ЭКРАННО-ВАКУУМНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2009 года по МПК B64G1/58 D02G3/12 B32B5/08 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), основному элементу систем терморегулирования космических аппаратов, предназначенной для защиты наружной поверхности космических аппаратов от внешних тепловых воздействий.

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция системы терморегулирования космических аппаратов, содержащая наружный и внутренний облицовочные слои и расположенные между ними экраны с односторонней металлизированной поверхностью, отделенные друг от друга сепараторами из низкотеплопроводного материала, в которой экраны ориентированы металлизированной поверхностью к внутреннему облицовочному слою, а их неметаллизированная поверхность выполнена с соотношением коэффициента поглощения солнечной радиации к степени черноты не более 0,55 (А.С. № 1840181, МПК B64G 9/00, опубл. 27.06.2006 г.).

Недостатком известной конструкции является низкая стойкость к эффектам электризации наружного облицовочного слоя, что приводит к возникновению электростатических разрядов на поверхности этого слоя.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение экранно-вакуумной теплоизоляции космического аппарата, выполненной в виде пакета экранов из металлизированных алюминием с одной стороны полиэтилентерефталатных пленок, разделенных прокладками из стекловуали, размещенного между наружным и внутренним слоями облицовочного материала. Она снабжена дополнительным пакетом из пяти разделенных прокладками из стекловуали экранов, каждый из которых выполнен из полиимидной пленки, при этом дополнительный пакет размещен между наружным облицовочным слоем и экранами, выполненными из полиэтилентерефталатной пленки, и первый, второй и третий экраны дополнительного пакета металлизированы алюминием со стороны, противоположной наружному облицовочному слою, а четвертый и пятый металлизированы с двух сторон. При этом экраны, выполненные из полиэтилентерефталатных пленок, металлизированы алюминием с двух сторон (А.С. № 1839976, МПК B64G 1/58, опубл. 20.06.2006 г.).

Недостатком известной конструкции также является низкая стойкость к эффектам электризации наружного облицовочного слоя, что приводит к возникновению электростатических разрядов на поверхности этого слоя.

Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) является одним из наиболее распространенных и надежных средств пассивного терморегулирования в системе обеспечения теплового режима космического аппарата (КА). Применение ЭВТИ обеспечивает возможность существенно снизить интенсивность теплообмена элементов конструкции и оборудования КА с окружающей средой, то есть уменьшить тепловой поток, поступающий к элементам конструкции и оборудованию КА от солнца.

В настоящее время применяются различные виды экранно-вакуумной теплоизоляции, работоспособной в широком диапазоне температур. Определяющим параметром температурных условий эксплуатации ЭВТИ является термооптическая характеристика ее наружного облицовочного слоя, подверженного воздействию солнечной радиации. Наружный облицовочный слой ЭВТИ одновременно является одним из элементов пассивного терморегулирования, и его термооптическая характеристика часто определяет не только тепловой поток через ЭВТИ, но и температурный диапазон эксплуатации отдельных объектов терморегулирования. В качестве материалов наружного облицовочного слоя применяются полиимидные, капроновые и другие полимерные или стекловолоконные ткани, имеющие достаточную стойкость к условиям эксплуатации КА в космическом пространстве. Наружный облицовочный слой ЭВТИ непосредственно взаимодействует с космической плазмой. Это приводит к электростатическому заряжению диэлектрического материала до потенциалов, превышающих электрическую прочность материала. Возникающие при этом электрические разряды вызывают деградацию электрофизических и термооптических свойств материала. Электромагнитное излучение, сопровождающее электрические разряды, через кабельную сеть воздействует на бортовую радиоэлектронную аппаратуру и часто выводит ее из строя.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение величины поверхностного потенциала наружного облицовочного слоя экранно-вакуумной теплоизоляции до значения, при котором невозможно возникновение электростатических разрядов на поверхности этого слоя.

Поставленная техническая задача решается тем, что в экранно-вакуумной теплоизоляции космического аппарата, включающей пакет экранов, размещенный между наружным и внутренним облицовочными слоями, согласно предложенному изобретению наружный облицовочный слой выполнен из диэлектрического тканого материала с плотностью плетения 0,34-0,7 г/см² с вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями, расстояние между которыми определяется из условия:

,

где Y - расстояние между металлизированными нитями в мм;

х - плотность плетения тканого материла (г/см²).

Технический результат, достижение которого обеспечивается всей совокупностью заявляемых существенных признаков, состоит в создании экранно-вакуумной теплоизоляции космического аппарата со стойким к эффектам электризации наружным облицовочным слоем, обеспечивающим пониженное значение поверхностного электрического потенциала, при котором невозможно возникновение электростатических разрядов на поверхности этого слоя с сохранением теплофизических характеристик ЭВТИ.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами,

где на фиг 1 показана зависимость обобщенной тепловой характеристики A_s облицовочного слоя от плотности плетения тканого материала этого слоя,

на фиг 2 показана экспериментальная критериальная кривая для тканого материала, облучаемого потоком электронов с плотностью 10-9 А/см² и энергией 20 кэВ (наихудшие условия эксплуатации КА).

Обозначенная на графике затененная область - это область, в которой отсутствуют электростатические разряды на поверхности облицовочного слоя из тканого материала. Каждой точке этой области соответствует определенное значение плотности плетения тканого материала и определенное расстояние между вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями (так называемый шаг металлизации).

Ниже приведена таблица сравнительных испытаний традиционно используемого и предложенного для выполнения наружного облицовочного слоя ЭВТИ из металлотканых материалов для защиты КА.

Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата включает пакет экранов, размещенный между наружным и внутренним облицовочными слоями. Наружный облицовочный слой выполнен из диэлектрического тканого материала с плотностью плетения 0,34-0,7 г/см². В диэлектрический тканый материал вплетены в продольном и поперечном направлениях металлизированные нити, расстояние между которыми определяется из условия:

где Y - расстояние между металлизированными нитями в мм;

х - плотность плетения тканого материла (г/см²), причем 0,34<х<0,7.

Для определенных условий и сроков эксплуатации космического аппарата, вида защищаемого объекта космического аппарата определяется требуемое термическое сопротивление ЭВТИ и, как следствие, обобщенная тепловая характеристика облицовочного слоя A_s с использованием известных из области теплотехники методов и способов вычисления. Для обобщенной тепловой характеристики A_s (фиг.1) выбирается значение плотности плетения тканого материала. Плотность плетения диэлектрического тканого материала выбирается 0,34-0,7 г/см². Выбор предложенного интервала обусловлен тем, что при плотности плетения меньше 0,34 г/см² структура материала достаточно рыхлая и не обеспечивается достаточная механическая прочность материала, соответствующая условиям эксплуатации, осуществить же плотность плетения диэлектрического тканого материала больше 0,7 г/см² представляется технологически достаточно трудным.

Используя предлагаемую зависимость (1), связывающую плотность плетения ткани с расстоянием между металлизированными нитями, определяется расстояние между вплетенными в продольном и поперечном направлении металлизированными нитями (так называемый шаг металлизации), при котором для определенных условий и сроков эксплуатации космического аппарата, вида защищаемого объекта космического аппарата невозможно возникновение электростатических разрядов на поверхности наружного облицовочного слоя ЭВТИ.

Были проведены опытные испытания на устойчивость к эффектам электризации заявляемого диэлектрического тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями, используемого в качестве наружного облицовочного слоя ЭВТИ, и известных материалов, традиционно используемых в ЭВТИ для обеспечения тепловой и электростатической защиты. В ходе проведения испытаний были проведены измерения максимальных поверхностных потенциалов металлотканых материалов, а также выявлялось наличие пробоев на поверхности материала и подсчитывалось их количество в единицу времени. Результаты сравнительных испытаний сведены в таблицу 1.

Под термином «металлотканый материал» понимается диэлектрический тканый материал с вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями.

Для удобства в таблицу сводились попарно традиционно используемые и предложенный материал наружного облицовочного слоя ЭВТИ, предназначенные для теплозащиты одних и тех же объектов КА, эксплуатируемых в одинаковых условиях. Результаты испытаний показали, что при использовании традиционных металлотканых материалов ЭВТИ реальные значения потенциалов на поверхности материала превышают в 2,5-4 раза предпробойные значения поверхностного потенциала. При воздействии пучка электронов на такие материалы наблюдается значительное количество электрических разрядов. Например, при использовании металлотканого материала на основе полиимидной ткани типа ПМ-1Э с плотностью 0,64 г/см³ и шагом металлизации 10 мм (позиция 1 таблицы 1) после достижения стационарного значения поверхностного потенциала наблюдалось 17-20 электрических пробоев в минуту. Замена известного материала на металлотканый материал предложенной структуры с плотностью плетения 0,56 г/см³ и расстоянием между вплетенными металлизированными нитями 4 мм исключила возникновение электрических пробоев, так как наблюдаемое значение поверхностного потенциала составило 2 кВ, что ниже пробойного. Следует особо подчеркнуть, что указанная стойкость к эффектам электризации была достигнута без ухудшения теплофизических характеристик ЭВТИ.

При визуальном исследовании материалов после испытаний на металлотканых материалах предложенной структуры не было отмечено нарушений механических и оптических характеристик материала, в то же время на традиционно используемых для наружных облицовочных слоев материалах отмечались следы электроразрядных повреждений структуры и изменение оптических характеристик материала.

Таким образом, применение в конструкции ЭВТИ наружного облицовочного слоя из металлотканого материала с предложенной структурой выполнения, отличающегося стойкостью к эффектам электризации, позволило в 2,5-4 раза понизить максимальное значение поверхностного потенциала, вызываемого эффектами заряжения при облучении электронами, и исключить электрические разряды на поверхности ЭВТИ.

Пример 1.

Экранно-вакуумная теплоизоляция, покрывающая приборный отсек космического аппарата включает наружный облицовочный слой, который выполнен из диэлектрического тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями. Оптимальная металлотканая структура выполнения наружного облицовочного слоя для ЭВТИ упомянутого назначения определяется следующим образом.

Рабочий диапазон температуры ЭВТИ, поддерживающей постоянную температуру внутри приборного отсека, составляет 293±160 К. При заданном сроке эксплуатации КА для обеспечения указанного теплового режима необходимо использовать внешний металлотканый слой ЭВТИ с обобщенной тепловой характеристикой A_s в интервале 0,63-0,67.

Указанному интервалу изменения A_s соответствует диэлектрический тканый материал из полиимидной ткани типа ПМ-1Э, причем интервал необходимых плотностей тканого материала (достигаемых за счет определенной плотности плетения) в соответствии с экспериментальными исследованиями (см. фиг.1) составляет 0,52-0,6 г/см³. Из этого диапазона выбирается средняя величина плотности, составляющая 0,56 г/см³. Величина пробойного потенциала для полиимидной ткани ПМ-1Э составляет 2 кВ. В соответствии с этим из вышеописанной критериальной зависимости находится расстояние между вплетенными в продольном и поперечном направлении металлизированными нитями, которое составляет 4 мм.

Таким образом, в качестве наружного облицовочного слоя ЭВТИ, покрывающей приборный отсек КА, предлагается полиимидная ткань типа ПМ-1Э с плотностью 0,56 г/см³ и расстоянием между вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями, равном 4 мм.

Этот наружный облицовочный слой обеспечивает необходимые теплоизоляционные свойства ЭВТИ и в то же время является стойким к эффектам электризации, так как исключает электростатические разряды на поверхности ЭВТИ.

Пример 2.

Экранно-вакуумная теплоизоляция для защиты криопанели включает наружный облицовочный слой, который выполнен из диэлектрического тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями. Оптимальная металлотканая структура выполнения наружного облицовочного слоя для ЭВТИ упомянутого назначения определяется следующим образом.

Рабочая температура, при которой эксплуатируется криопанель, составляет ˜77 К. Обобщенная тепловая характеристика, обеспечивающая необходимое термосопротивление, составляет A_s=0,64-0,68. Указанному требованию в соответствии с экспериментальными исследованиями (см. фиг.1) удовлетворяет полиимидная ткань типа ПМ-1Э с плотностью тканого материала 0,54-0,62 г/см³. Выбирается средняя плотность диэлектрического тканого материала 0,58 г/см³. Величина предпробойного потенциала для полиимидной ткани типа ПМ-1Э составляет 2 кВ. В соответствии с указанным предпробойным потенциалом в соответствии с вышеописанной критериальной зависимостью (см. также фиг.2) находится расстояние между вплетенными в продольном и поперечном направлении металлизированными нитями, которое составляет 3,5 мм.

Таким образом, в качестве наружного облицовочного слоя ЭВТИ, покрывающей криопанель КА, предлагается полиимидная ткань типа ПМ-1Э с плотностью 0,58 г/см³ и расстоянием между вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями, равном 3,5 мм. Такая структура материала является оптимальной в плане устойчивости к электризации.

Пример 3.

Металлизированные материалы находят широкое применение для защиты антенно-фидерных устройств от воздействия факторов космического пространства. Основным требованием к тканым материалам, используемым по указанному назначению, является их высокая радиопрозрачность. Однако в последнее время на первый план выходит требование высокой устойчивости этих материалов к эффектам электризации, так как электростатические разряды в ткани создают электромагнитные помехи, мешающие работе антенно-фидерных устройств (АФУ).

С одной стороны, для того чтобы металлотканый материал обладал высокой радиопрозрачностыо, необходимо иметь большое расстояние между металлическими нитями, с другой стороны, для обеспечения высокой устойчивости к эффектам электризации это расстояние необходимо уменьшить. Противоречивый характер этих двух требований обуславливает несколько иной подход к выбору оптимальной металлодиэлектрической структуры заявляемого материала в качестве наружного облицовочного слоя ЭВТИ для защиты АФУ. Вначале из условия радиопрозрачности устанавливается минимально возможное расстояние между металлическими нитями, а затем из вышеупомянутой критериальной зависимости (фиг.2) определяется плотность диэлектрического тканого материала.

Экспериментально установлено, что металлотканый материал не вносит искажений в диаграмму направленности и затухание АФУ СВЧ диапазона при условии, что расстояние между металлическими нитями будет не менее 50 мм. Эту величину мы возьмем как исходную при выборе структуры металлотканого материала. Для полиимидной ткани на основе полиимида ПМ-1Э указанное расстояние между металлическими нитями требует в соответствии с заявляемой зависимостью (также см. фиг.2), чтобы плотность диэлектрического тканого материала составляла 0,34 г/см³. Ткань с такой плотностью и была выбрана для защиты АФУ КА. Расчеты максимального поверхностного потенциала для выбранной структуры металлотканого материала дают величину 2,0 кВ.

Таким образом, в качестве наружного облицовочного слоя ЭВТИ для защиты антенно-фидерных устройств (АФУ) предлагается полиимидная ткань типа ПМ-1Э с плотностью 0,34 г/см³ и расстоянием между вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями, равном 50 мм. Такая структура материала является оптимальной в плане устойчивости к электризации.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) космического аппарата. Экранно-вакуумная теплоизоляция включает пакет экранов, размещенный между наружным и внутренними облицовочными слоями. Наружный облицовочный слой выполнен из диэлектрического тканого материала с плотностью плетения 0,34-0,7 г/см² с вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями. Решение направлено на создание экранно-вакуумной теплоизоляции космического аппарата со стойким к эффектам электризации наружным облицовочным слоем, обеспечивающим пониженное значение поверхностного электрического потенциала с сохранением теплофизических характеристик ЭВТИ. 1 табл., 2 ил.

Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата, включающая пакет экранов, размещенный между наружным и внутренним облицовочными слоями, отличающаяся тем, что наружный облицовочный слой выполнен из диэлектрического тканого материала с плотностью плетения 0,34-0,7 г/см² с вплетенными в продольном и поперечном направлениях металлизированными нитями, расстояние между которыми определяется из условия:

где Y - расстояние между металлизированными нитями, мм;

Х - плотность плетения тканого материла, г/см².