Система тепловой изоляции, система для обеспечения тепловой защиты объекта, подверженного воздействию высокотемпературной окружающей среды, способ изготовления системы для тепловой защиты объекта, подверженного воздействию высокотемпературной окружающей среды

 

Использование: для обеспечения высокоэффективной защиты при воздействии периодических высоких температур в сверхзвуковых и аэрокосмических транспортных средствах. Сущность изобретения: тепловая изоляция содержит пористое изоляционное тело, образующее множество мелких ячеек, из материала, имеющего низкую теплопроводность, теплопоглощающую жидкость, обеспечивающую эндотермическую реакцию в присутствии катализатора, и мелко разделенный катализатор реакции, равномерно распределенный в пористом теле. Теплопоглощающая жидкость является параводородом, катализатором является гранулированная окись железа, а жидкий параводород изменяется на газообразный параводород и переходит из параводорода в ортоводород в присутствии катализатора в виде окиси железа, поглощающего тепло за счет его тепла испарения и эндотермической каталитической реакции и уменьшающего теплопередачу через пористое тело. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к системам тепловой изоляции и тепловой защиты корпуса объекта, в частности объекта, подвергающегося воздействию непостоянного источника тепла при высокой температуре, и может быть использовано в сверхзвуковых и аэрокосмических транспортных средствах.

Наиболее близким к изобретению является устройство головной части для космических транспортных средств, предназначенное для отвода тепла от головной части, содержащее пористое изоляционное тело ячеистой структуры, в ячейках которой расположен внутри заделанный или импрегнированный в них твердый теплопоглощающий материал, обладающий более низкой температурой плавления по сравнению с температурой испарения ячеистой структуры. При работе твердый материал теплопоглотитель, испаряется при эндотермической реакции и диссоциируется, в результате чего выделяется водород. Когда твердый материал теплопоглотитель полностью дегазируется от водорода, материал ячеистой структуры будет плавиться в другом эндотермическом процессе для дальнейшего охлаждения головной части, что приводит к быстрой эрозии контура головной части и быстрому поступлению тепла через изоляционную систему к защищаемому объекту.

Технической задачей является обеспечение эффективной тепловой изоляции и создание тепловой защиты механических и электрических систем и конструкций летательных аппаратов, в частности таких летательных аппаратов, которые подвергаются действию экстремальных условий атмосферы и температуры.

Задача решается путем создания системы тепловой изоляции объекта, подверженного воздействию экстремальных температур, которая содержит пористое изоляционное тело ячеистой структуры, в ячейках которой расположен теплопоглотитель, выполненный в виде жидкого пароводорода.

При этом в теле ячеистой структуры дополнительно размещен равномерно распределенный, мелко разделенный катализатор перехода от пара до ортоводорода, в частности выполненный в виде гранулированного оксида трехвалентного железа, а пористое изоляционное тело выполнено из высокотемпературного кремнийсодержащего пеноматериала, при этом ячейки пористого тела составляют около 88% от объема изоляционного тела.

Задача также решается путем создания системы тепловой защиты для объекта, подверженного воздействию высокотемпературного потока окружающей среды, которая содержит кожух, расположенный между защищаемым объектом и воздействующей на него средой. Кожух выполнен из пористого материала с образованием структуры со множеством мелких ячеек, в которых размещено теплопоглощающее жидкое вещество, имеющее температуру кипения ниже высокой температуры окружающей среды. Жидкое вещество взаимодействует с равномерно распределенным в пористом материале катализатором с проведением эндотермической химической реакции. Пористый материал кожуха обладает низкой теплопроводностью, в частности равной ≈0,072 Вт/(м˙ К).

При создании указанной системы тепловой защиты сначала изготавливают изоляционный кожух из пористого материала путем смещения пенообразующей полимерной жидкости с мелко разделенным катализатором перехода пароводорода в ортоводород для получения однородной смеси указанных компонентов, последующего добавления катализатора в однородную смесь для реакции пенообразования и наливания образованной катализированной смеси в предварительно изготовленную пресс-форму с последующей выдержкой в ней до полного ее заполнения плотной пористой структурой, образующейся в результате реакции однородной смеси к катализатору. Затем погружают изготовленный пористый кожух в ванну жидкого пароводорода на время, достаточное для существенного заполнения множества мелких ячеек жидким пароводородом, и размещают защищаемый корпус в изготовленном пористом кожухе.

На фиг. 1 схематично изображен поперечный разрез защищаемого объекта и система тепловой изоляции; на фиг. 2 увеличенный поперечный разрез части изображенного на фиг. 1, показывающий многоячеистую структуру системы тепловой изоляции; на фиг. 3 еще более увеличенный схематический вид части многоячеистой структуры, показанной на фиг. 1 и 2, показывающий равномерное распределение катализатора в ячеистой структуре и ячейки системы, содержащие жидкое вещество.

Корпус, устройство или элемент, которые следует изолировать, окружен системой 1 теплоизоляции. Такими устройствами, корпусом или элементом могут быть электронные блоки, насосы, моторы и другие подобные элементы. Например, электронные устройства, которые могут находиться в герметичных контейнерах, можно формовать в окружающей системе тепловой изоляции 1, а другие устройства, корпуса или элементы могут быть оснащены системой тепловой изоляции посредством предварительно сформованных охватывающих изоляционных систем, которые могут быть выполнены из более чем одной части для получения внутренней полости для устройства, корпуса или элемента, которые следует изолировать, и чем создается окружающая теплоизоляционная система.

Тепловая изоляционная система 1 состоит из двух предварительно сформованных частей 2 и 3, каждая из которых имеет внутренние полости 4 и 5 соответственно, которые выполнены для того, чтобы система охватывала изолируемое устройство, корпус или элемент 6. Предварительно сформованные части 2 и 3 устанавливаются на устройстве, корпусе или элементе 6 и соединяются по поверхностям раздела 7 и 8.

Тепловая изоляция 1 выполнена из пористого ячеистого изоляционного тела 9, состоящего из пенообразующего материала. Многоячеистая структура, образованная такими пенообразующими материалами, состоит из мелких ячеек 10, имеющих полости внутри структуры, доля которых составляет приблизительно 88% от объема структуры. В дополнение к плохой теплопроводимости, обеспечиваемой полостями, пенообразующий структурный материал сам по себе имеет низкую теплопроводность, равную ≈0,072 Вт/(м ˙К).

Множество ячеек 10 содержит жидкий пароводород 11, который обозначен на фиг. 3 чередующимися сплошными и пунктирными линиями. Жидкий пароводород 11 помещается в полости с помощью описанного ниже способа. Кроме того, как показано на фиг. 3, пенобразующий материал включает равномерно распределенные мелкие частицы 12 катализатора для перехода пароводорода в ортоводород. Многие частицы катализатора 12 располагаются в непосредственной близости от внутренних стенок ячеек 10 и взаимодействуют с жидким пароводородом 11.

Когда тело 9 подвергается действию тепла от высокотемпературного окружения 13, пенообразующий материал и жидкий пароводород 11 поглощают тепло и увеличивают в температуре. Жидкий пароводород 11 изменяет свое состояние с жидкого на газообразное в ответ на поглощенное тепло и проходит через внутренние стенки ячеек 10 и наружу через пенообразующий материал в атмосферу. Поскольку пароводород 11 контактирует с катализатором 12 перехода пароводорода в ортоводород, он превращается под действием этого катализатора в ортоводород и при переходе поглощает тепло во время эндотермической реакции. Следовательно, тепло поглощается при изменении состояния пароводорода из жидкой фазы в газообразную фазу за счет испарения скрытым теплом, тепло также поглощается в результате эндотермического каталитического перехода пароводорода в ортоводород.

Благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам пенообразующего материала охлаждающий эффект, сопровождающий переход жидкого пароводорода в газообразный ортоводород, можно сохранять в течение более 1 ч.

Таким образом, изобретение может обеспечить значительно улучшенную защиту устройств, корпусов или элементов от колебаний высокой температуры. Когда система в соответствии с изобретением подвержена действию высокотемпературного окружения, например, водорода, гелия или этих двух газов вместе, с температурой 1100^оF, содержащийся жидкий пароводород сначала превращается в газ, который затем проходит через пенообразную матрицу, поглощающую тепло в пену посредством такой энтальпии газообразного водорода. Кроме того, благодаря распределенному катализатору превращения пароводорода в ортоводород тепло от перехода пароводорода в ортоводород может способствовать застыванию пенистой матрицы, когда температура газа увеличивается. Тепло от этого эндотермического перехода примерно эквивалентно теплу испарения водорода и эффективно увеличивает способность пароводорода в пенистой матрице отверждать ее. Изобретение имеет особое значение для высокотемпературной изоляции системы в гиперзвуковых летательных аппаратах, таких как космический самолет Х-30, в котором в качестве топлива используется водород. Изобретение можно использовать для изоляции топливных баков самолета, разместив ее на стенках топливного бака. Оно также может быть использовано для защиты моторов, насосов и электронных компонентов, содержащихся в воздушной раме или внутри топливных баков такого самолета. Таким образом, изобретение обеспечивает систему изоляции, которая удовлетворяет требованиям, заключающимся в необходимости иметь для таких гиперзвуковых летательных аппаратов легкую и пассивную систему.

В системе в соответствии с изобретением мелкоразделенный катализатор 12 перехода пароводорода в ортоводород предпочтительно является гранулированной окисью железа, а пористое ячеистое изоляционное тело 9 предпочтительно выполнено из кремнистой высокотемпературной изоляционной пены.

Изоляционные системы в соответствии с изобретением могут быть созданы следующим способом. Такой способ заключается в образовании пористого кожуха для устройства, корпуса или элемента, которые следует защитить, имеющего множество мелких ячеек внутри пористого твердого пенообразного материала, включающего равномерно распределенный мелко разделенный гранулированный катализатор перехода пароводорода в ортоводород, погружении пористого кожуха в ванну жидкого пароводорода для заполнения множества мелких ячеек пористого кожуха жидким пароводородом и размещении устройства, корпуса или элемента, который следует изолировать, в пористый кожух, заполненный пароводородом.

В таком кожухе корпус защищен от тепла, поступающего в пористый кожух в результате перехода жидкого пароводорода из жидкого состояния в газообразное и из пароводорода в ортоводород в присутствии гранулированного катализатора. Пористый кожух может быть образован с применением формы для получения пористого кожуха; с применением пенообразующей смолистой жидкости, добавлением мелкого гранулированного катализатора перехода пароводорода в ортоводород, такого как окись железа, в пенообразующую смолистую жидкость, добавлением катализатора для реакции пенообразования к смеси, и наливанием катализированной пенообразующей жидкости и однородной смеси частиц окиси железа в форму, в которой пенообразующая жидкость вступает в реакцию под действием катализатора, образует расширяющуюся пену в виде формы, включающей в себя равномерно распределенные частицы окиси железа и выдерживания однородной смеси пенообразующей жидкости и частиц катализатора для получения твердой но пористой пенообразной структуры, включающей равномерно распределенные частицы катализатора в форме, окружающей корпус.

Формула изобретения

1. Система тепловой изоляции, содержащая пористое изоляционное тело ячеистой структуры, в ячейках которого расположен теплопоглотитель, отличающаяся тем, что теплопоглотитель выполнен в виде жидкого параводорода, а в теле ячеистой структуры дополнительно размещен равномерно распределенный мелко разделенный катализатор перехода от пара- к ортоводороду.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что катализатор перехода от пара- к ортоводороду выполнен в виде гранулированного оксида трехвалентного железа.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что пористое изоляционное тело выполнено из высокотемпературного кремнийсодержащего пеноматериала.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что ячейки пористого изоляционного тела составляет около 88% от объема изоляционного тела.

5. Система для обеспечения тепловой защиты объекта, подверженного воздействию высокотемпературной окружающей среды, содержащая кожух, расположенный между защищаемым объектом и воздействующей на него средой, выполненный из пористого материала с образованием структуры с множеством мелких ячеек, в которых размещено теплопоглощающее вещество, отличающаяся тем, что в качестве теплопоглощающего вещества использовано жидкое вещество, имеющее температуру кипения ниже высокой температуры окружающей среды, взаимодействующее с равномерно распределенным в пористом материале катализатором с проведением эндотермической химической реакции.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что кожух выполнен из пористого материала, обладающего низкой теплопроводностью.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что кожух выполнен из пористого материала с теплопроводностью ~ 0,072 Вт/(м.К). 8. Способ изготовления системы для тепловой защиты объекта, подверженного воздействию высокотемпературной окружающей среды, предусматривающий изготовление изоляционного кожуха из пористого материала с образованием в нем множества мелких ячеек, отличающийся тем, что пористый кожух изготавливают путем смешения пенообразующей полимерной жидкости с мелко разделенным катализатором перехода параводорода в ортоводород для получения однородной смеси указанных компонентов, последующего добавления катализатора в однородную смесь для реакции пенообразования и наливания образованной катализированной смеси в предварительно изготовленную пресс-форму с последующей выдержкой в ней до полного ее заполнения плотной пористой структурой, образующейся в результате реакции однородной смеси с катализатором, затем погружают изготовленный пористый кожух в ванну жидкого параводорода на время, достаточное для существенного заполнения множества мелких ячеек жидким параводородом, и размещают защищаемый корпус в изготовленном пористом кожухе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3