ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ КЛАССА "СОЛНЕЧНЫЕ ОТРАЖАТЕЛИ" Российский патент 2011 года по МПК C09D1/02 C09D5/24 C09D5/33 

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники и может быть использовано в системах пассивного и активного терморегулирования КА, эксплуатирующихся на орбитах с высокой интенсивностью ионизирующих излучений (электронное, протонное и УФ излучения), со сроком активного сосуществования (САС) 15 и более лет. Терморегулирующее покрытие (ТРП) наноситься на внешние поверхности космического аппарата (КА).

В настоящее время для КА, функционирующих на геостационарных орбитах (ГСО) и высокоэллиптических орбитах (ВЭО), применяются ТРП на основе пластин из оптического стекла К 208 ЖЦПИ 750540.001 ТУ (отраслевой документ), представляющие собой квадратные кварцевые пластинки со стороной 20-40 мм и толщиной 100-200 мкм с напыленным слоем серебра, которые вручную наклеиваются на внешнюю поверхность радиатора. Такие покрытия обладают хорошими исходными оптическими характеристиками (As=0,1÷0,12; ε≤0,9) и высокой стойкостью к воздействию ионизирующих излучений.

Однако эти покрытия обладают рядом существенных недостатков:

- стоимость ТРП составляет более 200000 руб./м²;

- покрытия являются диэлектриками, для снятия статического электричества на внешнюю поверхность ТРП наносят тонкий прозрачный электропроводящий слой, который не стоек к длительному воздействию ионизирующих излучений;

- покрытия являются хрупкими, легко повреждаются при изготовлении тепловых радиаторов и плохо поддаются ремонту при необходимости замены элементов радиатора;

- покрытия трудоемки при изготовлении и нетехнологичны при использовании;

- клей, используемый для приклеивания пластин из оптического стекла К 208 к подложке не удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 50109-92 по газовыделению и не стоек к воздействию ФКП (термоперепады и ионизирующее излучение).

Известен ряд лакокрасочных ТРП (патенты RU 2168189, G02B 1/10, RU 2331553 BG4G 1/58, RU 02036208, C09D 1/02, RU 2290422, C09D 5/24, RU 2248954, С04В 41/87), которые лишены вышеуказанных недостатков, но обладают низкой стойкостью к комплексному воздействию факторов космического пространства (ФКП) (электронное, протонное и УФ излучения, термоперепады в вакууме), что делает невозможным их применение на КА с длительным сроком функционирования на высоких орбитах (ГСО и ВЭО).

Известно ТРП (патент РФ 2248954, С04 В 41/87) состава, мас.%:

цирконий (IV) оксид модифицированный 33-53 калий метасиликат с модулем не менее 4,5 при плотности 1,185-1,195 г/см³ 24-30 дистиллированная вода 23-37

с начальным коэффициентом поглощения солнечного излучения As≤0,12-0,13 и коэффициентом As после 3-х лет эксплуатации (при УФ облучении) - 0,22.

Данное покрытие применяется на КА, функционирующих на низких орбитах со сроком эксплуатации 3-5 лет. Покрытие не обладает хорошей адгезией к подложке и антистатическими (электропроводными) свойствами, предъявляемыми к материалам внешних поверхностей КА, эксплуатирующихся на высоких орбитах.

Наиболее близко в качестве прототипа (патент РФ 2036208, C09D1/2) может служить композиция следующего состава, мас.%:

водный раствор силиката калия с модулем 3,8-4,1 58-65 титанат циркония 35-47

Композиция служит для получения ТРП с коэффициентами:

As 0,09-0.12 ε (коэффициент теплового излучения) не менее 0,92

Изменение As (ΔAs) при действии дозы ультрафиолетового излучения солнца равной 50 эквивалент солнечным суткам 0,02-0,04, жизнеспособность композиции не более 10 часов. Таблица 3.

Задача - разработка ТРП с низкой степенью деградации оптических характеристик, низким газовыделением, хорошей адгезией к подложке в условиях воздействия ФКП и обладающего электропроводными свойствами для КА, функционирующих на орбитах с высокой интенсивностью ионизирующих излучений (ГСО и ВЭО).

Ожидаемый технический результат заключается в улучшении технологических свойств - жизнеспособность композиции до 3-5 недель, легкий способ нанесения покрытия.

Сущность изобретения заключается в том, что терморегулирующее покрытие класса «солнечные отражатели», включает силикатное связующее, наполнители, дистиллированную воду, при этом в качестве силикатного связующего содержит литиевое или натриевое стекло, в качестве наполнителя содержит соль щелочноземельного элемента BaSO₄, а также добавку алюминат бария или лития в массовых частях:

литиевое или натриевое стекло 29,42-33,78 BaSO₄ 43,44-42,28 алюминат лития или алюминат бария 3,39-3,61 дистиллированная вода 22,07-23,53

Способ приготовления композиции: в фарфоровую шаровую мельницу с фарфоровыми шарами загружают компоненты: BaSO₄, дистиллированную воду, литиевое стекло с модулем 2,9-3,5 и плотностью 1,153÷1,190 г/м³ или натриевое стекло с модулем 25÷30 и плотностью 1,133-1,135 г/м³ и добавку алюминат лития или алюминат бария, диспергируют в течение 5-10 ч. Полученную дисперсию сливают с одновременной фильтрацией через марлю. Нанесение покрытия проводят краскораспылителем. В таблице 1 показано содержание компонентов в композиции. В таблице 2 приведены свойства покрытия в зависимости от содержания наполнителей.

Пример 1

BaSO₄ 42,28 алюминат лития 3,52 литиевое стекло (с модулем 3,0 и плотностью 1,156) 31,30 дистиллированная вода 22,90

Пример 2

BaSO₄ 40,76 алюминат бария 3,39 литиевое стекло (с модулем 3,0 и плотностью 1,156) 33,78 дистиллированная вода 22,07

Пример 3

BaSO₄ 41,2 алюминат бария 3,4 натриевое стекло (с модулем 26 и плотностью 1,135) 33,26 дистиллированная вода 22,14

Разработанное лакокрасочное ТРП обладает следующими характеристиками:

- стоимость покрытия менее 10 тыс.руб./м²;

- покрытие технологично, легко наносится и ремонтируются в случае случайных повреждений;

- для нанесения покрытия используется существующее на предприятиях оборудование, т.е. не требуется создание (или дооснащение) новых производственных участков;

- материалы, на которые наносится покрытие, - алюминиевые сплавы типа АМг-6, Д16, В-95;

- терморегулирующее покрытие соответствует требованиям ГОСТ Р 50109-92 по газовыделению (реальная потеря массы покрытия (РПМ) - не более 1,0%, содержание летучих конденсирующихся веществ (ЛКВ) - 0,1%);

- начальные оптические характеристики ТРП: As=0,10÷0,12 ε=0,93÷0,95.

Покрытие сохраняет свои свойства после воздействия ФКП, действующих на ГСО, при этом коэффициент поглощения солнечного излучения (A_S)_кон по истечении 15 лет эксплуатации на ГСО не превышает 0,33.

Удельное объемное электрическое сопротивление ТРП не превышает 10⁶ Ом·м.

Масса одного квадратного метра покрытия - не более 300 г.

Адгезионные свойства покрытия:

- разрушающее напряжение при отрыве от поверхности - не менее 1,5 МПа (15 кг/см²) по ГОСТ 14760-69;

- адгезия покрытия к поверхности методом 4 по ГОСТ 15140-78 - не более 2 баллов; При температуре эксплуатации ТРП Тэксп=±100°С адгезия покрытия к поверхности методом 4 по ГОСТ 15140-78 - не более 2 баллов.

Изменение коэффициента A_s при воздействии УФ излучения в течение 50 эквивалентных солнечным суток не превышает 0,03. Однако основным повреждающим фактором для радиационно-опасных орбит (ГСО, ВСО) являются протонное и электронное излучения. У нового покрытия коэффициент поглощения солнечного излучения (A_S)_кон. после комплексного воздействия факторов космического пространства (протонное, электронное и УФ излучения) не превышает 0,33 при эксплуатации в течение 15 лет. Такой радиационной стойкостью не обладает ни одно известное российское или зарубежное ТРП.

Таблица 1 Наименование компонентов Содержание компонентов в композиции 1 2 3 4 5 1. Щелочноземельная соль BaSO₄ 43,12 43,44 40,76 42,28 45,58 2. Добавка алюминат лития или алюминат бария 2,35 3,61 3,39 3,52 2,09 3. Литиевое стекло с модулем 2,9÷3,5 и плотностью 1,153÷1,190 г/м³ или натриевое стекло с модулем 25÷30 и плотностью 1,133-1,135           4. Дистиллированная вода 31,79 29,42 33,78 31,30 28,49   22,74 23,53 22,07 22,90 23,84

Таблица 2 Наименование показателей Содержание компонентов в композиции 1 2 3 4 5 Толщина покрытия, мкм 130 125 140 110 Покрытие хрупкое, трещины, скалывание Коэффициент As, не более 0,14 0,10 0,12 0,11 Коэффициент ε, не менее 0,93 0,94 0,93 0,94 Удельное объемное электронное сопротивление ρ_v, Ом·м l,4·10⁶ 1·10⁶ 0,5·10⁶ 0,4-10^b Адгезия к алюминиевым сплавам по ГОСТ 15140-78, балл 2-3 1-2 1-2 1-2 4

Таблица 3 Параметры ТРП Предлагаемая Прототип Коэффициент As 0,1-0,12 0,09-0,12 Коэффициент ε 0,93-0,94 >0,92 Электропроводность, ρ_v, Ом·м. ≤10⁶ не электропроводно ΔAs после воздействия:
электронов, протонов и УФ излучения (15 лет ГСО, ВЭО) 0,21-0,23 не соответствует современным требованиям - УФ излучения в течение 50 эквивалентных солнечных суток не более 0,03 0,02-0,04 As конечная после 15 лет эксплуатации не более 0,33 не соответствует современным требованиям

Изобретение относится к терморегулирующему покрытию класса «солнечные отражатели», используемому, в частности, в системах пассивного или активного терморегулирования внешней поверхности космического аппарата. Покрытие включает силикатное связующее, наполнители, дистиллированную воду. В качестве силикатного связующего покрытие содержит литиевое или натриевое стекло. В качестве наполнителей содержит соль щелочноземельного элемента BaSO₄ и добавку алюминат бария или лития. Покрытие обладает низкой степенью деградации оптических характеристик, низким газовыделением, хорошей адгезией к подложке в условиях воздействия факторов космического пространства, а также электропроводными свойствами. Жизнеспособность композиции для покрытия составляет 3-5 недель. Покрытие легко наносится и обладает поглощательной способностью солнечной радиации (As)_кон., не превышающей 0,33 при эксплуатации в течение 15 лет. 3 табл.

Терморегулирующее покрытие класса «солнечные отражатели», включающее силикатное связующее, наполнители, дистиллированную воду, отличающееся тем, что в качестве силикатного связующего содержит литиевое или натриевое стекло, в качестве наполнителей содержит соль щелочноземельного элемента BaSO₄, добавку алюминат бария или лития, мас.ч.:
силикатное связующее 29,42-33,78 BaSO₄ 42,28-43,44 добавка 3,39-3,61 дистиллированная вода 22,07-23,53