Способ отработки средств защиты объекта от направленного теплового воздействия и устройство для его реализации

Изобретение относится к области механики, в частности к способам и устройствам отработки тепловой защиты объектов от мощных направленных тепловых нагрузок с помощью защитного экрана. Предложены способ и устройство для отработки средств защиты. Между защитным экраном и корпусом объекта формируют герметичную полость, подают в нее под избыточным давлением теплоноситель, дополнительно регистрируют расход теплоносителя и температуру защитного экрана и защищаемого объекта и при этом фиксируют момент времени начала разрушения экрана и разрушения корпуса, после чего определяют зависимость суммарного веса защитного экрана и израсходованного теплоносителя от интенсивности и времени теплового воздействия. Устройство для реализации способа содержит защитный экран над корпусом объекта, выполненный на основе материала с термомеханической памятью и состоящий из отдельных пластин, размещенных над герметизированной эластичной оболочкой. Внутренняя полость оболочки сообщена трубопроводами с системой подачи теплоносителя. Края пластин защитного экрана соединены внахлест и закреплены с одной стороны на корпусе объекта с помощью полых заклепок, при этом устройство снабжено системой датчиков и аппаратуры отображения для регистрации зависимости параметров устройства от величины теплового воздействия. Использование изобретения позволит разработать способ и устройство для отработки тепловой защиты и получить информацию об эффективных параметрах средств защиты от импульсной тепловой нагрузки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области механики, в частности способам и устройствам, обеспечивающим защиту и отработку средств защиты объектов, их отдельных зон и элементов от мощного направленного теплового воздействия.

Известны различные способы и устройства защиты, основанные на применении экрано-вакуумной тепловой изоляции (ЭВТИ), экранов (подвижных и неподвижных), радиационных теплообменников, тепловых труб с использованием различных материалов для испарителей (см. Фаворский О.М., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе. - М. Высшая школа, 1967 (стр.76-89, 31-13 б): Автоматические планетные станции. - М. Наука, 1973, стр.70-96).

Устройства, приведенные в указанных источниках, реализуют различные способы обеспечения теплового режима объектов. Расчет потребного количества слоев ЭВТИ, параметров других средств защиты может быть выполнен в зависимости от величины и условий воздействия тепловых нагрузок.

Наименее проработанным является вопрос выбора эффективной защиты при мощных направленных тепловых нагрузках.

Импульсные тепловые нагрузки, в особенности направленные мощные, могут характеризоваться величинами до 1-20 кДж/см² и, следовательно, технические решения, отмеченные выше, в данном случае неприменимы.

ЭВТИ, например, неэфффективна при числе слоев меньше или больше некоторой величины (см. Автоматические планетные станции. - М. Наука, 1973, стр.72). При этом следует учитывать, что вес десяти экранов из ме-таллической фольги площадью 1 м составляет ˜1 кг.

Использование оболочек экранов с отражающими покрытиями в полосе длин волн тепловой нагрузки позволяет, в принципе, уменьшить тепловой поток в начальный момент воздействия, что приведет все же к частичному разрушению покрытий и к лавинообразному затем процессу, например прожигу в дальнейшем, т.е. к полному разрушению объекта.

Может быть использован и способ с использованием теплового аккумулятора для отбора подводимой тепловой энергии, в частности аккумулятор, использующий процесс плавления рабочего вещества, но, как показывают расчеты, их практическое применение возможно лишь при недопустимо больших массах рабочего тела.

Могут для защиты рассматриваться испарители (сублиматоры), содержащие испаряемую жидкость и устройства, в которых происходит превращение ограниченного количества рабочего вещества в газообразное состояние. Изложенное выше относится и к радиационным теплообменникам, тепловым трубам и теплопроводам, поскольку процессы передачи тепла при тепловом воздействии могут протекать во времени гораздо интенсивнее, чем обеспечивают эти конструкции и способы их работы.

Следует отметить, что вариантам защиты от импульсного теплового воздействия с использованием ТЗП, отражателей и сублиматоров присущ ряд существенных недостатков, связанных прежде всего с увеличением веса объекта за счет того, что экранирование ТЗП, установка отражателей, использование испарителей, обеспечивает работоспособность при полном экранировании объема, а применение аэрозольных образований и различных газовых сред возможно после наступления события и как пассивное средство не применимо.

Предлагается устройство, содержащее экранирующие пластины и теплоноситель для компенсации теплового воздействия и позволяющие одновременно осуществлять оптимальный выбор элементов защиты объектов или отдельных их элементов или зон.

Наиболее близким заявляемому устройству является устройство для моделирования эффективности вариантов экранной защиты космических аппаратов, где изменялась толщина экрана, наклон экрана и расстояние между экраном и защищаемым объектом (аналог).

Эффект защиты оценивался с использованием лагранжевых датчиков для регистрации временных параметров состояния материалов (см. Безопасность России, часть II. Проблемы обеспечения безопасности оборонно-промышленного комплекса России, стр.348-363, МГФ «Знание», 2003).

Известен способ отвода тепла при воздействии высокоэнергетического теплового потока, основанный на дополнительной системе охлаждения корпуса объекта или установкой на корпусе объекта подвесного поглощающего экрана с системой охлаждения помещенного в зону нагрева (см. Космическое оружие: Дилемма безопасности. Под ред. акад. Е.П.Велихова. - М.: Мир, 1986, стр.123).

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипного, недостатком является то, что реакция средств защиты на изменение уровня воздействия является постоянной - в отдельных случаях защита чрезмерна и не оптимальна, а в других - оказывается недостаточной.

В предлагаемом устройстве для обработки защиты от направленных тепловых нагрузок эти недостатки не присутствуют.

Целью настоящего изобретения является разработка способа и устройства для отработки тепловой защиты и получение информации об эффективных параметрах средств защиты от импульсной тепловой нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе теплового воздействия между наружной защитной оболочкой и корпусом защищаемого объекта (или его модели) образуют выпуклую полость путем перемещения наружной оболочки при нагреве в направлении к источнику высокоэнергетического теплового потока, в которую подают под избыточным добавлением теплоноситель, регистрируют переменные толщину защитной оболочки, геометрические размеры образуемой полости и расход теплоносителя за время от момента начала и до момента разрушения защитной оболочки. При этом определяют зависимость суммарного веса защитной оболочки и расхода теплоносителя от интенсивности и времени теплового воздействия.

На фиг.1 схематично представлено устройство, реализующее предложенный способ отработки средств защиты объекта от поражающего воздействия теплового (импульсного) излучения. Оно состоит из защитного экрана, выполненного в виде отдельных пластин 1 из материала с термомеханической памятью, закрепленных с помощью полых заклепок 2, под экраном размещена эластичная оболочка 3, образующая замкнутую полость 4 вокруг внешней поверхности модели 5, которая соединена трубопроводом 6 с системой подачи 7 теплоносителя 8 из емкости 9, датчики давления теплоносителя 10, 11, датчики регистрации начала разрушения экрана и корпуса объекта 12, 13, датчик расхода теплоносителя 14, приемное устройство 75, устройство отображения 16, выпуклая полость 17, каверна 18.

На фиг.2 представлен узел подвода теплоносителя в защищаемую зону.

На модель корпуса объекта 5 устанавливаются эластичная оболочка 3 и защитный экран 1 из материала с термомеханической памятью формы (см. фиг.1).

Зазор между защитным экраном 1 и корпусом 5 защищаемого объекта обеспечивается с помощью специальных (фигурных) заклепок 2 (фиг.2).

Эластичная оболочка 3 обеспечивает создание замкнутого герметичного объема, связанного трубопроводами 6 с емкостью 9, заполненной теплоносителем 8 под избыточным давлением.

Защитный экран 1 из материала с термомеханической памятью формы предварительно обрабатывается таким образом, чтобы при заданном нагреве между экраном 1 и моделью объекта 5 образовалась выпуклая в сторону нагрева полость 17.

В образовавшуюся в результате нагрева полость 17 за счет наличия избыточного давления подается теплоноситель 8 из емкости 9. Теплоноситель подается в полость 17 через г-образное отверстие фигурной заклепки 2. Требуемый расход теплоносителя обеспечивается подбором величины избыточного давления в емкости 9.

Подбор оптимальных параметров средств защиты: толщины защитной оболочки, расхода теплоносителя, геометрических размеров полости 17, осуществляется следующим образом.

Для различных фиксированных толщин защитного экрана задаются различные формы (размеры) полости. Для этого с помощью термомеханической обработки пластинам сообщается «память» спиралеобразной формы различных размеров (с целью последующего выбора оптимальных геометрических характеристик). Затем пластины в холодном состоянии, например при температуре 18-20°С, выпрямляются и устанавливаются на корпус модели. В зависимости от интенсивности и времени теплового воздействия для каждой из форм меняют расход теплоносителя во времени до момента разрушения модели объекта (части объекта).

В результате анализа полученных экспериментальных данных подбираются оптимальные сочетания толщины защитной оболочки, расход теплоносителя и геометрических размеров полости.

Оптимальное соотношение задается условием

причем G^Σ _min=f(Q,τ)

где G_об - вес защитной оболочки, кг;

G_т/н - вес теплоносителя, кг;

Q - плотность энергии падающего пучка, Дж/см²;

τ - время воздействия, например, лазерного излучения на защитную оболочку и теплоноситель.

Следует отметить, что снятие тепловых нагрузок из зоны нагрева может быть существенно увеличено за счет использования пенообразующих растворов в качестве теплоносителя или как добавку к теплоносителю. Кроме теплоносителя - отвода тепла при нагревании до температуры кипения (отвод тепла при изменении агрегативного состояния), постоянное ценообразование в зоне нагрева способствует значительному увеличению (в несколько сотен раз) числа теплоотражающих и теплоотводящих поверхностей (В.К.Тихомиров. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. - М.: Химия, 1983). В качестве пенообразователей для получения газовомеханических пен используют различные систематические и природные вещества.

В частности, в качестве пенообразующих веществ (ПАВ) при пожаротушении используются соли сульфанафтеиновых кислот (там же, стр.133) этанол, столярный клей или неионогенное вещество ОП-10 (там же, стр.19).

Для увеличения вязкости жидкости в пленках пены могут вводиться стабилизаторы пены в количестве 0,2-0,3% от массы ПАВ. При этом устойчивость пен возрастает в 2-8 раз, а вязкость жидкости в пленках - более чем в 100 раз.

В качестве стабилизаторов используют высшие спирты, органические соединения меди, некоторые полисилоксаны. При получении газово-механической пены для теплосъема могут использоваться различные негорючие газы - фреон 12, фреон 114 или их смеси, дифтордихлорэтан. В настоящем решении для образования более устойчивой пены использован фреон 114. Как вариант устройства подачи теплоносителя в зону нагрева следует рассматривать специальные аэрозольные упаковки, например следующего состава: 5-7% угольной сажи, 10% фреона 114, 0,15-0,25% полиэфира 011-10, остальное - вода.

Для получения пены упаковку под давлением (2-6)·10 н/м² соединяют трубопроводами с возможными зонами нагрева.

Устройство работает следующим образом.

При тепловом воздействии на пластину 1 защитного экрана образуется каверна 18 (фиг.1), при этом часть тепловой энергии расходуется на сублимацию материала пластины 1, а другая часть - на оплавление материала и на нагрев окружающей каверну 18 области пластины 1.

Обладая эффектом термомеханической памяти, например на скручивание, пластина 1 вспучивается в сторону, а оболочка 3 под воздействием избыточного давления теплоносителя 8 поджимается к внутренней стороне пластины 1, и в образовавшуюся полость 17 подается теплоноситель 8 из емкости 9 через заклепку 2. После сквозного прогара пластины 1 и эластичной оболочки 3 теплоноситель 8 выбрасывается навстречу излучению, энергия которого уходит уже на испарение теплоносителя 8. Картина прожига может регистрироваться дополнительно киносъемкой. Пластины 1 выполняются, например, из никелида титана ТН-1 (сертификат №12621 ТУ 809-193-82) с фиксацией памяти (на стадиях мартенситных образований) на форму, например, в виде спирали.

Существенным преимуществом предлагаемых решений является то, что они позволяют получить оптимальные соотношения параметров средств защиты (G_об+G_т/н→G^Σ _min) при повышении эффективности защиты КА. Экономия в весе достигается также тем, что защитой обеспечивается не вся поверхность объекта, а только отдельные, наиболее важные и уязвимые части конструкции. В этом случае достаточно использовать один резервуар с теплоносителем 8, который должен быть связан трубопроводами 6 с местами защиты объекта.

Как отмечалось, переменными в устройстве являются: расход теплоносителя и его тип, толщина (вес) защитной пластины, геометрические параметры полости и пластин.

Отработка устройства (фиг.1) обеспечивается регистрацией параметров начала прожига защитного экрана и объекта, их температуры, расхода и давления теплоносителя, замерами изменяемых параметров и выводом замеров на приемное устройство - 15 и устройство отображения 16. При этом в схему отработки включены:

датчики давления теплоносителя, например, на основе пьезоэлементов: 10 в емкости теплоносителя 9 и 11- в полости 17;

датчики температуры, например, на основе пиропьезоэлементов: 12 на поверхности корпуса объекта и 13 на поверхности защитных пластин Г;

датчик расхода теплоносителя (расходомер) - 14.

1. Способ отработки средств защиты объекта от направленного теплового воздействия путем использования защитного экрана, включающий регистрацию параметров средств защиты, отличающийся тем, что между защитным экраном и корпусом объекта формируют герметичную полость, подают в нее под избыточным давлением теплоноситель, дополнительно регистрируют расход теплоносителя и температуру защитного экрана и защищаемого объекта и при этом фиксируют момент времени начала разрушения экрана и разрушения корпуса, после чего определяют зависимость суммарного веса защитного экрана и израсходованного теплоносителя от интенсивности и времени теплового воздействия.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее защитный экран над корпусом объекта, отличающееся тем, что защитный экран выполнен на основе материала с термомеханической памятью и состоит из отдельных пластин, размещенных над герметизированной эластичной оболочкой, внутренняя полость которой сообщена трубопроводами с системой подачи теплоносителя, при этом края пластин защитного экрана соединены внахлест и закреплены с одной стороны на корпусе объекта с помощью полых заклепок, при этом устройство снабжено системой датчиков и аппаратуры отображения для регистрации зависимости параметров устройства от величины теплового воздействия.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что полая заклепка в нем выполнена фигурной с упором для фиксации пластин и снабжена Г-образным каналом для подвода теплоносителя.