ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ЕГО УСТАНОВКИ НА КА Российский патент 2009 года по МПК G02B1/10 B64G1/58 

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

Покрытие, оптический солнечный отражатель (ОСО), предназначено для использования в качестве терморегулирующего покрытия при нанесении его с помощью клеевого электропроводного слоя на наружные поверхности, преимущественно - теплоизлучающие поверхности космического аппарата (КА).

В процессе эксплуатации КА необходимо поддерживать температуру его узлов и электронной аппаратуры в заданном интервале. При работе аппаратуры происходит выделение тепла, излишки которого необходимо сбрасывать в космическое пространство. Поверхности КА, обращенные к Солнцу, поглощают энергию в соответствии с выражением

Q_п=As·F·Is,

где As - коэффициент поглощения солнечного излучения освещенной поверхности;

F - площадь поверхности;

Is - плотность потока солнечного излучения. Is=1400 [Вт/м²].

Если вторая сторона поверхности не излучает энергию (теплоизолирована), тогда излучаемая энергия

Q_и=ε·C_о·F·T⁴,

где ε - коэффициент излучения;

С_о - постоянная Стефана-Больцмана, С_о=5,67×10^-8 [Вт/(м²К⁴)];

Т - равновесная температура поверхности пластины, [К].

При этом уравнение теплового баланса плоской пластины, нормально ориентированной на Солнце, с теплоизоляцией на тыльной поверхности, в условиях открытого космического пространства имеет вид

Q_п=As·F·Is=Q_и=ε·C_o·F·T⁴;

,

Отсюда видно, что температурный режим покрытия обеспечивается отношением терморадиационых характеристик As/ε его поверхности. Чем меньше отношение As/ε, тем эффективнее работает покрытие класса «оптический солнечный отражатель». Требуемого соотношения As/ε можно достичь, используя прозрачный диэлектрический материал, обеспечивающий большую величину ε и отражающий слой из металла (с малым As) на тыльной стороне диэлектрического материала.

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, способствующие ухудшению характеристик оптических поверхностей. Для защиты от электризации необходимо нанесение на внешнюю поверхность покрытия электропроводных слоев, не ухудшающих характеристики As и ε покрытия.

Известно многослойное покрытие (Франция, патент №2681078, 06.09.91), содержащее полимерную подложку, на которой расположен оптический слой. Способ получения такого покрытия включает в себя нанесение на эластичную подложку адгезионного слоя с последующим нанесением металлического оптического слоя и сушкой.

Основным недостатком данного аналога является высокая величина отношения коэффициента поглощения солнечного излучения получаемого покрытия к коэффициенту излучения (степени черноты) As/ε=2 при требуемом отношении - менее 1,0 для терморегулирующих покрытий класса "солнечный отражатель".

Известно многослойное терморегулирующее покрытие класса «солнечный отражатель» (RU, №2168189, 11.10.1999), содержащее полимерную подложку с нанесенным на нее оптическим слоем с нитевидными или волокнистыми кристаллами оксида цинка с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, при этом полимерная подложка выполнена эластичной. Покрытие получают путем многослойного полива на подложку раствора органического связующего с пигментом.

Основными недостатками данного аналога являются малая стабильность оптических характеристик (обусловленная применением органического связующего) и малая электропроводность. Большинство органических связующих, в том числе приводимый в примере поливиниловый спирт, относятся к диэлектрикам, в результате покрытие накапливает электростатический заряд под действием заряженных частиц РПЗ, что приводит к возникновению электрических разрядов, вызывающих помехи или даже сбои в бортовой аппаратуре КА.

Наиболее близким по технической сущности является покрытие OSR и способ его установки (патент США №5400986. Optical solar reflector and mounting method), включающее: тонкий диэлектрический лист, внешняя поверхность которого покрыта прозрачным электропроводным слоем, тыльная поверхность покрыта отражающим слоем, а торцевая поверхность листа покрыта электропроводным покрытием так, что по крайней мере частично перекрывает отражающий слой и электрически связан с внешним прозрачным электропроводным слоем; слой клеевого материала преимущественно постоянной толщины, отличающегося от материала покрытия торцов, причем внешняя поверхность клеевого слоя больше, чем тыльная поверхность диэлектрического листа; клеевой слой фиксируется тыльной стороной к поверхности корпуса КА, а внешней поверхностью фиксирует тыльную сторону диэлектрического листа, при этом клеевой слой является электропроводным и электрически соединен с указанным покрытием торцов, для обеспечения пути протекания тока между внешней поверхностью указанного листа и внешней поверхностью корпуса КА через указанное покрытие торцов.

Данное техническое решение принято за прототип.

Основными недостатками прототипа являются:

- нестабильность электропроводности клеевого слоя при изменении температуры, вызванная разъединением частиц электропроводного наполнителя при температурном расширении (как правило, электропроводные клеи изготавливаются из диэлектрического клея с электропроводным порошковым наполнителем);

- в формуле прототипа не указан тип клея, при этом большинство клеев, пригодных для данного применения, имеют малую адгезию к металлам, которые могут быть использованы для отражающего и защитного слоев. Клеи с высокой адгезией к металлам, например, эпоксидный, имеют слишком высокую жесткость, что приводит к повреждению покрытия при термических деформациях корпуса КА при эксплуатации;

- не предусмотрена защита внешней поверхности покрытия от загрязнений при технологических работах (приклейке и т.п.), что снижает стабильность свойств покрытия и надежность КА в целом;

- не регламентируется электросопротивление прозрачного электропроводного слоя, что может привести к снижению тепловых характеристик покрытия (снижение коэффициента излучения ε при уменьшении сопротивления ниже критического значения);

- отражающий слой недостаточно защищен от коррозии при хранении покрытия в наземных условиях.

В описании изобретения-прототипа приводится пример выполнения покрытия из прямоугольных стеклянных пластин размером ~90×110 мм, толщиной 0,038-0,051 мм, приклеиваемых к поверхности КА с помощью переносного двухстороннего липкого слоя толщиной 50 мкм.

Недостатки такого варианта покрытия:

- малая толщина стеклянных пластин приводит к малой величине коэффициента излучения (ε~0,7), в связи с чем величина отношения As/ε возрастает с 0,09-0,11 до 0,12-0,14. Это приводит необходимости пропорционально увеличить площадь радиатора. Кроме того, стоимость стеклянных пластин таких размеров очень высока, а хрупкость значительно выше, чем при использовании пластин большей толщины (например, при толщине 0,10-0,17 мм);

- приклейка хрупкого покрытия к поверхности при помощи липкого слоя нетехнологична, так как необходимо удалить из-под покрытия все пузырьки воздуха, что затруднено малой толщиной и большой вязкостью липкого слоя, а также хрупкостью стеклянных пластин;

- малая толщина и большая вязкость липкого слоя также препятствуют удалению пузырьков непроклея из-под покрытия, что увеличивает тепловое сопротивление покрытия и препятствует отводу тепла от оборудования;

- высокие требования к оклеиваемой поверхности - для качественной приклейки такого покрытия необходимо обеспечить максимально ровную поверхность под приклейку, неровности не должны превышать толщину липкого слоя, т.е. 50 мкм, что не всегда возможно.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание терморегулирующего покрытия ОСО с заданными терморадиационными характеристиками (As/ε≤0,11) и высокой их стабильностью при эксплуатации и способа нанесения покрытия на КА, обеспечивающего надежный электрический контакт между внешней поверхностью покрытия и корпусом КА, защиту внешней поверхности покрытия от загрязнений при его нанесении на корпус КА, высокую технологичность нанесения покрытия и расширение его использования (обеспечение возможности приклейки на поверхности с различным радиусом кривизны).

Поставленная задача достигается тем, что:

- диэлектрический лист выполнен из оптически прозрачного радиационно-стойкого материала, например легированного церием стекла, и состоит из отдельных элементов, толщиной не менее 0,08 мм, электропроводное покрытие выполнено с электросопротивлением не менее 2 и не более 1×10⁵ кОм/м², а поверх защитного слоя нанесен адгезивный слой;

- элементы покрытия предварительно монтируют на вспомогательную ленту с липким слоем, с заранее заданными зазорами между торцевыми поверхностями отдельных элементов, электропроводный клеевой слой в неотвержденном состоянии равномерно наносят на оклеиваемую поверхность, после чего вспомогательную ленту с наклеенными элементами прижимают к оклеиваемой поверхности, с силой прижатия, достаточной для удаления из под прижимаемых элементов пузырьков воздуха и излишков клея, производят выдержку до отверждения клеевого слоя, после чего вспомогательную ленту отслаивают от покрытия вместе с излишками клея, при этом материал клеевого слоя выполнен маловязким в исходном состоянии и эластичным после отверждения и имеет в своем составе ингибитор коррозии, а также волокнистый электропроводный материал, длина волокон которого больше толщины клеевого слоя.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображено поперечное сечение покрытия ОСО. Оно состоит из диэлектрического листа - подложки 1, выполненной в виде отдельных элементов (пластин) из радиационно стойкого стекла или кварца, электропроводного покрытия 2 на внешней поверхности подложки, отражающего слоя 3, защитного слоя 4 и адгезивного слоя 5 на тыльной поверхности подложки, причем электропроводное покрытие (ЭП) 2 частично покрывает торцевые поверхности подложки и контактирует с защитным слоем 4, который также частично покрывает торцевые поверхности подложки. Подложки 1 с покрытиями 2-5 приклеиваются тыльной стороной к внешней поверхности 6 корпуса космического аппарата эластичным радиационно стойким клеевым слоем 7, отверждаемым при комнатной температуре и снабженным электропроводным волокнистым материалом (наполнителем) 8. Перед приклейкой отдельные элементы покрытия ОСО монтируют стороной с покрытием 2 на вспомогательную ленту 9 с липким слоем с соблюдением заданного зазора между торцевыми поверхностями элементов. После отверждения клеевого слоя 7 вспомогательная лента 9 удаляется с поверхности покрытия.

Отражающий слой 3 выполнен из металла или сплава с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, например, серебра или алюминия. Защитный слой 4 нанесен поверх отражающего слоя 3 и содержит твердое коррозионно-стойкое соединение, металл или сплав (например, нихром), причем металл или сплав может быть частично или полностью окисленным. Электропроводное покрытие 2 выполнено из оптически прозрачного радиационно стойкого неорганического материала на основе оксидного полупроводника, например оксида индия, оксида олова или их смеси. Адгезивный слой 5 выполнен из неорганического материала, имеющего хорошую адгезию и к материалу защитного слоя 4 и к эластичному радиационно стойкому клеевому слою 7, причем адгезивный слой 5 выполнен так, что не препятствует электрическому контакту между защитным слоем 4 и электропроводным волокнистым материалом 8. Длина волокон электропроводного волокнистого материала превышает толщину клеевого слоя. В предпочтительном воплощении изобретения все волокна электропроводного волокнистого материала электрически связаны между собой. Эластичный радиационно стойкий клеевой слой 7 содержит ингибитор коррозии для усиления защиты отражающего слоя.

В процессе эксплуатации внешняя поверхность покрытия ОСО подвергается воздействию солнечного излучения и потока заряженных частиц, в том числе атомарного кислорода.

Солнечное излучение частично отражается от внешних поверхностей покрытия (~4%), часть излучения поглощается в подложках (~4%), часть поглощается в металле отражающего слоя 3 (~5%), оставшаяся часть солнечного излучения отражается от металла отражающего слоя 3 и, проходя через подложку, уходит в окружающее пространство (~87%); при этом в сумме отражается от покрытия ~91% падающего излучения.

При этом благодаря достаточной поверхностной электропроводности ЭП 2 (сопротивление не более 10⁵ кОм на квадрат поверхности), высокой электропроводности отражающего 3 и защитного 4 слоев, электрическому соединению указанных слоев с внешней поверхностью 6 корпуса КА через электропроводный волокнистый материал 8, и благодаря тому, что длина волокон электропроводного волокнистого материала 8 больше толщины клеевого слоя, обеспечивается сохранение надежного электрического контакта между отражающим и электропроводным покрытиями и корпусом КА, в широком диапазоне температур (от -150 до +150°С), предотвращается возникновение электрических разрядов в покрытии, что обеспечивает повышение радиационной стойкости покрытия и повышение надежности КА в целом;

- благодаря выполнению ЭП с достаточно высоким электросопротивлением (не менее 2 кОм на квадрат поверхности) и выполнению диэлектрического листа из оптически прозрачного материала толщиной не менее 0,08 мм предотвращается снижение коэффициента излучения покрытия, что обеспечивает соотношение As/ε≤0,11;

- благодаря выполнению диэлектрического листа из отдельных элементов, толщиной не менее 0,08 мм, которые наклеиваются на вспомогательную ленту 9 с липким слоем, с заранее заданными зазорами между торцевыми поверхностями элементов (например - от 0,08 до 0,50 мм), после чего лента 9 прижимается к поверхности с нанесенным клеевым слоем, причем сила прижатия выбирается так, чтобы удалить из-под элементов пузырьки воздуха и излишки клея, повышается технологичность приклейки и ремонта покрытия - обеспечивается быстрый и качественный монтаж множества элементов на большой площади с сохранением заданных зазоров между элементами покрытия. При этом вязкость неотвержденного клея достаточно мала, чтобы обеспечить удаление пузырьков воздуха из-под покрытия при прижатии элементов к поверхности КА через клеевой слой, без повреждения элементов, а зазоры достаточно велики для компенсации разности величин теплового расширения/сжатия элементов покрытия и корпуса КА в диапазоне температур эксплуатации (от -150 до +150°С);

- повышение стойкости покрытия к воздействию факторов хранения и эксплуатации достигается за счет одновременного наличия следующих признаков: выполнения ЭП на основе радиационно стойкого оксидного полупроводника, наличия адгезивного слоя и выполнение клеевого слоя из эластичного материала, содержащего ингибитор коррозии, причем эффект повышения стойкости покрытия складывается из следующих частных эффектов и их взаимодействия:

- благодаря тому что ЭП выполнено на основе радиационно стойкого оксидного полупроводника, обеспечивается высокая стойкость поверхности покрытия к воздействию атомарного кислорода, а также поглощение части УФ и корпускулярного излучения, воздействующего на покрытие, что приводит к повышению радиационной стойкости покрытия в целом;

- благодаря наличию адгезивного слоя обеспечивается хорошая адгезия элементов покрытия к клею и, соответственно, к поверхности КА. Кроме того, наличие адгезивного слоя дает дополнительный эффект - повышение уровня защиты отражающего слоя от механических и химических воздействий, причем защита от химических воздействий дополнительно усиливается наличием ингибитора коррозии в клее, что способствует сохранению соотношения As/ε≤0,11 в процессе хранения покрытия, в том числе в составе КА;

- благодаря выполнению клеевого слоя из эластичного материала (в отвержденном состоянии) покрытие не разрушается как при вибрационных нагрузках, возникающих при транспортировке и выведении КА на орбиту, так и при циклическом изменении температуры при эксплуатации, сопровождающемся термическими деформациями покрытия и корпуса (в диапазоне температур от -150 до +150°С).

Таким образом, ТРП ОСО обладает следующими основными признаками: высокой радиационной стойкостью всех компонент, отсутствием электризации, высокой технологичностью и качеством нанесения на поверхность КА.

Благодаря совокупности указанных признаков покрытие обладает повышенной радиационной стойкостью, а способ монтажа покрытия на поверхность КА (включая криволинейные поверхности) обладает повышенной надежностью и технологичностью.

Кроме того, за счет указанных признаков применение ОСО способствует устранению помех в бортовых приборах от электростатических разрядов в покрытии и увеличению надежности КА в целом.

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

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 (±150°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 и оптические характеристики покрытия соответствуют требованиям к ТРП класса «солнечный отражатель».

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

Покрытие содержит подложку в виде отдельных элементов из прозрачного радиационно-стойкого материала, тыльная поверхность которой покрыта отражающим, защитным и адгезионным слоями, а на внешней поверхности расположено прозрачное электропроводное покрытие, покрывающее торцевые поверхности подложки и контактирующее с защитным слоем. Толщина отдельных элементов не менее 0,08 мм, электросопротивление электропроводного покрытия - не менее 2 и не более 1×10⁵ кОм/м². При установке электропроводный клеевой слой наносят на поверхность КА, после чего вспомогательную ленту с липким слоем с наклеенными отдельными элементами прижимают к поверхности КА для удаления пузырьков воздуха и излишков клея. После отверждения клеевого слоя вспомогательную ленту отслаивают. Материал клеевого слоя маловязкий в исходном состоянии и эластичный после отверждения и имеет ингибитор коррозии, а также волокнистый электропроводный материал, длина волокон которого больше толщины клеевого слоя. Технический результат - создание надежного электрического контакта между внешней поверхностью покрытия и корпусом КА, защита внешней поверхности покрытия от загрязнений, высокая технологичность нанесения и расширение использования за счет возможности приклейки на поверхности с радиусом кривизны. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Терморегулирующее покрытие, прикрепленное к внешней поверхности корпуса космического аппарата с помощью электропроводного клеевого слоя, содержащее подложку, выполненную в виде отдельных элементов из оптически прозрачного радиационно-стойкого материала, тыльная поверхность которой покрыта отражающим и защитным слоем, а на внешней поверхности расположено прозрачное электропроводное покрытие, покрывающее торцевые поверхности подложки и контактирующее с защитным слоем, при этом отдельные элементы подложки выполнены толщиной не менее 0,08 мм, электропроводное покрытие выполнено с электросопротивлением не менее 2 и не более 1·10⁵ кОм/м², а поверх защитного слоя нанесен адгезивный слой.

2. Терморегулирующее покрытие по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена из легированного церием стекла или кварцевого стекла высокой чистоты.

3. Терморегулирующее покрытие по п.1, отличающееся тем, что защитный слой содержит твердое коррозионно-стойкое соединение, частично или полностью окисленное.

4. Терморегулирующее покрытие по п.1, отличающееся тем, что отражающий слой выполнен из материала с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, например из серебра или алюминия.

5. Способ установки терморегулирующего покрытия на космический аппарат с помощью электропроводного клеевого слоя, нанесенного на оклеиваемую поверхность, в котором отдельные элементы подложки, тыльная поверхность которых покрыта отражающим, защитным и адгезивным слоями, а внешняя - прозрачным электропроводным покрытием, покрывающим также торцевые поверхности и контактирующим с защитным слоем, предварительно монтируют стороной с электропроводным покрытием на вспомогательную ленту с липким слоем с заранее заданными зазорами между торцевыми поверхностями отдельных элементов, электропроводный клеевой слой в неотвержденном состоянии равномерно наносят на оклеиваемую поверхность, после чего вспомогательную ленту с наклеенными отдельными элементами прижимают к оклеиваемой поверхности с силой прижатия, достаточной для удаления из-под прижимаемых отдельных элементов пузырьков воздуха и излишков клея, производят выдержку до отверждения клеевого слоя, после чего вспомогательную ленту отслаивают от покрытия вместе с излишками клея, при этом материал клеевого слоя выполнен маловязким в исходном состоянии и эластичным после отверждения и имеет в своем составе ингибитор коррозии, а также волокнистый электропроводный материал, длина волокон которого больше толщины клеевого слоя.