Летательный аппарат, содержащий теплозащитный компонент
Летательный аппарат (10) содержит теплозащитный компонент (12), состоящий из нанопористого полимерного аэрогеля без наружной оболочки, в пористой структуре которого поры открыты с обеспечением, в процессе полета летательного аппарата (10), соответствия давления в порах теплозащитного компонента (12) окружающему давлению на высоте полета летательного аппарата (10). Способ функционирования летательного аппарата (10) характеризуется использованием теплозащитного компонента (12). Группа изобретений направлена на оптимизацию по массе. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Область техники
Изобретение относится к летательному аппарату, содержащему теплозащитный компонент, а также к способу функционирования такого аппарата.
Уровень техники
Летательный аппарат, пригодный для работы на очень больших высотах (например выше 15000 м), необходимо оборудовать легкими теплоизолирующими компонентами, которые, отвечая требованиям экономии пространства для их установки, в то же время весьма эффективно обеспечивают защиту частей, чувствительных к температуре, от низких температур, на очень больших высотах достигающих -90°С (к таким частям относится, например, электроника, используемая в различных устройствах бортового радиоэлектронного оборудования). В настоящее время в функционирующих высотных псевдоспутниках (High Altitude Psevdo Satellites, HAPS) применяют вспененные изолирующие компоненты из полистирола или другого подобного полимера, отражающую фольгу различного типа или панели, обеспечивающие вакуумную изоляцию и заполненные гранулами (например гранулами аэрогеля).
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании летательного аппарата, который снабжен теплозащитным компонентом, оптимизированным как по массе, так и по техническим характеристикам. Другой задачей изобретения является разработка способа функционирования такого аппарата.
Поставленные задачи решены посредством летательного аппарата и способа его функционирования, признаки которых приведены соответственно в п. 1 и п. 7 формулы изобретения.
Предлагаемый летательный аппарат снабжен по меньшей мере одним теплозащитным компонентом, состоящим из нанопористого материала. В структуре данного материала поры открыты, так что, когда аппарат находится в полете, давление в порах теплозащитного компонента соответствует окружающему давлению на высоте полета аппарата.
Теплопроводность в воздухе при нормальном атмосферном давлении на уровне моря задается, главным образом, конвекцией; однако, при более низких давлениях повышает свой вклад такой механизм теплообмена, как тепловое излучение. В суммарной теплопроводности при давлениях в интервале 103-104 Па вклад конвекции и вклад, определяемый тепловым излучением, примерно одинаковы, а при давлениях ниже 102 Па доминирующим фактором становится тепловое излучение. Теплопередача в нанопористых материалах задается, по существу, теплопроводностью газа, находящегося в порах. Теплопроводность такого газа соответствующим образом зависит от соотношения между средней длиной свободного пробега молекул газа и средним диаметром пор.
Конкретно, в нанопористых материалах увеличение отношения этих усредненных параметров (длины свободного пробега к диаметру пор) приводит к понижению теплопроводности газа, поскольку его молекулы начинают сталкиваться со стенками пор более часто, чем с другими молекулами газа, и, в результате, увеличивают перенос своей тепловой энергии к твердой составляющей нанопористого материала. Повышение соотношения между средней длиной свободного пробега молекул газа и средним диаметром пор может быть вызвано понижением давления газа в порах нанопористого материала.
В отличие от известных панелей, обеспечивающих вакуумную изоляцию, в которых, чтобы создать условия для низких теплопроводностей, из гранул, содержащихся во внутреннем объеме панелей, принудительно откачивают воздух, а затем изолируют их относительно окружающей среды посредством надлежащих наружных оболочек, в теплозащитном компоненте предлагаемого летательного аппарата на высоте его полета для понижения давления газа в порах нанопористого материала и, таким образом, для уменьшения теплопроводности данного газа используется наружное давление, которое существенно ниже нормального атмосферного давления на уровне моря. В результате теплозащитный компонент обладает теплоизолирующими свойствами, оптимальными для использования в условиях пониженного давления окружающей среды, причем отпадает необходимость принудительно создавать в теплозащитном компоненте давление, пониженное по сравнению с нормальным атмосферным давлением на уровне моря, а затем изолировать данный компонент от окружающей атмосферы.
Таким образом, в случае применения предлагаемого теплозащитного компонента из конструкции может быть исключена наружная оболочка, изолирующая защитный компонент от окружающей атмосферы, что позволит существенно уменьшить его массу. Кроме того, устраняется вероятность механических повреждений наружной оболочки, которые могут возникать в обычных панелях, обеспечивающих вакуумную изоляцию. Наконец, теплозащитный компонент нечувствителен к изменениям давления в окружающей атмосфере, поскольку его конструкция и, конкретно, открытые поры гарантируют, что между окружающей атмосферой и внутренним объемом защитного компонента всегда происходит выравнивание давлений. Поэтому теплозащитный компонент может применяться даже на высотах, превышающих 20000 м, где обычные панели, обеспечивающие вакуумную изоляцию, не могут выполнять свою функцию, поскольку они раздуваются под воздействием перепада между низким давлением окружающей атмосферы и остаточным давлением, сохраняющимся в их внутреннем объеме, несмотря на принудительное откачивание с последующей герметизацией. Теплозащитный компонент, наоборот, может применяться даже в летательном аппарате типа планетарных зондов, которые, в частности, после долгого пребывания в вакууме проникают в атмосферу планеты или ее спутника (луны) и остаются там, т.е. задерживаются в их атмосфере.
В предпочтительном варианте в теплозащитном компоненте летательного аппарата содержится аэрогель. Аэрогели характеризуются своей низкой массой и нанопористой структурой, в которой поры открыты, что позволяет выравнивать давления окружающей атмосферы и газа, находящегося внутри пор аэрогеля. Твердая фракция аэрогеля может составлять максимум 10% от общего объема. Кроме того, в кремниевом аэрогеле даже твердая составляющая имеет относительно низкую теплопроводность.
В особенно предпочтительном варианте летательного аппарата по изобретению в теплозащитном компоненте содержится полимерный аэрогель. Такие аэрогели получают, например, добавляя к кремниевому гелю перед его высушиванием перекрестносшивающий агент, ковалентно связывающийся с гидроксильными группами. Полимерные аэрогели отличаются выдающимися механическими свойствами и, в особенности, низкой хрупкостью и, таким образом, хорошо деформируются. Для изготовления теплозащитного компонента может быть использован, например, материал Airloy® Х130 UL. Предусмотрена возможность придать данному компоненту форму, соответствующую его предназначению на борту летательного аппарата. Эту операцию можно выполнить легко и без нанесения повреждений данному компоненту, а затем он может быть вмонтирован в летательный аппарат.
В предпочтительном варианте летательного аппарата твердофазный материал теплозащитного компонента непрозрачен в инфракрасном диапазоне длин волн. Тем самым может быть уменьшено испускание тепла данной твердой составляющей теплозащитного компонента и, соответственно, улучшены его защитные свойства.
В частности, за счет теплозащитного компонента можно сформировать изоляцию батареи летательного аппарата. Допустимы также варианты с размещением данного компонента и в других местах летательного аппарата. В общем случае приемлема установка теплозащитного компонента на борту летательного аппарата во всех позициях, в которых следует предотвратить потерю тепловой энергии.
Летательным аппаратом, оснащенным предлагаемым теплозащитным компонентом, могут быть псевдоспутник HAPS, метеорологический зонд, беспилотный летательный аппарат дальнего радиуса действия для полетов на больших высотах (High Altitude Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle, HALE UAV), пилотируемый летательный аппарат, стратостат, планетарный зонд или другие подобные устройства. Существенно только, чтобы летательный аппарат был способен выполнять свою функцию на таких высотах, где, по сравнению с нормальным атмосферным давлением на уровне моря, превалирует пониженное давление окружающей атмосферы, при котором теплозащитный компонент проявляет теплоизолирующие свойства, востребованные для конкретного приложения на борту летательного аппарата.
Согласно способу функционирования летательного аппарата, снабженного по меньшей мере одним теплозащитным компонентом из нанопористого материала, обеспечивают открытое состояние пор данного материала и соответствие давления в них, когда аппарат находится в полете, окружающему давлению на высоте полета аппарата.
В возможном варианте в теплозащитном компоненте содержится аэрогель, в частности, аэрогель полимерного типа. При этом твердофазный материал теплозащитного компонента предпочтительно непрозрачен в инфракрасном диапазоне длин волн.
Краткое описание чертежа
Далее предпочтительный вариант изобретения будет описан более подробно, со ссылками на прилагаемый схематичный чертеж.
Конкретно, на чертеже представлено схематичное изображение летательного аппарата, снабженного теплозащитным компонентом.
Осуществление изобретения
На чертеже схематично проиллюстрирован летательный аппарат 10, в котором в качестве изоляции батареи установлен теплозащитный компонент 12.
Проиллюстрированный на фиг.1 летательный аппарат 10 является псевдоспутником HAPS, который предназначен для функционирования на высотах более 15000 м. Однако в альтернативных вариантах аппарат 10 может представлять собой метеорологический зонд, беспилотник HALE UAV, пилотируемый летательный аппарат, стратостат, планетарный зонд или другое подобное устройство.
Теплозащитный компонент 12 состоит из нанопористого материала, в пористой структуре которого поры открыты, так что, когда летательный аппарат 10 находится в полете, давление в порах теплозащитного компонента 12 соответствует окружающему давлению на высоте полета. Конкретно, теплозащитный компонент 12 состоит из полимерного аэрогеля, такого, например, как Airloy® Х130 UL.
Как следует из приведенной далее таблицы, на высоте больше 13716 м теплоизолирующая способность теплозащитного компонента 12 уже превышает аналогичный параметр обычной панели, обеспечивающей вакуумную изоляцию, причем при дальнейшем увеличении высоты данное превышение даже растет.
В то же самое время, поскольку в предлагаемой конструкции не используется герметичная наружная оболочка, масса теплозащитного компонента 12, равная 165 г, на 41% меньше, чем у обычной панели, обеспечивающей вакуумную изоляцию и имеющей массу 280 г.
1. Летательный аппарат (10), содержащий по меньшей мере один теплозащитный компонент (12), состоящий из нанопористого полимерного аэрогеля без наружной оболочки, в пористой структуре которого поры открыты с обеспечением, в процессе полета летательного аппарата (10), соответствия давления в порах теплозащитного компонента (12) окружающему давлению на высоте полета летательного аппарата (10).
2. Аппарат по п. 1, в котором твердофазный материал теплозащитного компонента (12) непрозрачен в инфракрасном диапазоне длин волн.
3. Аппарат по п. 1 или 2, в котором теплозащитный компонент (12) образует теплоизоляцию батареи.
4. Аппарат по п. 1 или 2, который представляет собой высотный псевдоспутник, метеорологический зонд, беспилотный летательный аппарат дальнего радиуса действия для полетов на больших высотах, пилотируемый летательный аппарат, стратостат или планетарный зонд.
5. Способ функционирования летательного аппарата (10), содержащего по меньшей мере один теплозащитный компонент (12), состоящий из нанопористого полимерного аэрогеля, в пористой структуре которого, выполненной без наружной оболочки, поры открыты, включающий обеспечение, в процессе полета летательного аппарата (10), соответствия давления в порах теплозащитного компонента (12) окружающему давлению на высоте полета летательного аппарата (10).
6. Способ по п. 5, в котором используют твердофазный материал теплозащитного компонента (12), непрозрачный в инфракрасном диапазоне длин волн.
