Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Воздушная подушка, которая возникает перед мчащимся с космической скоростью телом, мгновенно превращается в ослепительно сияющий сгусток плазмы, обрушивающий на породившую его стенку неимоверные тепловые потоки. Правда, сравнительная кратковременность вхождения в атмосферу позволяет применить не совсем обычные методы тепловой защиты.

Как на несколько минут, пока не намокли листья, можно укрыться от дождя под деревом, так можно и стенку защитить от нагрева слоем материала, быстро отводящего тепло от поверхности, распределяя его равномерным слоем по всей толще. При более длительных нагрузках стенку можно охлаждать с помощью трубок, по которым прокачивается жидкость или газ. Можно, наконец, нагнетая сквозь поры газ или жидкость, очень эффективно охлаждать саму стенку и, утолщая пограничный слой, уменьшать поток от источника тепла к стенке. Не нужно много фантазии, чтобы сделать следующий шаг и защищать стенку слоем металла, который, плавясь или испаряясь, отнимает тепло от потока и оказывает, таким образом, охлаждающее действие (не совсем привычно звучит слово «охлаждение», когда речь идет о кипении при 2–3 тыс. градусов). Следующий шаг — абляция.

Оказывается, не разлагайся молекулы кислорода и азота воздуха на атомы, не поглощай они энергию при этом разложении, и температура летательного аппарата при скорости 12 тыс. км/ч была бы не 4000°, а 7500 °C. Почему же не покрыть стенку таким веществом, которое химически разлагалось бы при нагреве, отнимая при этом огромное количество тепла у набегающего потока. Именно так и работают абляционные покрытия. Разлагаясь, они создают струи газов, уносящих поглощенное тепло, и внешне процесс похож на горенке. Но необычно это горение, которое порождает охлаждающее пламя. Наконец, можно покрывать стенку веществом, которое под действием высокой температуры вступает с воздухом в реакцию, сопровождающуюся поглощением тепла.

Теперь, зная, как сильно зависит от теплопередачи космическая техника, как мучительно и непросто возвращение от звезд к планете Земля, мы сможем понять, почему произвело сенсацию среди специалистов-теплотехников появление тепловой трубки…

Открытие сверхпроводимости, при которой электрический ток может циркулировать в металлическом кольце сколь угодно долго, не испытывая никакого сопротивления, натолкнуло ученых на мысль, что может существовать и сверхтеплопроводность. Однако первые же даже не очень точные опыты показали, что, когда металл переходит в сверхпроводящее состояние, его теплопроводность становится меньше, чем в нормальном состоянии. И чем ниже опускается температура, тем ближе сверхпроводник к абсолютному теплоизолятору. Причина этого эффекта проста: электроны, ответственные за сверхпроводимость, «умирают» для теплового движения, не могут участвовать в нем. И чем ниже температура сверхпроводника, тем меньше остается в его теле электронов, способных проводить тепло.

Эффект, который ученым не удалось открыть в природе, инженерам удалось создать искусственно, силой своей изобретательности. И что самое удивительное, в основу этого изобретения легли процессы давным-давно всем известные: кипение и конденсация жидкостей, характеризующиеся необычайно высокими коэффициентами теплоотдачи. С одного квадратного метра поверхности нагрева при перепаде температур всего в 1 °C кипящая вода за час может снять около 50 тыс. ккал тепла, а конденсирующийся пар — около 100 тыс. ккал. Нагретое тело можно быстро охлаждать кипящей жидкостью, получившийся при этом пар чисто механически транспортировать к холодному телу, конденсируясь на котором, он так же быстро отдает тепло, снова превращаясь в жидкость. Возвращая жидкость в зону нагрева, ее опять можно испарить, опять перегнать пар к холодному телу, опять сконденсировать… Другими словами, можно заставить рабочее тело непрерывно циркулировать и переносить при этом тепло. Причем, поскольку сопротивление движению пара гораздо меньше, чем сопротивление движению тепла в теплопроводящем стержне, потоки тепла могут быть увеличены в сотни, а то и тысячи раз.

В одной из первых конструкций через трубку диаметром 2,5 см тепловой поток мощностью 11 кВт передавался на 70 см при перепаде температур, который практически невозможно было измерить. Для сравнения укажем: чтобы выполнить такую задачу с помощью одного из лучших теплопроводников — меди, понадобился бы стержень диаметром 2,75 м, весом 40 т!