ЭКРАННО-ВАКУУМНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ КРИОГЕННОЙ ЕМКОСТИ РАКЕТНОГО КОСМИЧЕСКОГО РАЗГОННОГО БЛОКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК B64G1/58 F16L59/07 

Изобретение относится к криогенной и ракетно-космической технике и может быть использовано при теплоизолировании поверхностей баков, поверхностей емкостей для хранения и транспортирования криогенных жидкостей и т.п.

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция и способ ее изготовления, при котором на криогенную емкость осуществляется намотка экранно-вакуумной теплоизоляции, состоящей из слоев узких лент экранного и прокладочного материала (см. A.M.Архаров и др. «Криогенные системы». М.: Машиностроение. 1987, с.488, 489 и М.Г.Каганер «Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях», Москва, «Энергия», 1979, стр.211).

Эта экранно-вакуумная теплоизоляция и способ ее изготовления выбраны за прототип.

Недостатками прототипа является то, что:

- при больших размерах криогенной емкости, а также при сложной конфигурации экранно-вакуумной теплоизоляции с учетом прохождения через нее подводящих коммуникаций к криогенной емкости (трубопроводы, клапаны, кабели, люки-лазы и др.) значительно усложняется технология изготовления и монтажа экранно-вакуумной теплоизоляции;

- не предусмотрено крепление слоев экранно-вакуумной теплоизоляции между собой при большом количестве слоев экранно-вакуумной теплоизоляции (более 20);

- установку экранно-вакуумной теплоизоляции на криогенную емкость необходимо производить с перекрытием на большой длине лент, что значительно увеличивает ее массу;

- экранно-вакуумную теплоизоляцию в ряде случаев необходимо частично демонтировать и устанавливать вновь, при этом нарушается ее целостность и, как следствие, снижаются ее теплофизические свойства.

Задачей предложенной экранно-вакуумной теплоизоляции криогенной емкости ракетного космического разгонного блока и способа ее изготовления является создание с минимальными массовыми затратами экранно-вакуумной теплоизоляции без снижения ее теплофизических свойств при ее многоразовом применении.

Для получения наилучших теплофизических свойств экранно-вакуумной теплоизоляции при ее изготовлении, монтаже на емкости и эксплуатации она должна быть максимально близка к форме криогенной емкости, что может быть достигнуто раскроем экранно-вакуумной теплоизоляции с применением имитатора формы криогенной емкости.

Задача решается за счет того, что экранно-вакуумная теплоизоляции состоит из матов, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета, причем каждый пакет состоит из чередующихся слоев экранного материала и прокладочного материала, кроме того, два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев каждого мата, зазоры в стыках пакетов перекрыты дополнительными слоями экранного материала.

Задача решается за счет того, что пакеты экранно-вакуумной теплоизоляции изготавливают по шаблонам, устанавливают их на имитатор теплоизолируемой поверхности криогенной емкости, слои в пакетах скрепляют между собой кнопками, из пакетов собирают маты, не менее трех верхних слоев каждого мата, обшивают по контуру тканью, при этом стыки пакетов в матах смещают друг относительно друга, маты укладывают друг относительно друга с перекрытием пакетов и соединяют между собой.

На фиг.1 и 2 схематично представлен состав мата экранно-вакуумной теплоизоляции, где:

1. криогенная емкость;

2. первый слой экранного материала;

3. пакеты;

4. слои экранного материала;

5. слои прокладочного материала;

6. последний слой экранного материала;

7. кнопки;

8. ткань;

9. стыки пакетов;

10. дополнительные слои экранного материала.

Экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока состоит из матов, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета 3, причем каждый пакет 3 состоит из чередующихся слоев экранного материала 4 и прокладочного материала 5, кроме того, два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев 2 и 6 экранного материала каждого мата, зазоры в стыках пакетов 9 перекрыты дополнительными слоями экранного материала 10.

Как показывает практика, такой состав экранно-вакуумной теплоизоляции является наиболее оптимальным для эффективного хранения криогенных компонентов (например, жидкого кислорода) в криогенных емкостях большого объема, в том числе для космических условий, при этом количество слоев в пакетах 3 и количество пакетов 3 в матах определяется тепловым расчетом, исходя из условий эксплуатации изделия.

Слои экранного материала 4, как правило, перфорируют для обеспечения выхода газа из межслойных пространств при вакуумировании экранно-вакуумной теплоизоляции.

Слои экранного материала 4 большой площади получают путем сварки полотен этого материала друг с другом с последующим кроем по шаблону в составе пакетов 3.

Толщина слоев экранного материала 4 и их тип выбирают в зависимости от условий эксплуатации экранно-вакуумной теплоизоляции.

Формование на сетке выполняется для получения объемного экранного материала 4, обеспечивающего необходимые зазоры между соседними поверхностями (например, между поверхностью криогенной емкости 1 и первым слоем экранного материала 2).

Процесс теплопередачи через экранно-вакуумную теплоизоляцию в общем случае осуществляется тремя видами теплопереноса: теплопроводностью по твердому телу, теплопроводностью по газу и лучистой составляющей теплового потока.

Теплопроводность по твердому телу определяется количеством контактов между слоями экранного материала 4. Для их уменьшения между слоями экранного материала 4 устанавливают прокладку, выполненную из низкотеплопроводного материала, например стекловуали или капрона. При невесомости от наличия остаточных деформаций в экранно-вакуумной теплоизоляции количество контактов и их площадь уменьшается, при этом снижается составляющая теплопереноса по твердому телу.

В процессе полета ракеты давление окружающей среды уменьшается и в конечном итоге достигает уровня от 10^-8 до 10^-9 мм рт. ст. За счет наличия перфорации слоев экранно-вакуумной теплоизоляции газ из межслойных пространств удаляется в окружающее пространство и при достижении давления в слоях 10^-4 мм рт. ст. и ниже процесс вакуумирования становится квазистационарным и составляющая теплового потока по газу становится близкой к нулю.

Лучистая составляющая теплового потока определяется качеством металлизации слоев экранного материала 4 и характеризуется степенью черноты. Современные экранные материалы 4 металлизируются алюминием, при этом степень черноты находится в пределах 0,05-0,1. Лучистая составляющая теплового потока зависит только от перепада температур между слоями экранного материала 4 и качества их металлизации.

В способе изготовления экранно-вакуумной теплоизоляции криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока, включающей изготовление матов в виде чередующихся слоев экранного 4 и прокладочного материала 5, пакеты 3 экранно-вакуумной теплоизоляции изготавливают по шаблонам, устанавливают их на имитатор теплоизолируемой поверхности криогенной емкости 1, слои в пакетах 3 скрепляют между собой кнопками 7, из пакетов 3 собирают маты, при этом не менее трех верхних слоев каждого мата обшивают по контуру тканью 8, при этом стыки пакетов 9 в матах смещают друг относительно друга, маты укладывают друг относительно друга с перекрытием пакетов 3 и соединяют между собой.

В матах экранно-вакуумной теплоизоляции выполнены отверстия (вырезы разной конфигурации), обшитые тканью 8, через которые проходят, например, электрические и пневмогидравлические связи с емкостью 1. Зазоры между отверстиями в теплоизоляции и конструкциями, связанными с емкостью 1, могут быть перекрыты, например, намоткой ленточной экранно-вакуумной теплоизоляции на эти конструкции.

Маты, выполненные в объемном виде, хранятся и транспортируются на объемных каркасах, этим обеспечивается их качественное состояние.

Экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока работает следующим образом.

В процессе полета ракеты с падением атмосферного давления газ, находящийся в межслойных пространствах экранно-вакуумной теплоизоляции, выходит из экранно-вакуумной теплоизоляции за счет наличия перфорации в слоях экранного материала 4 и прокладочного материала 5 и при достижении давления ниже 10^-4 мм рт.ст. процесс вакуумирования становится близким к стационарному, в результате чего экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 готова выполнять свои функции по обеспечению температурного режима криогенного компонента в космических условиях.

Применение предложенной экранно-вакуумной теплоизоляции криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока и способа ее изготовления позволяет создать с минимальными массовыми затратами экранно-вакуумную теплоизоляцию без снижения теплофизических свойств при ее многоразовом применении.

Кроме того:

- значительно упрощается технология изготовления, монтажа матов экранно-вакуумной теплоизоляции, а также ее ремонта при больших размерах криогенной емкости 1, при сложной конфигурации экранно-вакуумной теплоизоляции с учетом прохождения через нее подводящих коммуникаций к емкости 1;

- обеспечивается крепление матов между собой и монтаж экранно-вакуумной теплоизоляции на криогенной емкости 1 при большом количестве слоев теплоизоляции;

- в значительной степени уменьшается длина перекрытий экранно-вакуумной теплоизоляции.

Изобретения относятся к криогенной и ракетно-космической технике и могут быть использованы при теплоизолировании поверхностей баков, поверхностей емкостей для хранения и транспортирования криогенных жидкостей и т.п. Экранно-вакуумная теплоизоляция состоит из матов, в состав каждого из которых входит два пакета. Пакет состоит из чередующихся слоев экранного материала и прокладочного материала. Два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев каждого мата. Зазоры в стыках пакетов перекрыты дополнительными слоями экранного материала. Способ изготовления экранно-вакуумной теплоизоляции включает изготовление матов в виде чередующихся слоев экранного и прокладочного материала. Пакеты экранно-вакуумной теплоизоляции изготавливают по шаблонам и устанавливают на имитатор теплоизолируемой поверхности криогенной емкости. Слои в пакетах скрепляют между собой кнопками. Из пакетов собирают маты. Не менее трех верхних слоев каждого мата обшивают по контуру тканью. Стыки пакетов в матах смещают друг относительно друга. Маты укладывают друг относительно друга с перекрытием пакетов и соединяют между собой. Достигается упрощение изготовления и уменьшение длины перекрытий экранно-вакуумной теплоизоляции. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости ракетного космического разгонного блока, состоящая из слоев экранного и прокладочного материала, отличающаяся тем, что экранно-вакуумная теплоизоляция состоит из матов, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета, причем каждый пакет состоит из чередующихся слоев экранного материала и прокладочного материала, кроме того, два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев каждого мата, зазоры в стыках пакетов перекрыты дополнительными слоями экранного материала.

2. Способ изготовления экранно-вакуумной теплоизоляции криогенной емкости ракетного космического разгонного блока, включающей изготовление матов в виде чередующихся слоев экранного и прокладочного материала, отличающийся тем, что пакеты экранно-вакуумной теплоизоляции изготавливают по шаблонам, устанавливают их на имитатор теплоизолируемой поверхности криогенной емкости, слои в пакетах скрепляют между собой кнопками, из пакетов собирают маты, при этом не менее трех верхних слоев каждого мата обшивают по контуру тканью, при этом стыки пакетов в матах смещают относительно друг друга, маты укладывают относительно друг друга с перекрытием пакетов и соединяют между собой.