РАДИОПРОЗРАЧНОЕ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2009 года по МПК G02B1/10 B64G1/58 

Изобретение относится к области терморегулирующих покрытий, эксплуатирующихся преимущественно в составе космической техники.

Радиопрозрачное терморегулирующее покрытие (РТРП) предназначено для термостабилизации и электростатической защиты антенных систем.

В процессе эксплуатации космический аппарат (КА), в том числе и его антенны, периодически и неравномерно освещаются Солнцем, подвергаются воздействию потоков заряженных частиц. Происходит неравномерный нагрев и электростатическое заряжение поверхностей КА. В результате неравномерного нагрева наблюдается искажение формы рефлекторов, штанг и облучателей антенн (из-за большего термического расширения более нагретых участков), что приводит к ухудшению качества связи (к снижению мощности и искажению принимаемого сигнала). Электрические разряды, возникающие из-за воздействия заряженных частиц, вызывают помехи и сбои бортовой аппаратуры. Для предотвращения указанных негативных явлений необходимо обеспечить термостабилизацию антенных систем и защиту их от электризации.

Комплексное решение проблем термостабилизации и электростатической защиты антенн достигается применением светоотражающих электропроводных экранов, "заземленных" на корпус КА. Применение металлических покрытий, обычно используемых для обеспечения электропроводности и светоотражения. недопустимо, так как металлические покрытия не пропускают радиоизлучение.

Температурный режим покрытия обеспечивается отношением терморадиационых характеристик As/ε его поверхности. Чем меньше отношение As/ε, тем эффективнее работает покрытие. Требуемого соотношения As/ε можно достичь, используя прозрачный диэлектрический материал, обеспечивающий большую величину ε, и отражающий слой из материала с малым As на одной из сторон диэлектрического материала или на обеих его сторонах. При этом все материалы покрытия должны быть радиопрозрачны, то есть должны свободно пропускать электромагнитное излучение радиочастотного диапазона (от нескольких МГц до десятков ГГц).

Однако, кроме ЭМИ Солнца, на внешнюю поверхность КА воздействует корпускулярное излучение - потоки электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ). Под их действием на диэлектрических поверхностях КА скапливается неоднородный электростатический заряд. Периодически между областями поверхности с разными электрическими потенциалами происходят разряды, вызывающие помехи или даже сбои бортовой электронной аппаратуры и способствующие ухудшению характеристик оптических поверхностей. Для защиты от электризации необходимо нанесение на лицевую поверхность покрытия электропроводных слоев, не ухудшающих характеристики As, ε и радиопрозрачность покрытия.

Известно многослойное покрытие, состоящее из подложки с прозрачным электропроводным покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием на тыльной поверхности, выполненным в виде пленки металла с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, отличающееся тем, что прозрачное электропроводное покрытие включает не менее 2-х слоев, причем один из слоев содержит оксид церия, а подложка выполнена из полиимидной пленки (патент RU 2269146, 30.04.2003).

Основной недостаток данного аналога - непрозрачность для электромагнитного излучения радиочастотного диапазона.

Известна радиопрозрачная солнцезащитная мембрана (US 5373305, 13.12.1994), покрывающая рефлектор антенны, включающая не менее двух диэлектрических листов полиимидной пленки толщиной 25 мкм, разделенных матом из стекловолокна, а лицевая поверхность верхнего диэлектрического листа снабжена электропроводным полупроводниковым покрытием, таким как германий, толщиной (2-6)10^-8 м. Кроме того, внутренний диэлектрический лист может быть усилен приклеенной сеткой из полиэстера или стекловолокна.

Основными недостатками данного аналога являются:

- недостаточная для эффективного снятия электростатического заряда электропроводность лицевой поверхности;

- наличие стекловолокна в составе мембраны может привести к появлению частиц стекловолокна в собственной внешней атмосфере КА, что может вызвать засорение прецизионных механических устройств, ошибки оптических и навигационных приборов. В современных КА использование материалов, содержащих открытое (не залитое связующим) стекловолокно не допускается;

- большая масса и сложность конструкции.

Наиболее близкой по технической сущности является «Слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты» (патент RU 2087392), содержащая внешний слой, выполненный из прозрачного для широкого интервала микроволновых частот электропроводного материала, отражающего термическое излучение, терморегулирующий слой, выполненный с термоотражающим покрытием и с промежуточным слоем, расположенным между внешним электропроводным слоем и термоотражающим покрытием, отличающаяся тем, что внешний электропроводный слой выполнен с равномерной толщиной от 5×10^-8 до 25×10^-8 м и снабжен подложкой из полимерного материала, прозрачного для широкого интервала микроволновых частот, а термоотражающее покрытие выполнено из полимерного пленочного материала, прозрачного для широкого интервала микроволновых частот.

В предпочтительном воплощении германиевый слой выполняется толщиной около 11×10^-8 м, пленка Кэптон, служащая пленочным слоем, выполняется толщиной около 1 мил (˜25 мкм). Волокно Номекс толщиной от 4 до 5 мил (˜100-125 мкм) в качестве промежуточного слоя, а пленка Тедлар, используемая как термоотражающее покрытие, выполняется толщиной около 1 мил (˜25 мкм). В таком исполнении слоистая оболочка позволяет пропускать около 99% излучений радиочастоты, пропуская только 4-5% света. В основном же, чем толще слои, тем меньше проходит света и излучений радиочастоты через слоистую оболочку. Таким образом, эти размеры можно увеличивать, уменьшая прохождение света через слоистую оболочку ценой уменьшения прохождения излучений радиочастоты.

Данное техническое решение принято за прототип.

Основными недостатками прототипа являются:

- большая масса слоистой оболочки. Поскольку в условиях космического пространства отсутствуют сколько-нибудь значительные механические нагрузки на тепловые экраны антенн, применение такого громоздкого покрытия с целью увеличения жесткости и прочности не оправдано;

- сложная конструкция слоистой оболочки;

- наличие термоотражающего покрытия может привести к перегреву слоистой оболочки, так как термоотражение означает малую величину коэффициента излучения ε и большую величину отношения As/ε;

- внешнее отражающее электропроводное покрытие выполнено однослойным, из-за чего его электропроводность легко может ухудшиться при хранении, за счет взаимодействия с кислородом воздуха, и оно уже не будет в полной мере выполнять функцию защиты от накопления электростатического заряда;

- отсутствует электропроводное покрытие для снятия электростатического заряда с тыльной стороны оболочки. Это может вызывать накопление заряда на тыльной стороне оболочки и возникновение электрических разрядов между лицевой и тыльной поверхностями, что приводит к разрушению оболочки в месте пробоя, ухудшению светоотражающих свойств покрытия из-за загрязнения продуктами термического распада, помехам и сбоям бортовой электронной аппаратуры.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание легкого и простого в изготовлении радиопрозрачного терморегулирующего покрытия для термостабилизации и надежной электростатической защиты антенных систем, отражающего не менее 50% электромагнитного излучения Солнца, пропускающего не более 5% солнечного излучения, не отражающего тепловое излучение (отношение As/ε не более 1) и пропускающего более 99% электромагнитного излучения антенн (в диапазоне частот от нескольких мегагерц до десятков гигагерц).

Поставленная задача достигается тем, что:

между внешним электропроводным светоотражающим слоем и подложкой размещен дополнительный электропроводный слой, прозрачный для электромагнитного излучения широкого интервала радиочастот и выполненный из полупроводника, а с тыльной стороны подложки нанесен второй электропроводный светоотражающий слой, большей толщины, причем все слои в составе покрытия выполнены из радиационно-стойких материалов, не отражающих тепловое излучение, а толщина светоотражающих слоев находится в пределах от 4×10^-8 м до 20×10^-8 м.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображено поперечное сечение покрытия РТРП. Оно состоит из подложки 1. выполненной в виде полимерной пленки толщиной от 12 до 60 мкм. внешнего электропроводного светоотражающего слоя 2 на лицевой поверхности подложки, однородной толщины (как правило, но не обязательно, в диапазоне от 4×10^-8 до 10×10^-8 м), дополнительного электропроводного слоя 3 и второго электропроводного светоотражающего слоя 4, выполненного из того же материала, что и слой 2, но большей толщины (как правило, в диапазоне от 8×10^-8 до 20×10^-8 м), при этом все слои РТРП выполнены радиационно стойкими (с сохранением эксплуатационных свойств после облучения, с поглощенной дозой свыше 3×10⁶ Грэй) и прозрачными для электромагнитного излучения широкого диапазона радиочастот (по крайней мере от нескольких мегагерц до десятков гигагерц).

В процессе эксплуатации лицевая поверхность покрытия РТРП подвергается воздействию солнечного излучения и потока заряженных частиц.

Солнечное излучение отражается от внешнего и второго (тыльного) электропроводных светоотражающих слоев покрытия (˜50%), часть излучения поглощается в электропроводных слоях 2-4 и подложке 1 (˜45%), оставшаяся часть солнечного излучения (˜5%) проходит сквозь РТРП к защищаемому устройству. За счет воздействия потоков заряженных частиц в покрытии РТРП накапливается электростатический заряд, который по внешнему (2), дополнительному (3) и тыльному (4) электропроводным слоям стекает к точке «заземления» на корпус КА (не показана). Поскольку наибольшая величина заряда достигается на лицевой стороне, то на тыльной стороне оказывается достаточно электропроводности светоотражающего слоя 4. При работе защищаемого покрытием устройства электромагнитное излучение радиочастотного диапазона практически без потерь проходит сквозь РТРП как со стороны лицевой, так и со стороны тыльной поверхности РТРП.

В предпочтительном варианте исполнения РТРП удельное электрическое сопротивление дополнительного электропроводного слоя 3 выбрано на уровне от 1×10⁶ до 5×10⁷ Ом/см², так как при меньшем сопротивлении возникает поглощение электромагнитного излучения радиочастотного диапазона, а увеличение сопротивления приводит к снижению эффективности снятия избыточного электростатического заряда. Сопротивление второго электропроводного светоотражающего слоя 4 предпочтительно выбирается в диапазоне от 1×10⁷ до 5×10⁹ Ом/см², по вышеуказанным причинам, причем верхняя допустимая граница сопротивления увеличена, по сравнению со слоем 3, так как сквозь подложку 1, слои 2 и 3 к слою 4 проникает существенно меньше заряженных частиц.

При этом благодаря наличию дополнительного электропроводного слоя 3, второго электропроводного светоотражающего слоя 4, выполнению электропроводных светоотражающих слоев 2 и 4 толщиной от 0,04 до 0,20 мкм и выполнению всех слоев из радиационно-стойких материалов, не отражающих тепловое излучение, при их высокой прозрачности для электромагнитного излучения широкого интервала радиочастот, обеспечивается высокая эффективность защиты антенн от факторов космического пространства, в течение эксплуатации в составе КА (до 15 лет на геостационарной орбите), отсутствие помех прохождению радиоизлучения как с тыльной, так и с лицевой стороны покрытия, при малой удельной массе и простоте изготовления.

В том числе:

- малая удельная масса и простота изготовления достигаются за счет малого количества слоев и малой их толщины, причем для нанесения всех слоев может быть использован один метод (например - осаждение в вакууме);

- высокая эффективность защиты антенн от перегрева солнечным излучением достигается за счет выполнения всех слоев не отражающими тепловое излучение, наличия двух электропроводных светоотражающих слоев (на лицевой и тыльной стороне) и выбора их толщины в оптимальном диапазоне (от 0,04 до 0,20 мкм), причем слой 2 (с лицевой стороны) имеет меньшую толщину (обеспечивающую максимальный коэффициент отражения света), а слой 4 (с тыльной стороны) имеет большую толщину, что обеспечивает минимальное пропускание солнечного излучения;

- отсутствие помех прохождению радиоизлучения (электромагнитного излучения широкого диапазона радиочастот) обеспечивается за счет выполнения дополнительного электропроводного слоя 3 прозрачным для электромагнитного излучения широкого интервала радиочастот и выполнения электропроводных светоотражающих слоев толщиной не более 0,20 мкм;

- высокая эффективность и надежность защиты антенн от поражающего воздействия факторов электризации достигаются путем введения в состав покрытия дополнительного электропроводного слоя 3 и второго электропроводного светоотражающего слоя 4, причем за счет расположения слоя 3 между подложкой 1 и внешним электропроводным светоотражающим слоем 2 обеспечивается высокая стабильность электрических характеристик покрытия - как при хранении в наземных условиях, так и при эксплуатации на околоземной орбите в составе КА;

- работоспособность и надежная работа покрытия в течение всего срока эксплуатации в жестких условиях космического пространства обеспечивается путем выполнения всех слоев из радиационно стойких материалов, причем критерием радиационной стойкости следует считать электропроводность слоев 2-4, оптические свойства слоев 2 и 4, механическую прочность подложки 1.

Таким образом, РТРП обладает следующими основными признаками: высокой радиопрозрачностью и радиационной стойкостью всех компонент, высокой эффективностью снятия электростатического заряда, соотношением As/ε не более 1, малой массой и простотой изготовления.

Благодаря совокупности указанных признаков покрытие РТРП обладает повышенной стабильностью эксплуатационных характеристик в течение всего периода жизненного цикла - от изготовления до конца эксплуатации в составе КА.

Пример состава и типичные характеристики образцов различных вариантов покрытия приведены в таблице 1.

Таблица 1
Состав и свойства некоторых вариантов радиопрозрачного терморегулирующего покрытияЛицевая сторонаПодложка 1Тыльная сторонаРадиопропусканиеСлой 2 (см. фиг.1)Слой 3AsεR_п, МОмСлой 4εR_п, ГОмGe, 0,07 мкмIn₂O₃,0,02 мкм0,450,6510Пленка полиимидная 20 мкмGe, 0,1 мкм0,650,5≥ 99%Ge,0,10 мкмSnO₂, 0,02 мкм0,500,7150Пленка 40 мкмGe, 0,15мкм0,710,2≥ 99%Ge,0,15 мкмInO_x, 0,01 мкм0,500,8010Пленка 60 мкмGe, 0,2 мкм0,800,1≥ 99%

На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы покрытия. Проведенные испытания показали высокую стойкость покрытия к факторам хранения (воздействие переменных температур и влажности) и эксплуатации (циклическое изменение температуры в вакууме (±180°С), ионизирующее излучение поглощенной дозой до 3×10⁶ Гр, воздействие солнечного излучения, потоков электронов). В процессе облучения электронами в вакууме электризация поверхности покрытия отсутствует.

После имитации 4-8 лет хранения, воздействия ударных, вибрационных и транспортировочных нагрузок, циклического изменения температуры в вакууме, воздействия ионизирующего излучения и заатмосферного солнечного излучения покрытие сохраняет электропроводность поверхности, достаточную для снятия избыточного электростатического заряда; радиопрозрачность и оптические характеристики покрытия соответствуют требованиям к РТРП.

Из известных авторам патентно-информационных источников не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявляемого объекта.

Радиопрозрачное терморегулирующее покрытие (РТРП) предназначено преимущественно для терморегулирования и электростатической защиты в виде экранов или в виде покрытия, приклеенного к поверхности элементов конструкции космических аппаратов. Покрытие содержит внешний электропроводный светоотражающий слой и подложку из полимерного материала, прозрачные для электромагнитного излучения широкого интервала частот, между которыми размещен дополнительный электропроводный слой, прозрачный для электромагнитного излучения широкого интервала радиочастот и выполненный из полупроводника. С тыльной стороны подложки нанесен второй электропроводный светоотражающий слой, большей толщины. Все слои выполнены из радиационно стойких материалов, не отражающих тепловое излучение. Толщина светоотражающих слоев находится в пределах от 4×10^-8 до 20×10^-8. Технический результат - создание легкого и простого в изготовлении покрытия для термостабилизации и надежной электростатической защиты антенных систем, отражающего не менее 50% и пропускающего не более 5% солнечного излучения, не отражающего тепловое излучение и пропускающего более 99% электромагнитного излучения в диапазоне частот от нескольких мегагерц до десятков гигагерц. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Радиопрозрачное терморегулирующее покрытие, включающее внешний электропроводный светоотражающий слой, прозрачный для электромагнитного излучения широкого интервала радиочастот, снабженный подложкой из полимерного материала, прозрачного для электромагнитного излучения широкого интервала частот, отличающийся тем, что между внешним электропроводным светоотражающим слоем и подложкой размещен дополнительный электропроводный слой, прозрачный для электромагнитного излучения широкого интервала радиочастот и выполненный из полупроводника, а с тыльной стороны подложки нанесен второй электропроводный светоотражающий слой, большей толщины, причем все слои в составе покрытия выполнены из радиационно-стойких материалов, не отражающих тепловое излучение, а толщина светоотражающих слоев находится в пределах от 4×10^-8 до 20×10^-8 м.2. Радиопрозрачное терморегулирующее покрытие по п.1, отличающееся тем, что электросопротивление дополнительного электропроводного слоя выбрано на уровне от 1×10⁶ до 5×10⁷ Ом/см².3. Радиопрозрачное терморегулирующее покрытие по пп.1 и 2, отличающееся тем, что электросопротивление второго электропроводного светоотражающего слоя выбрано на уровне от 1×10⁷ до 1×10⁹ Ом/см.