Слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты (варианты)

 

Использование: в защитных покрытиях для оборудования космических аппаратов, поддерживающих термостабильность и обеспечивающих рассеивание электростатического заряда. Слоистая оболочка, которая является прозрачной для излучения радиочастоты, содержит проводящий слой для рассеивания электростатических разрядов и терморегулирующий слой для отражения теплового излучения и уменьшения эффекта температурных изменений с одной стороны слоистой оболочки на область с другой стороны. В предпочтительном варианте проводящий слой содержит полупроводник, такой как германий. Терморегулирующий слой содержит подложку, например, полиимидную пленку, промежуточный слой, например, в виде сетки из полиамидного волокна, прикрепленной к подложке и термоотражающее покрытие, приложенное к промежуточному слою для способствования проводящему слою и терморегулирующему слою термоконтроля отражать излучение. 3 с. и 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к слоистой оболочке, которая является прозрачной в широкой полосе радиочастот, и которая применяется как, например, защитное покрытие для оборудования космических кораблей, поддерживающее термостабильность и обеспечивающее рассеивание электростатического заряда.

Различные типы оборудования, такие как связное оборудование, требуют защиты при размещении в среде, которая электрически заряжается, претерпевает большие термические изменения, чтобы избежать повреждений или неисправностей оборудования. Например, космическая среда подвергает внешнее оборудование космического корабля, например антенны, резким изменениям температуры и влиянию большого потока заряженных частиц, или плазмы. Большие изменения температуры за короткий период времени могут вызвать механические повреждения во внешнем оборудовании. Защита внешнего оборудования от активной среды, такой как космос, представляет собой специфичную проблему, потому что обычно используемые материалы для защиты оборудования космического корабля мешают нормальному прохождению и передаче радио сигналов. Хотя основной задачей является задача защиты от враждебной среды, минимизация стоимости материала и его общего веса также существенна. Таким образом, является необходимым для прочного материала способного обеспечить термическую и электрическую защиту быть легким, относительно недорогими и прозрачным для широкого диапазона сигналов радиочастоты.

В предыдущем уровне техники применялись различные материалы отвечающие некоторым упомянутым требованиям, но не полностью всем Известен газопроницаемый слоистый антистатический несгораемый компонент, который применяется в качестве слоистой оболочки, используемой как покрытие для чистого оборудования космического корабля во время его модернизации и хранения. Однако, эта оболочка не приспособлена для использования в высоко электростатически заряженной космической среде, ни как терморегулирующая поверхность (патент США N 4816328, B 01 D 39/08, B 32 B 27/32, (428-246), 1989).

Известна также слоистая оболочка, используемая в качестве крепежной основы или крепежного элемента для установки твердотельных устройств (патент США N 4810563, B 32 B 15/08, H 05 K 3/46, (428-209), 1989).

Оболочка по этому патенту имеет металлический, электропроводный слой и поэтому не является прозрачной для радио частоты.

Известен тепловой экран, используемый в качестве изоляции для криогенного оборудования, но не обладающий свойствами для рассеивания электростатического заряда (патент США N 4438168, B 32 B 23102 (428-193), 1984).

Известна диэлектрическая пленка для подавления разрядов на поверхности космического летательного аппарата, охватывающая металлический слой со множеством отверстий в пленке. Эта диэлектрическая и металлическая пленка не является прозрачной для радиочастоты (патент США N 4329731, H 05 F 3/00 (361-218), 1982).

Ближайшим аналогом является теплозащитное покрытие космического летательного аппарата, содержащее внешний слой, выполненный из прозрачного для широкого интервала микроволновых частот электропроводного материала, отражающего термическое излучение, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием и с промежуточным слоем, расположенным между внешним электропроводным слоем и термоотражающим покрытием (патент США N 48618218, G 02 B 5/28 (350-363), 1986).

Однако эта оболочка не обладает свойствами для рассеивания электростатического заряда, не обладает достаточной жесткостью и прочностью.

Технической задачей является создание слоистой оболочки для термической и электростатической защиты, являющейся прозрачной для широкого диапазона радиочастот, позволяющей с высокой степенью безопасности уменьшить нарастание электростатического заряда, а также уменьшить негативное воздействие перепадов в температуры с одной стороны оболочки на другую.

Задача решается тем, что в слоистой оболочке, содержащей внешний слой, выполненный из прозрачного для широкого интервала микроволновых частот электропроводного материала, желающего термическое излучение, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием, и промежуточный слой, расположенный между внешним электропроводным слоем и термоотражающим покрытием, внешний электропроводный слой выполнен с равномерной толщиной от 5·10^-6 25·10^-6 м и снабжен подложкой из полимерного материала, прозрачных частот, а термоотражающее покрытие выполнено из полимерного пленочного материала, прозрачного для широкого интервала микроволновых частот.

Кроме того, термоотражающее покрытие терморегулирующего слоя выполнено на основе кремния, или из поливинил фторидной пленки, подложка внешнего электропроводного слоя выполнена из полимерной пленки, а промежуточный слой выполнен в виде жесткой сетки из полиамидного волокна, которая может быть пропитана эпоксидной смолой и вулканизирована.

В первом варианте (п. 7 формулы изобретения) поставленная задача решается тем, что слоистая оболочка содержит внешний слой, выполненный из германия, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием и с промежуточным слоем, расположенным между слоем из германия и термоотражающими покрытием, полиамидный пленочный слой, расположенный между слоем из германия и промежуточным слоем, который выполнен в виде полиамидной сетки, при этом слой из германия выполнен толщиной в диапазоне 5·10^-8 м до 25·10^-8 мм, а термоотражающее покрытие выполнено на основе кремния, кроме того, во втором варианте (п. 8 формулы изобретения) поставленная задача решается тем, что слоистая оболочка содержит внешний слой, выполненный из германия, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием и с промежуточным слоем, расположенным между слоем из германия и термоотражающим покрытием полиамидный пленочный слой, расположенный между слоем из германия и промежуточным слоем, который выполнен в виде плетеного полиамидного волокна, пропитанного эпоксидной смолой, при этом слой из германия выполнен толщиной в диапазоне от 5·10^-8 м до 25·10^-8 м, а термоотражающее покрытие выполнено из поливинилфторидной пленки.

На фиг. 1 представлена схема слоистой оболочки для обеспечения тепловой и электростатической защиты; на фиг. 2 разрез по А-А фиг. 1.

Слоистая оболочка содержит внешний слой 1, выполненный из прозрачного для широкого интервала микроволновых частот электропроводного материала, который в вариантах выполнения слоистой оболочки изготовлен из германия, терморегулирующий слой 2, состоящий из термоотражающего покрытия 3, промежуточного слоя 4 и, расположенной между ними подложкой 5, выполненной из полимерного пленочного материала, прозрачного для широкого интервала микроволновых частот. Термоотражающее покрытие 3 может быть выполнено из материала на основе кремния, или же поливинилфторидной (РУТ) пленки. Подложка 5 может быть выполнена из полиамидной пленки, а промежуточный слой 4 выполнен в виде жесткой сетки из полиамидного волокна, которая может быть пропитана эпоксидной смолой и вулканизирована.

Поскольку слои являются прозрачными для излучения радиочастоты, слоистая оболочка также прозрачна для радиочастоты в широком диапазоне связных частот, включая частоты обычно применяемые для связи в космосе, т.е. от 4 до 16 ГГц. Если электростатический заряд накапливается на слоистой оболочке, то он разряжается при помощи зарядов перемещающихся (стекающих) через проводящий слой 10 и затем через проводник (не показан), подсоединенный к проводящему слою 1 и заземленный к точке с низким электростатическим потенциалом. Так как электростатический заряд перемещается через проводящий слой 1 и проводник, которые заземлены, то происходит уничтожение дуговых электростатических разрядов между одной точкой космического корабля и точкой с низким электростатическим потенциалом и происходящих вблизи оборудования.

Слоистая оболочка является также поверхностью термоконтроля, которая отражает большую часть тепловой энергии направленной на внешнее оборудование, например, космического корабля, от внешних источников и отражает излучения, генерированные внешним оборудованием, когда это внешнее оборудование направляется в открытый космос. К тому же, слоистая оболочка выравнивает температурный градиент через внешнее оборудование и уменьшает перепады температуры от теплого к холодному, таким образом, избегая физического разрушения внешнего оборудования.

Слоистая оболочка может быть жесткой и принимать различные формы. Вследствие того, что радиочастотная проницаемость не зависит от формы, этот материал может легко применяться для различных применений. Например, слоистая оболочка может быть применена для формирования обтекателя рефлектора антенны космического корабля.

Когда слоистая оболочка применяется в качестве покрытия антенных рефлекторов космического корабля, она отражает внешнее (солнечное) тепло, и поддерживает преимущественно постоянную температуру через антенный рефлектор путем отражения внутреннего излучения обратно к рефлектору. Внутреннее излученное отражение уменьшает экстремальные температуры и температурные градиенты через антенный рефлектор, даже во время частичного затемнения. Когда рефлектор направлен в открытый космос, термически отражающее покрытие 3 отражает излучаемую тепловую энергию от антенного рефлектора таким образом, что скорость с которой падает температура рефлектора существенно уменьшается.

Проводящий слой 1 служит в качестве слоя на котором заряды из среды, такой как космос, аккумулируются и затем могут быть рассеяны к точке с низкими потенциалом, или на земле. Проводящий слой 1 также отражает тепловое излучение от источников расположенных с этой стороны слоистой оболочки. Проводящий слой 1 может быть прозрачным для радиочастот, которые выбраны для передачи через слоистую оболочку. Проводящий слой 1, слоистой оболочки примыкает к терморегулирующему слою 2. Толщина проводящего слоя 1 выбирается так, чтобы уменьшить поглощение им тепла и поддерживать существенную электрическую проводимость с тем, чтобы поверхность могла служить для рассеивания электростатики.

Проводящий слой 1 вакуумно напыляется на слой 2 с постоянной толщиной в пределах от 5·10^-8 до 25·10^-8 м.

Терморегулирующий слой 2 также является прозрачным для широкого диапазона радиочастот и помогает проводящему слою 1 для отражения излучения, когда слоистая оболочка подвергается прямому нагреву. Слой 2 также отражает излучение от оборудования, которое он покрывает, для уменьшения уровня при котором подает температура оборудования, таким образом позволяя избежать разрушения оборудования из-за быстрых изменений температуры.

Терморегулирующий слой 2 также содержит пленочный слой 5, служащий как подложка для проводящего слоя 1 и как носитель для отражающего покрытия 3. Пленочный слой 5, таким образом, поддерживает и соединяет слоистую оболочку. Пленочный слой 5 выполненный из полиамидной пленки, обладает свойствами противостояния высоким температурам, сохраняя физическую целостность и исходную форму, и является прозрачным для излучения радио частоты. Например, такая полиамидная пленка маркирована Дюпоном с торговой маркой Кэптон. Вместо полиамидной пленки могут применяться другие материалы со сходными тепловыми и электрическими свойствами.

Терморегулирующий слой также включает промежуточный слой 4, прикрепленный к стороне пленочного слоя 3 напротив проводящего слоя 14, служащий для укрепления слоистой оболочки. Слой 4 выполнен из негорючего полиамидного волокна, такого каким является негорючее полиамидное волокно маркированное Дюпоном с торговой маркой Nomex.

Германиевый слой выполняется толщиной около 11·10^-8 м, пленка Кэптон, служащая пленочным слоем 5, выполняется толщиной около 1 мм, волокно Номекс, используемое в качестве слоя 4, толщиной от 4 до 5 мм, а пленка Тедлар, используемая как термоотражающее покрытие 3, выполняется толщиной около 1 мм. В таком исполнении, слоистая оболочка позволяет пропускать около 99% излучений радиочастоты, пропуская только 4-5% В основном же, чем толще слои, тем меньше проходит света и излучений радиочастоты через слоистую оболочку. Таким образом, эти размеры можно увеличивать, уменьшая прохождение света через слоистую оболочку 10 ценой уменьшения прохождения излучений радиочастоты.

Другие исполнения терморегулирующего слоя 2 могут выполняться с термоотрающим покрытием 3 в сочетании или с пленочным слоем 5, или промежуточным слоем 4, или с другими слоями, которые обеспечивали бы достаточную структурную поддержку для проводящего слоя 1 и термоотражающего покрытия 3 и были бы прозрачны для излучений радиочастоты. Слой 2 в идеале должен выполняться из материала, который объединил бы термоотражаемость термоотражающего покрытия 3 с прочностью пленочного слоя 2, однако, такие материалы на сегодняшний день неизвестны.

Формула изобретения

1. Слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты, содержащая внешний слой, выполненный из прозрачного для широкого интервала микроволновых частот электропроводного материала, отражающего термическое излучение, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием и с промежуточным слоем, расположенным между внешним электропроводами слоем и термоотражающим покрытием, отличающаяся тем, что внешний электропроводный слой выполнен с равномерной толщиной от 5·10^-8 25·10^-8 м, и снабжен подложкой из полимерного материала, прозрачного для широкого интервала микроволновых частот, а термоотражающее покрытие выполнено из полимерного пленочного материала, прозрачного для широкого интервала микроволновых частот.

2. Оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что термоотражающее покрытие терморегулирующего слоя выполнено на основе кремния.

3. Оболочка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что термоотражающее покрытие терморегулирующего слоя выполнено из поливинилфторидной пленки.

4. Оболочка по любому из пп.1 3, отличающаяся тем, что подложка внешнего электропроводного слоя выполнена из полиимидной пленки.

5. Оболочка по любому из пп.1 4, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен в виде жесткой сетки из полиамидного волокна.

6. Оболочка по п.5, отличающаяся тем, что жесткая сетка из полиамидного волокна пропитана эпоксидной смолой и вулканизирована.

7. Слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты, содержащая внешний слой, выполненный из германия, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием и с промежуточным слоем, расположенным между слоем из германия и термоотражающим покрытием, отличающаяся тем, что она снабжена полиимидным пленочным слоем, расположенным между слоем из германия и промежуточного слоя, который выполнен в виде полиамидной сетки, при этом слой из германия выполнен толщиной в диапазоне от 5·10^-8 до 25·10^-8 м, а термоотражающее покрытие выполнено на основе кремния.

8. Слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты, содержащая внешний слой, выполненный из германия, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием и с промежуточным слоем, расположенным между слоем из германия и термоотражающим покрытием, отличающаяся тем, что она снабжена с полиимидным пленочным слоем, расположенным между слоем из германия и промежуточным слоем, который выполнен в виде плетеного полиамидного волокна, пропитанного эпоксидной смолой, при этом слой из германия выполнен толщиной в диапазоне от 5·10^-8 до 25·10^-8 м, а термоотражающее покрытие выполнено из поливинилфторидной пленки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2