При неоднозначности теоретических схем абляции ме- теороидов большое значение имели бы результаты экспериментальных исследований этого процесса. Однако в многочисленных экспериментальных работах по уносу массы теплозащитных материалов (применяемых в качестве покрытий космических аппаратов), обтекаемых потоком высокотемпературного газа или плазмы, приводятся, как правило, лишь сведения, касающиеся зависимости общей скорости yiroca от параметров материала и набегающего потока, причем механизм процесса уноса часто остается нераскрытым. 136 ГЛ. III. АБЛЯЦИЯ МЕТЕОРОИДОВ Все же некоторые общие свойства процесса разрушения, установленные для теплозащитных покрытий, можно использовать при анализе разрушения и уноса массы метеороидов, хотя состав последних сильно отличается от состава типичпых теплозащитных покрытий. Первые эксперименты, проводившиеся специально в связи с проблемой абляции метеороидов, ставились на самых различных материалах. Так, Р. Томас и У. Уайт [474] изучали абляцию образцов из сплава Вуда, И. Л. Зотиков [85] — моделей из различных металлов (алюминия, олова, свинца, стали). В этих работах механизм абляции не рассматривался. Некоторые интересные результаты работы И. А. Зотикова (образование регмаг- липтов) будут рассмотрены ниже. В 1967—1968 гг. были проведепы две серии экспериментов с целью выявления преобладающего механизма абляции метеороидов. Это — эксперименты Г. Дж. Аллена и Б. Болдуина [256], проведенные на различных образцах горных пород и метеоритов, и эксперименты, проведенные под руководством В. А. Бронштэна М. И. Якушиным и О. К. Егоровым в Институте проблем механики АН СССР на образцах каменного и железного метеоритов (в интерпретации экспериментов приняли участие также 10. А. Буевич и Ю. И. Портнягин [44]). В экспериментах Г. Аллена и Б. Болдуина модели подвергались воздействию плазменной струи, причем условия примерно соответствовали нагреву и давлению, испытываемым метеороидом, летящим со скоростью 15 км/с на высотах от 70 до 100 км. Образцам придавалась цилиндрическая форма с радиусом 1 см, при массе 30 г. Схема процесса абляции, построенная Г. Алленом и Б. Болдуином на основании этих экспериментов и развитая затем в работах Б. Болдуина и Г. Аллена L267J, Б. Болдуина и И. Шеффер [268, 269], показана на рис. 30. Твердое тело каменного метеороида начинает плавиться на лобовой поверхности и расплав стекает в стороны, при сравнительно небольшой доле уноса за счет испарения. Достигнув области на боковой поверхности, где давление достаточно упало, каменистый расплав вспенивается. Образование пены может быть вызвано наличием летучих компонент или просто кипением. На боковых поверхностях пена затвердевает. Хлопья лены дробятся и § 14. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АБЛЯЦИИ 137 отбрасываются набегающим потоком воздуха, покидая, таким образом, тело метеороида. В некоторых экспериментах пена отделялась от образца до затвердевания. Процессом вспенивания расплавленной пленки Б. Болдуин и Г. Аллен пытались объяснить кажущиеся низкие Рис. 30. Схема абляции метеороидов по Болдуину и Аллену. плотности метеороидов, получаемые из наблюдений (см. главу VI). Критика этой концепции была дана в 1970 г. Р. Мак-Кроски и 3. Цеплехой [386]. Главной ее трудностью является слишком медленное развитие процесса пенообразования (десятки секунд в условиях эксперимента, секунды в метеорных условиях). В экспериментах В. А. Бронштэна, М. И. Якушина и их сотрудников образцы помещались в струю воздушной плазмы безэлектродного плазмотрона, имеющую температуру 10000 К. Однако скорость струи составляла лишь 15—20 м/с, и хотя это компенсировалось тем, что воздух имел нормальную атмосферную плотпость, но условия обтекания были дозвуковые. Кроме того, образец закреплялся носиком вниз, и под действием силы тяжести происходило «провисание» пленки расплава и отделение от нее крупных капель, падавших вниз. Тепловой поток на лобовой поверхности в этих экспериментах составлял 138 ГЛ. III. АБЛЯЦИЯ МЕТЕОРОИДОВ q = (0,45 -г- 0,65) • 1010 эрг/см2 • с, что примерпо соответствует потоку, получаемому поверхностью метеороида на высоте 93 км при скорости 20 км/с (без учета загораживания). Как показали эксперименты, па начальной стадии (сразу после внесения образца в плазмотрон) происходит разогревание, размягчение и сначала очаговое, а затем Рис. 31. Абляция каменного метеорита (эксперименты Бронштэна и др.). Видны пузыри и отделяющиеся капли. общее расплавление лобовой поверхности образцов, сопровождаемое выделением на ней вспучивающихся шлаков. Особенно интенсивно этот процесс протекал на поверхности каменного метеорита и гораздо слабее — на поверхности железного. В дальнейшем толщина пленки расплава постепенно нарастала и лобовая поверхность приняда форму, напоминающую параболоид. Помимо пульсаций пленки и отделения. крупных капель наблюдалось непрерывное отделение мелких капель (диаметром 0,3 мм и менее), хорошо видимое на рис. 31. При абляции каменного метеорита, представлявшего собой рыхлый хондрит (Еленовка), весьма неоднородный по составу, наблюдалось еще одно интересное явление. После завершения начальной стадии вспучивания и образования расплавленной пленки цаблюдалось локальное § 14. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АБЛЯЦИИ 139 появлепие на ней многочисленных каверн, обусловленных выходом на поверхность газовых пузырей, образующихся в толще пленки (см. рис. 31). Внешне процесс напоминал объемное кипение в однородной жидкости; возможно, что в данном случае «выкипали» в первую очередь легко испаряющиеся включения. Образование и разрушение газовых пузырей проявлялось и в возникновении кратеров, Рис. 32. Образование кратера в ходе абляции каменного метеорита (эксперименты Бронштэна и др.). один из которых виден на рис. 32. Время жизни этого кратера было меньше 0,04 с, поскольку он виден лишь на одном кинокадре, а интервал между кадрами составлял 0,02 с. Еще одно явление, связанное с газообразованием, проявлялось в разбухании и разрыве отделявшихся капель расплава. Сопоставляя это с известным явлением образования в метеорной и метеоритной пыли не только шариков (застывших капель), но и колбочек (полых внутри округлых частичек с «горлышком»; рис. 33), можно считать, что в обоих случаях мы имеем дело с испарением летучих веществ, расширяющихся и разрывающих капли более тугоплавкого материала. Яркостпая температура поверхности образца во всех опытах не превосходила 1800—2000 К, т. е. была значи- 140 ГЛ. III. АБЛЯЦИЯ МЕТЕОРОИДОВ тельно ниже температуры кипения вещества обоих метеоритов. В сочетании с оценкой количества материала, упавшего вниз, это дало основание авторам работы 144] сделать вывод, что основная доля уноса массы в этих экспериментах связана с механическим разрушением и Рис. 33. Колбочки в метеоритном веществе (по Кринову). частичным диспергированием расплавленной пленки, а прямое испарение с поверхности образцов играло незначительную роль. Ценообразование в экспериментах, описанных в 144J, наблюдалось лишь на ранней стадии процесса и играло малую роль, хотя продолжительность опытов (~35 с) сравнима с продолжительностью экспериментов Аллена и Болдуина (115 с).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Экспериментальные исследования абляции» з дисципліни «Фізика метеоритних явищ»
