27.Изготовление теплоизоляционных и теплозащитных покрытий ка. Теплоизоляционные и теплозащитные покрытия ка.

При эксплуатации КА подвергаются нагреву, источниками которого являются:

1) аэродинамический нагрев – трение об атмосферу,

2) лучистый нагрев – излучение Солнца,

3) нагрев от работы двигателей,

4) нагрев от работы бортовых систем.

Вследствие этого нарушается оптимальный тепловой режим для конструкции РН и КА и для бортового оборудования внутри КА. Нагрев ухудшает прочность и жесткость конструкции КА, а бортовое оборудование может выйти из строя из-за перегрева. Поэтому принимают специальные меры по уменьшению теплового воздействия на КА.

С вредным влиянием нагрева борются двумя путями:

1) используют обтекаемые внешние формы (аэродинамические обводы) РН и КА, если КА не закрыт ГО,

2) на КА применяют теплозащитные покрытия (ТЗП) и теплоизоляционные покрытия (ТИП).

ТИП корпусов КА могут быть:

а) внутренним – расположено внутри корпуса,

б) внешним – снаружи корпуса.

ТИП выполняют свои функции за счет низкой теплопроводности и высокой теплоемкости, не разрушаясь и не расходуясь, а поглощая и сохраняя в себе поступающую тепловую энергию.

Внутренние ТИП больше предназначены для сохранения заданного теплового режима внутри конструкции КА, а внешние ТИП предназначены для уменьшения теплового потока к обшивке и силовым элементам корпуса КА.

ТИП не могут сопротивляться высоким внешним температурам и силовому воздействию в течение длительного времени, например, от аэродинамического нагрева, тогда применяют ТЗП, т.е. ТЗП – это усиленный вариант ТИП.

ТИП во время космического полета защищает КА не только от нагрева, но и от холода космоса на неосвещенной части орбиты и на теневой части конструкции КА. ТИП выполняет роль «космической одежды» защищая КА от нагрева или холода, а избыток тепла внутри КА отводится наружу КА с помощью СТР.

Изготовление теплоизоляционных покрытий.

Основные характеристики ТИП следующие:

1) Пористость определяет прочность, газонепроницаемость, коэффициент теплопроводности, теплоизоляционные свойства; чем мельче поры и чем больше закрытых пор, тем меньше конвекция (перемешивание) воздуха и выше теплоизоляционные свойства.

2) Теплопроводность – насколько плохо или хорошо ТИП проводит тепло.

3) Теплоемкость - материал накапливает в себе тепло, не пропуская его дальше.

4) Механические характеристики: прочность, пластичность, расширение, усадка, а также огнестойкость.

Требования к ТИП:

а) минимальная масса,

б) высокая теплоемкость,

в) низкая теплопроводность,

г) минимальные значения усадки и изменений объема в диапазоне температур эксплуатации,

д) требуемая прочность и огнестойкость,

е) низкие гироскопичность (проницаемость для жидкости) и воздухонепроницаемость,

ж) требуемая отражательная способность (гладкая поверхность отражает тепловые потоки),

з) хорошая технологичность,

и) нетоксичность (не выделяются ядовитые вещества) при изготовлении и эксплуатации,

к) стабильность свойств в диапазоне температур и времени эксплуатации.

Теплоизоляционные материалы делятся на:

1) неорганические – асбестовые ткани, стеклоткани, стекловата, металлическая фольга,

2) органические - войлок, полихлорвинил, пенопласты на основе полиуретана, полистирола и полиамида, поролон.

Основные виды ТИП следующие:

1. ТИП на основе эластично-волокнистых материалов с органическими (полимерными) и неорганическими (кварцевыми, асбестовыми, стеклянными) волокнами применяются для внутренней и внешней теплоизоляции при отсутствии механических воздействий на покрытие. В зависимости от жаростойкости волокон такие покрытия работают в пределах от 50 до 1500 град.С. Данный вид ТИП требует ТЗП и располагается между ТЗП и поверхностью конструкции КА.

2. ТИП на основе жестких волокнистых материалов, как правило, применяются для внешней теплоизоляции КА, подвергающихся механическому воздействию. В зависимости от типа связующего (смолы) покрытия работают в пределах от 100 до 1500 град.С. Широкое применение их во внешних ТИП сдерживается недостаточной термостойкостью применяемых клеев.

3. Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), применяется как внешняя теплоизоляция КА, состоит из ряда тонких листов (экранов) с высокой отражательной способностью, между которыми находятся прокладки из материалов с низкой теплопроводностью. В космическом полете между экранами создается вакуум.

В качестве экранов используются или органические пленки с односторонним или двусторонним отражающим напылением алюминия, никеля, серебра или других металлов, или металлическая фольга из алюминия, никеля, титана и других металлов.

В качестве низкотеплопроводных прокладок используют стеклоткани, вуали, нитяные плетения. ЭВТИ чаще всего изготавливают в виде матов - пакетов из ряда слоев экранов и прокладок, обшитых защитной тканью. В зависимости от материалов экранов ЭВТИ могут работать в пределах температур от -200 до 1000 град.С (никелевые экраны). ЭВТИ широко применяют на КА. Для КА применяются ТИП различного вида на различных отсеках и элементах конструкции.

Конкретные техпроцессы изготовления ТИП зависят от вида ТИП и применяемых материалов. Основными этапами изготовления наиболее распространенного вида ТИП - ЭВТИ - являются следующие:

1) Контроль исходных материалов, к которым относятся экраны и прокладки, ткани для обшивки матов, капроновые нити. Проверяют габариты, толщину и целостность материалов.

2) Сборка необходимого количества слоев экранов и прокладок. Сборка производится на специальных рабочих столах. Первый и последний слои ЭВТИ - экраны. Количество экранов обычно 20-50.

3) Выкройка пакета по шаблону, изготавливаемому из картона или фанеры, производится на рабочем столе острым ножом.

4) Сварка ультразвуком слоев для матов больших размеров.

5) Перфорирование (небольшие отверстия) производится для улучшения вакуумирования (выход воздуха в космосе из-за вакуума) ЭВТИ.

6) Сметывание (предварительная прошивка нитью) мата по периметру. Для защиты ЭВТИ от механических повреждений с внутренней стороны ее обшивают стеклотканью, с наружной стороны тканью с заданными характеристиками пропускания тепла.

7) Контроль и окончательное сшивание матов (слоев экранов с прокладками, наружной и внутренней тканей и ленты для кромок) капроновыми нитками одного цвета с тканью без утяжки по толщине мата.

Основные этапы техпроцесса нанесения внутренней теплоизоляции рассмотрим на примере поропласта и облицовочной ткани, наносимых на металлический корпус:

1) нанесение кистью клея на поверхность листового поропласта равномерным слоем и сушка в течение 24 ч при комнатной температуре,

2) вырезка заготовок поропласта по шаблонам и разделка местных усложнений формы,

3) нанесение клея на облицовочную ткань с внутренней стороны и сушка в течение 24 ч,

4) очистка и обезжиривание внутренней поверхности металлического корпуса КА,

5) нанесение слоя клея на внутреннюю поверхность корпуса и выдержка в течение 1ч,

6) нанесение второго слоя клея на поверхность корпуса, сушка в течение 3-5 мин и приклейка поропласта; нанесение клея и приклейку поропласта производят участками,

7) сушка в течение 16 ч,

8) контроль качества приклейки поропласта визуально и на отрыв,

9) нанесение клея на приклеенный поропласт и сушка в течение 8 ч,

10) нанесение второго тонкого слоя клея на облицовочную ткань и приклейка ткани на поропласт; приклейка ткани также ведется участками,

11) сушка приклеенной ткани в течение 24 ч,

12) контроль нанесенной внутренней теплоизоляции визуальным осмотром на отсутствие грязи, следов клея, отслоений, механических повреждений.

Изготовление теплозащитных покрытий КА.

Задачей теплозащитных покрытий (ТЗП) является уменьшение высокой (до 5000 град.К) температуры на поверхности ТЗП, до допустимой на поверхности конструкции КА. Допустимая температура на поверхности конструкции КА определяется материалом конструкции.

Основными требованиями к ТЗП являются:

1) небольшая масса, достаточная прочность, в том числе при вибрации;

2) высокая теплоемкость и низкая теплопроводность;

3) технологичность при изготовлении;

4) нижние слои ТЗП не должны разрушаться раньше наружных;

Классификацию ТЗП проводят по следующим признакам:

1. По месту расположения ТЗП могут быть внешними (защита от аэродинамического нагрева) или внутренними (защита от нагрева истекающими газами работающего двигателя, например, при горячем разделении ступеней РН).

2. По защищаемым объектам бывают ТЗП корпуса, спускаемого аппарата (СА), баков, приборного отсека, крыльев и т.д.

3. По применяемым материалам ТЗП делят на металлические, керамические, композиционные.

4. По температурам, на которые рассчитываются ТЗП, они делятся на низкотемпературные (до 400 град.С), среднетемпературные (до 700 град.С), высокотемпературные (выше 700 град.С).

5. По принципу действия различают активные ТЗП, предусматривающие газообразные или жидкие теплоносители для принудительного охлаждения и пассивные ТЗП, действующие за счет теплопоглощения, излучения или уноса ТЗП.

6. Различают ТЗП одноразового (на СА «Союз») и многоразового применения ( на «Спейс Шаттле»).

Различают следующие виды ТЗП:

1) Металлическое ТЗП с применением тугоплавких металлов, наиболее простое по конструкции и технологии изготовления. Для металлической ТЗП применяют сплавы титановые (до 300-500 град.С), никелевые, кобальтовые, молибденовые, вольфрамовые (до 1100 град.С), ниобиевые, танталовые (до 1300 град.С). Ограничением для применения тугоплавких металлов и сплавов является их низкая жаростойкость - резкое возрастание окисления с ростом температуры. Поэтому для металлических ТЗП необходимо применение жаростойких покрытий.

2) Радиационная теплозащита излучает тепло с нагретой поверхности. При определенной равновесной температуре уравниваются значения подводимого и излучаемого потока. Главными требованиями к материалам радиационной ТЗП являются высокие излучательная способность, жаростойкость и жаропрочность. Конструктивно радиационная ТЗП представляет собой тонкий экран, усиленный ребрами жесткости, соединенный с несущей поверхностью КА или РН. Для экранов используют тугоплавкие металлы (ниобий, молибден, тантал, вольфрам) и их сплавы с температурой плавления 2500-3400 град.С.

3) Конвективное охлаждение поверхности с помощью жидкого или газообразного охладителя, омывающего нагретую поверхность. Из-за сложности конструкции (бак, трубопроводы, теплообменники, насос), значительной массы охладителя для охлаждения конструкции КА не применяется. Конвективное охлаждение находит широкое применение в ЖРД для охлаждения огневых стенок.

4) ТЗП с поглощением тепла, которая поглощает и накапливает в себе тепло, не пропуская его к металлической конструкции КА. Такое ТЗП применяется на «Спейс Шаттле», которое выполнено в виде плиток, покрывающих всю поверхность корабля. Плитки черного цвета на основе углерода выдерживают большую температуру, чем белые плитки на основе кремния

5) ТЗП с уносом поверхностного слоя является распространенным ТЗП в конструкциях КА, используется, например, на СА «Союза». Это ТЗП работает следующим образом:

а) поглощение тепла при нагревании поверхностного слоя ТЗП до температуры фазовых превращений или химических реакций;

б) поглощение тепла при физических (плавление, испарение, сублимация) и химических превращениях нагретого слоя;

в) поглощение энергии в результате механического разрушения и уноса продуктов физико-химических превращений;

г) излучение энергии нагретым поверхностным слоем;

В качестве материалов для этого ТЗП применяют композиционные материалы, которые по характеру разрушения разделяют на:

1) сублимирующие - разрушаются при нагреве с образованием, миную жидкую, непосредственно газовой фазы;

2) плавящиеся - разрушаются при нагреве, образуя жидкую фазу, которая может растекаться по защищаемой поверхности, уносится с нее и частично испаряться;

3) обугливающиеся - композиционные материалы, эффект теплозащиты у них связан с процессами разложения материала, уноса газообразных и твердых частиц, излучением теплового потока. Обугливающиеся покрытия образуют четыре слоя:

а) основное (первоначальное) покрытие;

б) слой, в котором происходит процесс образования газов и обугленного твердого остатка;

в) обугленный, раскаленный (коксообразный);

г) пограничный слой газообразных продуктов.

4) окисляющиеся - материалы, которые при нагреве интенсивно, с поглощением значительного количества тепла окисляются (горят).

Основными компонентами композиционных ТЗП являются связующие (матрица) и наполнители. В качестве связующих применяются органические и неорганические соединения: фенольные, фенол-формальдегидные, эпоксидные и другие смолы, различные каучуки, полимеры. В качестве наполнителей применяют текстолит, асбестовые волокна, стекло, графит, различные полимерные волокна. Наполнители применяются в виде волокон, порошка, зерен и тканей.

Технологические процессы изготовления ТЗП зависят от вида и материала ТЗП и аналогичны технологическим процессам изготовления металлических и композиционных деталей.

При изготовлении композиционного ТЗП методом намотки учитывают, что теплозащитные и прочностные свойства ТЗП зависят от расположения наполнителя (волокон) по отношению к аэродинамическому и тепловому потокам. Готовое композиционное ТЗП наклеивают на металлический корпус, например СА корабля.