ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2015 года по МПК B64G1/58 

Изобретение относится к защитным покрытиям и может быть использовано в качестве защиты от воздействия ионизированных газовых потоков стационарных плазменных двигателей на элементы космического аппарата (КА) со сроком активного существования 15 и более лет.

Жесткие требования по массе, энерговооруженности и повышенные требования к ресурсу и надежности КА приводят к уплотнению его компоновочной схемы. Как следствие, возрастает эрозионное воздействие стационарных плазменных двигателей (СПД), используемых в качестве двигателей коррекции, на материалы элементов конструкции КА. Эрозионное воздействие плазменных струй СПД заключается в уносе материала конструкции в результате длительной бомбардировки ионами газа, что приводит к уменьшению их толщины и к загрязнению внешних поверхностей КА продуктами распыления.

Предварительная оценка эрозионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями, на поверхности панелей солнечных батарей и терморегулирующих покрытий радиатора системы терморегулирования космического аппарата позволяет сделать вывод о существенном влиянии СПД на оптические приборы и поверхности солнечных батарей КА (статья В.А. Смирнова, А.Б. Надирадзе и др. Исследование загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы и плазмы стационарных плазменных двигателей на космическом аппарате «Экспресс-АМ» / Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та: сб. науч. тр. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2006. Вып. 2(9). С 46-50); статья А.Б. Надирадзе, P.P. Рахматуллина и др. Особенности экспериментального определения стойкости композиционных материалов к эрозионному воздействию струй стационарных плазменных двигателей» / Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та: сб. науч. тр. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2012. Вып. 1. С 91-96).

Значение деградации коэффициента поглощения солнечной радиации терморегулирующего покрытия радиатора системы терморегулирования КА вследствие загрязнения продуктами эрозии панелей солнечной батареи равно 0,12, что является недопустимо высоким, так как допускаемое значение деградации коэффициента поглощения от воздействия всех факторов, например, на платформе «Экспресс-1000Н» составляет 0,16.

Известно применение в качестве защиты от эрозионного воздействия плазменных струй СПД элементов конструкций КА, функционирующих на геостационарных орбитах, полимерной ленты - полиимидной пленки с липким слоем Л1-ПМ (ТУ 2255-066-00203536-2000). Толщина пленки 40 мкм. Пленка наклеивается на защищаемые поверхности при помощи липкого слоя согласно техническому регламенту ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» ТР №370-762-48.

Полиимидная пленка изготавливается путем полива раствора полипиромеллитамидокислоты в диметилформамиде (или диметилацетамиде) на бесконечную ленту с последующей термоимидизацией. Полиимидная пленка обладает высокими механическими и электрическими свойствами, мало изменяющимися в широком интервале температур. Особенностью пленки является высокая радиационная стойкость.

К недостаткам полиимидной пленки следует отнести невысокую эрозионную стойкость, не позволяющую эксплуатировать ее на протяжении 15 и более лет.

Задачей изобретения является повышение срока службы защитного покрытия от эрозионного воздействия плазмы стационарных плазменных двигателей.

Поставленная задача достигается тем, что в известном защитном покрытии, выполненном в виде ленты, закрывающей элементы конструкции, подвергающиеся воздействию ионизированного газового потока, согласно техническому решению в качестве ленты применена алюминиевая фольга, на внешней стороне которой микродуговым оксидированием сформирован слой оксида алюминия толщиной не менее 30 мкм.

Защитное покрытие изготавливают следующим образом. На алюминиевой ленте, в качестве которой используют алюминиевую фольгу АД1 по ГОСТ 4784-74 толщиной 100 мкм, микродуговым оксидированием формируют слой оксида алюминия толщиной 30 мкм.

Микродуговое оксидирование проводили на установке ИАТ-Т, источник питания которой позволяет осуществлять независимую регулировку анодной и катодной составляющих тока и имеет следующие технические характеристики: диапазон регулируемых напряжений - (0-800) В; диапазон регулируемых токов - (0-120) А/дм²; погрешность стабилизации тока до 5%.

В качестве электролита использовали слабощелочные водные растворы различных составов.

Слой оксида алюминия формировали на одной стороне алюминиевой фольги при соотношении Iк/Ia от 0,6 до 1,4, плотностях тока в диапазоне от 10 до 40 А/дм². Продолжительность обработки составляла 10…60 мин. Размеры образцов 160×130 мм.

Экспериментально выявлено, что оптимальными режимами получения слоя оксида алюминия в составе защитного покрытия являются следующие режимы обработки: плотность тока 15 А/дм², соотношение анодной и катодной составляющей тока Iк/Ia<1, время обработки от 20 до 40 мин.

Режимы получения оксидного слоя в защитном покрытии приведены в таблице 1.

Таблица 1 № Электролит Плотность тока анода, А/дм² Плотность тока катода, А/дм² Время обработки, мин Толщина слоя оксида алюминия, мм. 1 КОН - 4 г/л Na₂SiO₃ - 10 г/л 15 15 40 0,03 2 КОН - 4 г/л Na₂SiO₃ - 70 г/л 15 15 40 0,033 3 КОН - 4 г/л Na₂SiO₃ - 180 г/л 15 15 40 0,035 4 Na₆P₆O₁₂ - 40 г/л 15 15 30 0,022

Для проведения испытаний на воздействие факторов хранения и эксплуатации изготовили образцы защитного покрытия размером 100×100 мм.

На образцах были проведены следующие виды испытаний:

- цикличное сгибание на диаметре 20 мм;

- измерение поверхностного сопротивления;

- радиационное воздействие;

- термоциклирование;

- стойкость к воздействию плазмы.

Образцы подвергли циклическому сгибанию по боковой поверхности цилиндра диаметром 20 мм и последующему разгибанию в плоскость. Количество циклов 50. Внешний вид покрытий после воздействия не изменился. Наличия трещин и отслоений покрытия не обнаружено.

Измерение поверхностного сопротивления проводилось на тераомметре Е6-13А. Сопротивление поверхности составляет 7,1·10⁷-8,6·10⁷ Ом/□.

Испытания на радиационное воздействие проводились на электронном ускорителе ЭЛУ-4 в НИИ интроскопии. Образцы облучались электронами в среде азота до поглощенной дозы 6·10⁸ рад. Средняя энергия электронов в плоскости размещения образцов - 4 МэВ, средняя плотность потока электронов 4,2·10¹⁰ см^-2с^-1.

После радиационного воздействия образцы подвергли термоциклированию.

Испытание на воздействие термоциклов проводилось в вакуумной камере УКГ-1000, при остаточном давлении не более 5·10^-6 мм рт.ст. Образцы располагались на термостоле, сверху закрывались теплоизолирующими матами. Нагрев и охлаждение осуществлялись за счет теплового контакта и радиационного излучения с поверхности термостола. Нагрев термостола осуществлялся лампами типа КГ-127-1000, а охлаждение жидким азотом. Скорость нагрева-охлаждения составляла от 5 до 10 градусов в минуту. Излучение от ламп на поверхность образцов не попадало. Температура контролировалась с помощью датчиков температуры типа «термометры платиновые ТП 018-03». Термоциклирование в количестве 100 циклов проводилось в диапазоне температур от минус 150°С до плюс 170°С с выдержкой при крайних температурах в течение 10 минут.

После термоциклирования проводился визуальный осмотр внешнего вида образцов. Нарушений внешнего вида покрытий не наблюдалось.

Для оценки эрозионного износа от воздействия плазмы СПД провели испытания трех видов покрытий: алюминиевой фольги, полиимидной пленки и заявляемого защитного покрытия из алюминиевой фольги со слоем оксида алюминия толщиной 30 мкм, сформированным микродуговым оксидированием.

Из каждого материала было изготовлено по 4 образца размером 30×30 мм, которые укладывались в зоне облучения в шахматном порядке.

Испытания на стойкость к воздействию плазмы проводились на установке имитационной аргоновой плазмы на базе вакуумной камеры «Булат», которая позволяет при испытаниях сравнивать характеристики стойкости материалов к воздействию плазмы и получить предварительную оценку распыления материалов.

Режимы испытания в камере «Булат»: ток на катушке соленоида - 2,5 А, напряжение на аноде - в переделах 800 В, ток разряда - 15 мА. Расчетное значение плотности теплового потока, создаваемого плазменной струей ионного источника, составила 0,008 Вт/см². Расстояние от столика с образцами до генератора плазмы равно 150 мм. Угол падения ионов на поверхности образцов - около 90°. Длительность обработки - 60 мин.

До и после воздействия пучка ионов на образцы производилось взвешивание образцов на прецизионных электронных весах HR-202, а также измерение толщины контактным способом с использованием многооборотного индикатора. Толщину образцов измеряли в нескольких точках, затем вычислили среднее значение. Процентное значение изменения массы образца в результате распыления плазмой рассчитывали по формуле

$$\text{ΔM}=\frac{{\text{М}}_{\text{до}}-{\text{М}}_{\text{после}}}{{\text{М}}_{\text{до}}}\times \text{100\%}$$ ,

где М_до - масса образца до испытаний, г;

М_после - масса образца после испытания, г.

Толщину образцов контролировали толщиномером ТТ260 и на поперечных шлифах при помощи оптического микроскопа.

Полученные экспериментальные данные по изменению массы исследуемых образцов приведены в таблице 2, а по изменению толщины - в таблице 3.

Таблица 2 Изменение массы исследуемых образцов Образцы Масса образцов, г Изменение массы, г (М_до-М_после) ΔМ, % М_до М_после Полиимидное покрытие (ПМ) 1 0,22837 0,22679 0,00158 0,692 2 0,23180 0,23021 0,00159 0,686 3 0,23860 0,23713 0,00147 0,616 4 0,23080 0,22951 0,00129 0,559 Среднее значение 0,00148 0,638 Заявляемое покрытие 1 0,42781 0,42728 0,00053 0,124 2 0,42818 0,42751 0,00067 0,156 3 0,46758 0,46683 0,00075 0,160 4 0,45172 0,45112 0,00060 0,133 Среднее значение 0,00079 0,154 Алюминиевая фольга без МДО (АД1) 1 0,41936 0,41904 0,00032 0,076 2 0,42135 0,42104 0,00031 0,073 3 0,42358 0,42329 0,00029 0,068 4 0,42582 0,42552 0,00030 0,070 Среднее значение 0,00031 0,072

Таблица 3 Изменение толщины исследуемых образцов Образцы Толщина образцов, мм Изменение толщины (Т_до-Т_после), мм Т_до Т_после Полиимидное покрытие (ПМ) 1 0,097 0,096 0,001 2 0,105 0,098 0,007 3 0,103 0,099 0,004 4 0,100 0,0,97 0,003 Среднее значение 0,00375 Заявляемое покрытие 1 0,121 0,121 0 2 0,125 0,124 0,001 3 0,129 0,128 0,001 4 0,111 0,110 0,001 Среднее значение 0,00075 Алюминиевая фольга без МДО (АД1) 1 0,096 0,094 0,002 2 0,096 0,093 0,002 3 0,096 0,092 0,004 4 0,096 0.094 0,002 Среднее значение 0,0025

Анализ данных таблиц 2, 3 позволяет сделать вывод о том, что заявляемое защитное покрытие является наиболее стойким к воздействию плазмы стационарных плазменных двигателей.

Алюминиевую фольгу с внешним слоем оксида алюминия накладывают на поверхности, подвергающиеся воздействию плазменных струй СПД, и закрепляют либо механическим путем либо наклеивают.

Проведенные испытания и расчеты показывают, что защитное покрытие в виде алюминиевой фольги, на внешней стороне которой микродуговым оксидированием сформирован слой оксида алюминия толщиной не менее 30 мкм, обеспечит активное существование КА на протяжении 15 лет.

Изобретение относится к тепловой защите элементов конструкции космического аппарата (КА) от воздействия ионизированных газовых потоков, преимущественно стационарных плазменных двигателей. Защитное покрытие выполнено в виде алюминиевой фольги, закрывающей указанные элементы КА. На внешней стороне фольги микродуговым оксидированием сформирован слой оксида алюминия толщиной не менее 30 мкм. Алюминиевую фольгу на поверхности защищаемых элементов закрепляют механическим путем либо наклеивают. По результатам испытаний и расчетов предлагаемое защитное покрытие обеспечит активное существование КА на протяжении 15 лет и более. Техническим результатом изобретения является повышение срока службы защитного покрытия в условиях эрозионного воздействия плазмы указанных двигателей КА. 3 табл.

Защитное покрытие, выполненное в виде ленты, закрывающей элементы конструкции космического аппарата, подвергающиеся воздействию ионизированного газового потока, отличающееся тем, что в качестве ленты применена алюминиевая фольга, на внешней стороне которой микродуговым оксидированием сформирован слой оксида алюминия толщиной не менее 30 мкм.