyjętych założeń i właściwości materiałowych. W trakcie badań nad modelem płytki uszkodzonej zauważono, że przepływ strumienia ciepła w materiale jest nierównomierny i powoduje duży wzrost temperatury w części izolacji położonej bezpośrednio pod uszkodzeniem. Efektem tego jest pojawienie się wyższych temperatur na powierzchni poszycia w krótszym czasie. Wartości te w całym analizowanym przedziale czasu znacznie przewyższają temperaturę, która wystąpiła w nieuszkodzonej płytce. Stąd wynika konieczność znalezienia rozwiązania, które umożliwiłoby osiągnięcie równomiernego rozkładu temperatury wewnątrz warstwy izolacji LI900, zbliżonego do tego jaki jest w płytce nieuszkodzonej.
W rozdziale IV określono, że model w dalszej części badań będzie składał się z trzech warstw przewodzących: izolacji, podkładki usztywniającej i poszycia. Do analizy przeprowadzonej w tym rozdziale model płytki powiększony został o dodatkową warstwę z materiału przewodzącego, którego zadaniem jest z jednej strony uzyskanie równomiernego strumienia ciepła w całej szerokości płytki, a z drugiej ze względu na dużą pojemność cieplną tego materiału, magazynowanie ciepła w postaci energii wewnętrznej.
Tab. 5.1. Nazwy materiałów użytych w analizie Informacja o materiale
skrót pełna nazwa AB azotek boru
B beryl
Ch chrom
K kobalt
MW materiał wzorcowy
N nikiel
ST stop tytanu 6Al-4V
Z żelazo
Do badań związanych z wpływem dodatkowej warstwy przewodzącej na temperaturę poszycia pojazdu zostały wybrane materiały zestawione w tabeli 5.1. Znajdują się tam także skróty zastosowane w opisie modeli. Ich omówienie wraz z właściwościami termicznymi zostało przedstawione w punkcie 5.2. Wpływ dodatkowej warstwy przewodzącej na rozkład temperatury w badanym modelu uzależniony jest nie tylko od właściwości materiału, który ją tworzy, ale także od jej grubości i położenia w izolatorze. Warstwę umieszczono w dwóch miejscach. Pierwsze odpowiada wysokości równej 1,5 cm a drugie 3,5 cm od osi odciętych w przyjętym układzie współrzędnych (rozdział III, rys. 3.1). Pierwszy zlokalizowany jest w pobliżu podkładki SIP. Położenie drugiego usytuowane jest w okolicach krawędzi uszkodzenia modelu 5p2. W obliczeniach założono dwie grubości dołączonego materiału 0,5 mm i 0,1 mm.
83 Odpowiadające położeniu i grubości skróty zamieszczono w tabeli 5.2. Założono także, że warstwa dodatkowa znajduje się w całej szerokości płytki. Ze względu na niewielką grubość tej warstwy w porównaniu z grubością całej warstwy ochronnej do obliczeń numerycznych została utworzona jednowymiarowa siatka elementów skończonych o zadanej grubości w drugim wymiarze. Pozostałe założenia, w stosunku do poprzednich obliczeń, nie uległy zmianie.
Tab. 5.2. Inne zastosowane skróty
skrót pełna nazwa
W15 położenie warstwy na wysokości 15 mm W35 położenie warstwy na wysokości 35 mm
G01 grubość warstwy równa 0,1 mm G05 grubość równa 0,5 mm
5.2. Właściwości termiczne dodatkowych warstw płytki
Do analizy termicznej uszkodzonej płytki wykorzystano materiały, które cechują się korzystnymi właściwościami termicznymi. Należy do nich przede wszystkim duża wartość temperatury topnienia i ciepła właściwego. W tabeli 5.3 znajdują się właściwości termiczne stopu tytanu 6Al-4V. Ciepło właściwe cp i współczynnik przewodności cieplnej kp dla tego materiału zostały podane w zależności od temperatury. W tabeli 5.4 przedstawiono właściwości materiałów dla których przyjęto cp = const i kp= const.
Tab. 5.3. Właściwości stopu tytanu 6Al-4V [48]
[ ] cp [J/kgK] kp [W/m·K] ρ [kg 3] -17,6 523,4 6,9240
4437 93,5 569,4 7,4433
204,5 577,8 8,6550 315,7 602,9 10,3860 426,9 640,6 11,9439 538,0 699,2 13,6749 649,0 762,0 14,8866 760,2 858,3 16,6176 871,3 942,0 18,0024
84 Tab. 5.4. Właściwości pozostałych materiałów [8,23]
[ ] cp [J/kgK] kp [W/m·K] ρ [kg 3] nazwa materiału
20,0 793,0 20,0 3490 azotek boru
20,0 1825,0 218,0 1848 beryl
20,0 460,0 91,0 7140 chrom
20,0 419,0 69,0 8832 kobalt
20,0 444,0 90,0 8902 nikiel
20,0 523,4 6,924 4437 stop tytanu 6Al-4V 20,0 10000 10 1000 materiał wzorcowy
20,0 452,0 80,0 7874 żelazo
5.3. Analiza wpływu właściwości dodatkowej warstwy przewodzącej na rozkład temperatury w badanym modelu
W pierwszej kolejności zbadany został wpływ warstwy przewodzącej utworzonej ze stopu tytanu 6Al-4V na rozkład temperatury w powłoce ochronnej. Materiał ten występuje w obliczeniach jedynie w charakterze ideowym, porównawczym. Powodem tego jest przede wszystkim jego niska temperatura topnienia, wynosząca 427°C. Wykorzystano go, aby ocenić czy można zastosować uproszczone właściwości termiczne innych materiałów, dla których znane były tylko stałe wartości cp i kp. Zgodnie z informacjami zawartymi w punkcie 5.1 obliczenia przeprowadzono dla dwóch grubości i dwóch miejsc położenia dodatkowej warstwy przewodzącej w warstwie izolacji.
Rys. 5.1. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni izolacji - model płytki nieuszkodzonej
85 Materiał ze stopu tytanu w obu rozważanych przypadkach znajdował się w izolatorze na blisko podkładki SIP, dlatego jego dołączenie nie wpływa na temperatury otrzymane na powierzchni izolacji. Dotyczy to zarówno krawędzi uszkodzonej jak i nieuszkodzonej płytki.
Potwierdziły to obliczenia, których wyniki przedstawiono na rysunku 5.1 i 5.4. Dla płytki nieuszkodzonej przebieg temperatury można uznać za niezmieniony w stosunku do przebiegu otrzymanego bez udziału stopu tytanu. Nieznaczne zmiany temperatury wystąpiły w trakcie analizy modelu płytki uszkodzonej. Po upływie w przybliżeniu 2500 s temperatura zmniejszała się wolniej gdy stop tytanu występował w płytce. Dotyczy to przede wszystkim warstw G05, W35, G35. Powodem tego jest to, że po tym czasie orbiter wylądował i nastąpiła faza stygnięcia, a więc kierunek przepływu ciepła zmienił się na przeciwny. Zgromadzona wewnątrz płytki energia wewnętrzna jest powiększona o energię wewnętrzną warstwy dodatkowej. Jednak zmiany zaobserwowane w tej analizie nie przekraczały 20°C.
Rys. 5.2. Rozkład temperatury w funkcji czasu na powierzchni poszycia - model płytki nieuszkodzonej W tej samej analizie, czyli dla stopu tytanu charakteryzującego się cp = f1(T) i kp = f2(T), w porównaniu z modelem 1p i 5p2 wystąpiły inne temperatury na powierzchni poszycia.
Różnice te zaobserwowane zostały zarówno w modelu płytki uszkodzonej i nieuszkodzonej, rys.
Różnice te zaobserwowane zostały zarówno w modelu płytki uszkodzonej i nieuszkodzonej, rys.