Устройство тепловой защиты летательного аппарата

Изобретение относится к области ракетно-космической технике, а более конкретно к охлаждению. Устройство тепловой защиты летательного аппарата выполнено в виде внешней и внутренней оболочек. Хладагент расположен в модулях капсульного типа, выполненных из капиллярно-пористого сетчатого материала, облицованного со всех сторон фольгой. Модули жестко закреплены на всей площади внешней поверхности внутренней оболочки с образованием зазора для выхода паров хладагента между внешней поверхностью модулей и внутренней поверхностью внешней обечайки. Внешняя поверхность модулей закрыта фольгой с малой степенью черноты, при этом толщина фольги определена из выявленного авторами соотношения. Достигается повышение долговечности. 2 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к теплотехнике и может быть использовано преимущественно в системах охлаждения бортовой аппаратуры различных отсеков высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА).

Требования к таким системам включают: минимальный объем, простоту и надежность конструкции, сохранение работоспособности после длительного хранения, эффективный отвод тепла в условиях внешних механических воздействий при любой ориентации в гравитационном поле.

Полет ЛА со сверхзвуковыми скоростями сопровождается увеличением аэродинамического нагрева конструкции отсеков, в том числе и приборных. Приемлемые температурные условия для функционирования аппаратуры обеспечиваются как защитой конструкции отсека от внешних теплопритоков путем его теплоизолирования, так и использованием других способов и средств, основанных, например, на тепломассообмене испарением.

Известно устройство для тепловой защиты объекта (патент РФ № 2269170, 27.01.2006), содержащее последовательно расположенные слои: наружный, промежуточный и внутренний. На внешней поверхности наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойкого металла и перфорированного дренажными отверстиями, образовано биморфное теплозащитное покрытие из теплоизоляционного композиционного материала. Промежуточный теплозащитный слой выполнен из огнеупорного сухого материала и предназначен для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта. Внутренний теплозащитный слой, предназначенный для активной защиты сохраняемого объекта, образован из материала, в состав которого входят соединения, содержащие кристаллизационную воду. Этот слой заключен между наружной и внутренней теплоотражающими прокладками.

Известное изобретение позволяет обеспечить защиту сохраняемого объекта при воздействии на него механических и тепловых нагрузок при воздействии температуры 1100°С в течение 1 часа, а также при действии температуры 260°С в течение 10 часов.

Однако, данное техническое решение, а именно предназначенный для активной защиты сохраняемого объекта внутренний теплозащитный слой, содержащий кристаллогидраты, не работоспособен в условиях значительного внешнего аэродинамического потока, противодействующего дренажу водяных паров через отверстия во внешних теплозащитных слоях. Без отвода водяных паров внутренний слой не работоспособен, т.к. при внешнем нагреве будет существенно повышаться давление внутри активной защиты и, соответственно, значительно повышаться температура испарения хладагента и защищаемого объекта.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому техническому решению является устройство тепловой защиты летательного аппарата (патент РФ № 2657614, 14.06.2017), выполненное в виде внешней и внутренней оболочек и содержащее охлаждающий пропитанный хладагентом пористый материал, закрепленный на внешней поверхности внутренней оболочки и выполненный в виде сегментов, закрепленных по всей поверхности оболочки с определенными зазорами. На заднем торце устройства по направлению полета ЛА выполнены отверстия для отвода паров хладагента по паропроводам в полость негерметичного отсека летательного аппарата, неподверженную воздействию внешнего аэродинамического напора. При этом оболочки выполнены соосно и эквидистантно друг относительно друга, а на внешней поверхности внешней оболочки может быть установлен дополнительный слой теплоизоляции в виде теплозащитного экрана из жаропрочного материала.

Преимущества известного устройства теплозащиты заключаются в простоте конструкции, работоспособной в условиях высокого внешнего аэродинамического давления.

К недостаткам такого решения следует отнести нестойкость охлаждающего материала в течение продолжительного периода хранения. Охлаждающий материал должен быть капиллярно-пористым неметаллом, например выполненным из поливинилформали, способной удерживать в порах значительную долю по массе жидкого вещества - хладагента, в качестве которого могут быть использованы вода, водоспиртовые растворы и т.п. Пропитанный хладагентом капиллярно-пористый материал в течение продолжительного периода хранения (более 10-20 лет) теряет форму и утрачивает способность удерживать рабочее вещество. В результате капиллярно-пористый материал и хладагент превращаются в однородную субстанцию.

В основу предлагаемого технического решения поставлена техническая задача повышения эффективности и надежности тепловой защиты отсеков ЛА с бортовой аппаратурой, функционирующей в условиях воздействия высоких температур окружающей среды.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в создании устройства с функциями теплозащиты и отвода внешнего теплового потока испарением, работающего при любой ориентации в пространстве в условиях воздействия внешних механических нагрузок и высоких температур окружающей среды и способного сохранять характеристики после длительного периода хранения.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве тепловой защиты летательного аппарата, выполненном в виде внешней и внутренней соосно и эквидистантно расположенных друг относительно друга оболочек с выполненными на заднем торце устройства по направлению полета ЛА отверстиями для отвода паров хладагента, устройство снабжено заполненными хладагентом модулями капсульного типа, выполненными из капиллярно-пористого сетчатого металлического материала, облицованного со всех сторон фольгой,, модули жестко закреплены на всей площади с внешней поверхностью внутренней оболочки с образованием зазора для выхода паров хладагента между внешней поверхностью модулей и внутренней поверхностью внешней обечайки, при этом фольга, закрывающая внешнюю поверхность модулей, имеет малую степень черноты, а толщина фольги выбрана из соотношения:

где δ - толщина фольги, м;

Ро - давление заправки хладагента, Па;

β - степень заполнения модуля хладагентом;

α - коэффициент температурного расширения хладагента, 1/К;

ΔT - перепад температур между температурой заправки хладагента и допустимой температурой аппаратуры приборного отсека, К;

D_экв - эквивалентный размер (диаметр) внешней поверхности модуля, м;

S - относительное удлинение фольги;

σ - предел прочности фольги, Па.

Конструктивные признаки нового предложенного технического решения обуславливают достижение заявленного результата.

Модули капсульного типа с содержащимся в них хладагентом, выполненные из капиллярно-пористого сетчатого материала, облицованного со всех сторон фольгой, в начале рабочего процесса (полета ЛА с высокой скоростью) функционируют в качестве термического сопротивления. Герметизирующая объем модулей фольга, внешняя поверхность которой имеет малую степень черноты, необходима для снижения теплового потока излучением от внешней оболочки к хладагенту.

После нагрева (ΔT) хладагента до допустимой температуры аппаратуры, сопровождающегося увеличением объема хладагента, фольга разрывается и модули разгерметизируются. Хладагент нагревается, кипит и испаряется с поглощением значительной доли теплового потока. При этом снижается температура внутренней оболочки, тем самым предохраняя аппаратуру приборного отсека от перегрева.

Зазор между внешней поверхностью модулей и внутренней поверхностью внешней обечайки необходим для отвода паров хладагента, которые поступают в задний торец устройства и проходят через отверстия по паропроводам в полость негерметичного отсека ЛА, откуда и сбрасываются в окружающее пространство.

Капиллярно-пористый сетчатый материал удерживает хладагент (жидкую фазу) в объеме модулей при любом их расположении в пространстве и, одновременно, благодаря сетчатой структуре, пропускает пары хладагента.

Степень заполнения объема модулей хладагентом выбирают из условия обеспечения разрыва фольги на поверхности модулей со стороны зазора при достижении температуры хладагента, равной допустимой температуре аппаратуры приборного отсека.

По выявленному авторами в результате исследований соотношению заранее определяют важный параметр - толщину фольги 5. После расчета толщины фольги по приведенной выше формуле конкретную величину выбирают как ближайшее значение из ряда сортамента толщин фольги, выпускаемых промышленностью, например 0,05 мм и т.д.

Разрыв фольги в определенный момент времени полета ЛА необходим для предотвращения повышения давления в объеме модулей и снижения температуры кипения хладагента и, соответственно, не превышения температуры внутренней обечайки более допустимой температуры защищаемой аппаратуры.

Сущность предложенного технического решения поясняется фиг. 1 и 2, на которых схематически изображено устройство тепловой защиты летательного аппарата.

На фигуре введены следующие обозначения:

1 - защищаемая аппаратура ЛА;

2 - устройство тепловой защиты (модули капсюльного типа с хладагентом);

3 - внутренняя оболочка;

4 - внешняя оболочка;

5 - паропроводы;

6 - дополнительная теплозащита;

7 - полость негерметичного отсека;

8 - фольга;

9 - капиллярно-пористый сетчатый материал;

10 - хладагент;

11 - зазор.

Предложенное устройство тепловой защиты ЛА работает следующим образом.

В полете ЛА со сверх- и гиперзвуковыми скоростями под действием внешнего аэродинамического потока происходит нагрев дополнительной теплозащиты 6 и внешней оболочки 4.

Через зазор 11 от внешней оболочки 4 тепловой поток воздействует на модули капсюльного типа устройства тепловой защиты 2, внешняя поверхность которых образована капиллярно-пористым сетчатым материалом 9, покрытого снаружи фольгой 8, которая, выполняя функции герметизации, одновременно, благодаря малой степени черноты поверхности, значительно снижает радиационный тепловой поток от внешней оболочки 4.

В результате температуры хладагента 10 повышается, объем его увеличивается и при достижении значения температуры хладагента, равной допустимой температуре аппаратуры приборного отсека, происходит разрыв фольги 8 на поверхности модуля со стороны зазора 11. Фольга разрывается именно на этой поверхности, т.к. остальные поверхности модулей капсюльного типа находятся в плотном контакте друг с другом и внутренней оболочкой 3.

Толщину фольги δ определяют заранее по приведенному выше соотношению, учитывающему значения конструктивных параметров модулей.

После разрыва фольги 8 находящийся в модулях капсюльного типа хладагент 10 начинает кипеть и испаряться, пары хладагента по зазору 11 через паропроводы 5 направляются в полость негерметичного отсека 7.

Движущей силой отвода паров хладагента является градиент между давлением в модулях и давлением в полости негерметичного отсека 7, в котором давление газовой среды значительно ниже и определяется давлением за бортом ЛА.

При работе предложенного устройства тепловой защиты в результате испарения хладагента в модулях капсюльного типа температура внутренней обечайки 3 и, соответственно, температура защищаемой аппаратуры ЛА 1 находится на необходимом уровне, зависящем от температуры кипения (испарения) хладагента, значение которого обуславливается давлением в модулях.

В случае воздействия на устройство тепловой защиты 2 незначительных по мощности внешних тепловых потоков или короткого времени воздействия на внешнюю оболочку 4 в установке теплозащитного экрана 6 нет необходимости.

Капиллярно-пористый сетчатый материал 9 представляет собой несколько спеченных слоев тонкой металлической сетки, выполненной, например, из нержавеющей стали. Толщина материала выбирается с учетом действующих в полете ЛА внешних нагрузок и, как правило, не превышает 1-2 мм.

Фольга с малой степень черноты ε<0,05 - 0,10, используемая в устройстве, также может быть изготовлена из нержавеющей стали.

В предложенном устройстве в качестве хладагента 10 могут быть использованы вода, водоспиртовые растворы, спирт и т.п.

Выполнение основных рабочих частей устройства - герметичных модулей капсюльного типа из облицованных фольгой металлических сеток и использование совместимых с материалом сеток хладагентов обуславливает способность сохранять устройством характеристики после длительного периода хранения (10-20 и более лет).

Совокупность предложенных новых признаков технического решения - выполнение испарительного устройства в виде двух оболочек с размещением на внутренней оболочке герметичных модулей капсюльного типа, выполненных оболочкой из капиллярно-пористого сетчатого материала, облицованного со всех сторон фольгой, с расположением хладагента во внутренних объемах модулей и с образованием зазора для выхода паров хладагента между внешней поверхностью модулей и внутренней поверхностью внешней обечайки, - позволяет получить эффективный, обусловленный взаимосвязью признаков, технический результат - новое устройство с функциями теплозащиты и испарения, работающего при любой ориентации в пространстве в условиях воздействия высоких температур окружающей среды и способного сохранять характеристики после длительного периода хранения.

Устройство тепловой защиты летательного аппарата, выполненное в виде внешней и внутренней соосно и эквидистантно расположенных друг относительно друга оболочек с выполненными на заднем торце устройства по направлению полета ЛА отверстиями для отвода паров хладагента, отличающееся тем, что устройство снабжено заполненными хладагентом модулями капсульного типа, выполненными из капиллярно-пористого сетчатого металлического материала, облицованного со всех сторон фольгой, модули жестко закреплены на всей площади внешней поверхности внутренней оболочки с образованием зазора для выхода паров хладагента между внешней поверхностью модулей и внутренней поверхностью внешней обечайки, при этом фольга, закрывающая внешнюю поверхность модулей, имеет малую степень черноты, а толщина фольги выбрана из соотношения:

где δ - толщина фольги, м;

Р_о - давление заправки хладагента, н/м²;

β - степень заполнения модуля хладагентом;

α - коэффициент температурного расширения хладагента, 1/К;

ΔT - перепад температур между температурой заправки хладагента и допустимой температурой аппаратуры приборного отсека, К;

D_экв - эквивалентный размер (диаметр) внешней поверхности модуля, м;

S - относительное удлинение фольги;

σ - предел прочности фольги, н/м².