СПОСОБ ТЕПЛОЗАЩИТЫ И МОДУЛЯЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБЪЕКТА, СПУСКАЕМОГО С КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2003 года по МПК B64G1/58 C09D1/02 B64C1/38 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для защиты космических аппаратов и спускаемых объектов (от перегрева или от механических повреждений) как в условиях полета в космосе, так и при входе в плотные слои атмосферы планет.

Аналогами предлагаемого способа являются многочисленные пассивные методы защиты аппаратов с помощью высокотемпературных покрытий, которые формируются на их поверхности в процессе изготовления аппаратов на Земле, и являются их неотъемлемой частью. Покрытия, как правило, выполняются многослойными и формируются на поверхности аппаратов путем обмазки с последующим отверждением, намотки листового материала, наклейки теплозащитных плиток и т.д. В качестве материала для изготовления теплозащитных покрытий (ТПЗ) используются тугоплавкие окислы металлов, композиционные материалы, такие как углепластики, кремнийорганические соединения и пр. [1-3].

Характерным для такого способа теплозащиты является то, что внутренние слои имеют высокие теплозащитные свойства, а наружный - хорошие абляционные характеристики (малый износ, высокую температуру плавления).

Недостатками такого способа теплозащиты КА являются:
- высокая температура наружного слоя, что дает значительную величину градиента температуры, а следовательно, и теплопритоки извне;
- изготовленная на земле теплозащита аппарата имеет конкретный, наперед заданный ресурс, который в условиях полета увеличен уже быть не может;
- для вывода веса ТЗП возвращаемого объекта на орбиту необходимы дополнительные затраты горючего.

Более совершенными являются активные способы теплозащиты, когда СТР КА используется для охлаждения его поверхности, либо специального теплового экрана, установленного на аппарате [4-7]. Наиболее близким по технической сущности является способ теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления объекта, спускаемого с космического аппарата, включающий формирование испаряемого защитного слоя на поверхности объекта [5]. Такое техническое решение выбрано в качестве прототипа предлагаемому решению. В нем теплоноситель СТР КА за счет испарения используется для создания паровой зоны перед защитным экраном. Последнее не только снижает тепловые нагрузки на КА и его экраны, но и дает возможность влиять на аэродинамическое сопротивление аппарата.

Недостатками прототипа являются:
- увеличение энергозатрат на работу СТР КА, усложнение конструкции и веса СТР;
- ресурс работы защитного экрана, СТР и запас теплоносителя необходимо рассчитывать еще до полета, а это ограничивает оперативные возможности полета в целом;
- создание дополнительной паровой защиты объекта приводит к расходу теплоносителя.

Таким образом, задачей нового технического решения является разработка такого способа теплозащиты объекта, который позволил бы:
- создавать ТЗП в конкретных условиях космического полета, например, непосредственно перед входом объекта в атмосферу;
- иметь возможность варьировать характер покрытия, например толщину или конфигурацию в соответствии с конкретной задачей по спуску объекта;
- снизить наружную температуру КА и внешние теплопритоки к нему;
- не затрачивать лишней энергии для вывода в космос специального охладителя, максимально использовать вещества и оборудование, имеющееся на борту КА.

Задача решается тем, что в способе теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления объекта, спускаемого с космического аппарата, включающем формирование испаряемого защитного слоя на поверхности объекта, перед входом в атмосферу, в космосе, поверхность объекта охлаждают путем его ориентации на теневую сторону космического аппарата, а формирование защитного покрытия производят путем подачи газокапельной смеси жидкого теплоносителя на охлажденную поверхность объекта до образования ледяной оболочки, имеющей аэродинамиескую форму, при этом в процессе нанесения жидкого теплоносителя его и охлажденную поверхность объекта заряжают разнополярными электрическими зарядами.

В качестве жидкого теплоносителя использована вода, вырабатываемая размещенным на космическом аппарате кислородо-водородным электрохимическим генератором, а вырабатываемое при этом электричество использовано для зарядки жидкого теплоносителя и обрабатываемой поверхности спускаемого объекта, причем в качестве газа в газокапельной смеси используют один из газов, выходящих из электрохимического генератора.

Техническим результатом способа является то, что отпадает необходимость доставлять охладитель на орбиту с Земли, он синтезируется на борту КА в космосе в ходе электрохимической реакции между компонентами топлива ЭХГ КА - кислородом и водородом. Электричество, которое также получается в этой реакции, может использоваться для нанесения ледяного ТЗП на поверхность аппарата.

Другим важным результатом предложенного способа является то, что получаемое ледяное ТЗП по своей природе - низкотемпературное. Температура поверхности объекта не может превышать невысокую (особенно при малых давлениях) температуру кипения воды. Это обстоятельство может оказаться важным при доставке с орбиты биологических и медицинских грузов, не допускающих сильного нагревания.

Необходимо отметить также, поскольку и воду и электричество вырабатывает один агрегат - ЭХГ, их количества точно сбалансированы друг с другом.

Кроме того, такое покрытие дополнительно снижает теплоприток к объекту за счет того, что плавясь и испаряясь, лед образует дополнительную защитную паровую оболочку вокруг объекта, а это влияет на аэродинамическое сопротивление последнего. Создание дополнительной паровой оболочки является общим для предполагаемого решения и прототипа, однако в предлагаемом способе используются не только испарения, но и второй фазовый переход - плавление, а это повышает эффективность теплозащиты.

Если речь идет о КА, то его ледяная оболочка может служить кроме всего прочего в качестве внешнего хранилища воды, из которой путем электролиза можно синтезировать кислород и водород для ДУ КА.

Суть предлагаемого способа в том, что компоненты топлива ЭХГ КА (O₂ и Н₂) используются не только по своему прямому назначению, но и для создания низкотемпературного ТЗП в случае необходимости спуска объекта в атмосферу. Для синтеза воды при этом применяется электрохимическая реакция окисления водорода, которая обеспечивает процесс не только материалами (водой), но и энергией.

Характер покрытия (толщина, конструкция, структура) может варьироваться в процессе его создания в соответствии с характером возникшей в данный момент задачи. За счет формы ледяного покрытия можно влиять и на паровую оболочку КА и тем самым - на его аэродинамическое сопротивление. Характер покрытия можно выбирать оптимальным применительно к конкретной выбранной траектории полета в атмосфере планеты. Например, можно формировать различные ТЗП для спуска аппарата на поверхность, либо для временного в атмосферу с различной глубиной проникновения и т.п.

Предлагаемый способ теплозащиты КА осуществляется в следующей последовательности действий.

1. До входа в атмосферу обрабатываемую поверхность объекта охлаждают, например, ориентируя его в пространстве так, чтобы поверхность не освещалась солнцем - переводят на теневую сторону КА.

2. После этого в космосе формируют защитное покрытие спускаемого объекта, направляя газокапельную смесь жидкого теплоносителя на охлажденную поверхность объекта до образования ледяной оболочки, при этом в процессе нанесения жидкого теплоносителя его и охлажденную поверхность объекта заряжают разнополярными электрическими зарядами.

В качестве жидкого теплоносителя использована вода, вырабатываемая кислородо-водородным ЭХГ, размещенным на борту КА, а вырабатываемое при этом электричество используется для зарядки жидкого теплоносителя и обрабатываемой поверхности спускаемого объекта. При этом в качестве газа в газокапельной смеси использован один из газовых компонентов, отработанных ЭХГ.

Перечень принятых сокращений
ТЗП - теплозащитное покрытие
КА - космический аппарат
ЭХГ - электрохимический генератор
ДУ - двигательная установка
СТР - система терморегулирования
Список литературы
1. Усовершенствованное покрытие с высокой термической стойкостью, Франция, заявка 2542278, 1984 г.

2. Трехслойный тепловой экран, Франция, заявка 2638709.

3. Высокотемпературная теплоизоляция система, ФРГ, заявка 3741733.

4. Способ термической защиты, Франция, заявка 2542698.

5. Способ теплозащиты и модуляции сопротивления КА, ФРГ, заявка 3309688.

6. Конструкция из композиционного материала, ЕР, заявка 0133066.

7. Защитный экран, ЕР, заявка 0073688.

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться для защиты космических аппаратов и спускаемых объектов (от механических повреждений или перегрева) как в космосе, так и при входе в плотные слои атмосферы. Способ теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления объекта, спускаемого с космического аппарата, включает формирование испаряемого защитного слоя на поверхности объекта перед входом в атмосферу, в космосе, после охлаждения его поверхности путем ориентации объекта на теневую сторону КА и напыления газокапельной смеси жидкого теплоносителя на охлажденную поверхность объекта до образования ледяной оболочки, имеющей аэродинамическую форму. При этом в процессе нанесения жидкого теплоносителя его и охлажденную поверхность объекта заряжают разнополярными электрическими зарядами. В качестве жидкого теплоносителя используется вода, вырабатываемая кислородо-водородным ЭХГ, размещенным на борту КА, а вырабатываемое при этом электричество используется для зарядки жидкого теплоносителя и обрабатываемой поверхности спускаемого объекта. В качестве же газа в газокапельной смеси используется один из газовых компонентов, отработанных ЭХГ. Технический результат - повышение эффективности теплозащиты. 1 з.п.ф-лы.

1. Способ теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления объекта, спускаемого с космического аппарата, включающий формирование испаряемого защитного слоя на поверхности объекта, отличающийся тем, что перед входом в атмосферу в космосе поверхность объекта охлаждают путем его ориентации на теневую сторону космического аппарата, а формирование защитного покрытия производят путем подачи газокапельной смеси жидкого теплоносителя на охлаждаемую поверхность объекта до образования ледяной оболочки, имеющей аэродинамическую форму, при этом в процессе нанесения жидкого теплоносителя его и охлаждаемую поверхность объекта заряжают разнополярными электрическими зарядами.2. Способ теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления объекта, спускаемого с космического аппарата, по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого теплоносителя использована вода, вырабатываемая размещенным на космическом аппарате кислородо-водородным электрохимическим генератором, а вырабатываемое при этом электричество использовано для зарядки жидкого теплоносителя и обрабатываемой поверхности спускаемого объекта, причем в качестве газа в газокапельной смеси использован один из газов, выходящих из электрохимического генератора.