РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОЕ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2015 года по МПК G21F1/00 B64G1/54 

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к терморегулирующим покрытиям (ТРП) класса «солнечные отражатели».

При эксплуатации в космическом пространстве радиоэлектронная аппаратура (РЭА) космических аппаратов (КА) подвергается повреждающему воздействию факторов космического пространства (КП), среди которых особенно опасно ионизирующее излучение (ИИ), к которому относятся рентгеновские лучи и гамма-излучение Солнца, частицы, образующиеся во время солнечных (хромосферных) вспышек, солнечный ветер, галактические и внегалактические космические лучи, электроны и протоны радиационных поясов, нейтроны и альфа-частицы.

ИИ КП является одним из главных факторов, ограничивающих сроки активного существования электронной компонентной базы (ЭКБ) и РЭА КА, так как на дозовые и одиночные эффекты, вызываемые ИИ КП, приходится до 50% всех квалифицированных отказов РЭА КА.

Воздействие ИИ КП приводит к радиационным эффектам, проявляющимся через:

- параметрические отказы электронной аппаратуры вследствие деградации характеристик интегральных микросхем по мере накопления дозы ИИ КП (дозовые эффекты);

- сбои и отказы интегральных микросхем от воздействия отдельных высокоэнергетичных ядерных частиц (одиночные эффекты).

Защитное корпусирование критичной ЭКБ позволяет существенно повысить стойкость РЭА КА к ИИ КП, в первую очередь, в области дозовых эффектов.

Использование радиационной защиты для снижения уровня воздействий ИИ КП в области дозовых эффектов достаточно широко применяется в КА. Для наиболее уязвимых элементов можно применять локальную радиационную защиту. Суть ее заключается в том, что критичные узлы помещают в защитный кожух, предназначенный только для этого элемента.

Материалы для экранирования ЭКБ должны обладать: защитными свойствами, позволяющими защитить интегральные микросхемы или ЭКБ от ИИ КП, механической прочностью, климатической стойкостью, вакуумной прочностью, химической стойкостью к агрессивной среде с покрытиями и герметиками, высокими электростатическими характеристиками, теплопроводностью, обеспечивающей для интегральных микросхем или ЭКБ нормальный температурный режим, технологичностью при серийном запуске в производство и др.

Для исключения отказов радиоэлектронного оборудования на космических аппаратах используется стойкая к воздействию радиации элементная база и защитное экранирование, обеспечивающие при минимальных габаритно-массовых характеристиках максимальный срок активного существования и надежность. Поэтому проблема защиты элементной базы от радиации сводится к выбору наиболее эффективного защитного экрана.

В качестве защитного экрана можно использовать терморегулирующие покрытия, обеспечивающие:

- поддержание заданного теплового баланса систем КА в заданном диапазоне температур в процессе натурной эксплуатации;

- дополнительную защиту элементной базы, отдельных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры от повреждающего воздействия ионизирующего излучения космического пространства.

Существует несколько ТРП класса «солнечные отражатели» с близкими оптическими характеристиками [ЭКОМ-1, ТРСО-2, ТРСО-11, ТРСО-12, 40-1-28, ЭКОМ-ЖС-2], но не обладающими необходимыми радиационно-защитными свойствами. Аналогом изобретения является покрытие для защиты от космической радиации (пат. RU 2275704 С2). В состав покрытия входит компоненты при следующем соотношении компонентов, масс. %.

Кремнийорганический полимер 8,2-37,1 Порошки тяжелых металлов, их оксиды и 60,7-92,0 карбиды   Структурирующий агент 0,2-0,5 Технологический структурирующий агент 0,2-0,5 Вулканизирующий агент в виде диэтилди- 0,9-1,2 каприлата или катализатор в виде раствора   аминосилана в эфирах ортокремниевой кислоты  

Недостатком материала является:

- невозможность нанесения методом пневматического распыления;

- материал готовится непосредственно перед применением;

- высокое газовыделение.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по оптическим свойствам являются терморегулирующие покрытия класса «солнечные отражатели» (http://naT.RU 2421490 С1). В состав покрытия входят следующие компоненты, масс:

Водный раствор жидкого 29,42-33,78

литиевого стекла

BaSO₄ 42,28-43,44 Ва(AlO₂)₂ 3,39-3,61 дистиллированная вода 22,07-23,53

Данное ТРП сохраняет свои оптические свойства после воздействия факторов космического пространства (на геостационарной орбите), но не обеспечивает дополнительной защиты элементов РЭА от радиации.

Задачей изобретения является разработка ТРП с низкой степенью деградации на ГСО и высокоэллиптических орбитах (ВЭО) с радиационно-защитными свойствами для защиты электронно-компонентной базы (ЭКБ) космических аппаратов.

Технический результат - исключение отказов радиоэлектронного оборудования на космических аппаратах, обеспечение при минимальных габаритно-массовых характеристиках максимального срока активного существования и надежность КА.

Необходимость создания такого покрытия вызвана в том числе и тем, что на современных КА все чаще используются элементы и узлы РЭА, размещенные на открытых платформах. Особенно остро эта проблема стоит для высокоорбитальных КА (ГСО, орбиты КА ГЛОНАСС, высокоэллиптические орбиты), которые подвергаются большим дозовым нагрузкам. Использование ТРП, обладающего повышенными защитными свойствами, в таких ситуациях представляется эффективным способом для дополнительной защиты элементов РЭА от ионизирующих излучений космического пространства. Эффективность такого способа обусловлена технологичностью нанесения ТРП необходимой толщины на узлы сложной геометрической формы и возможностью регулировать линейные потери энергии ионизирующих излучений, используя соответствующие наполнители.

Поставленная задача достигается тем, что радиационно-защитное терморегулирующее покрытие, включающее верхний слой покрытия, содержащий в качестве связующего водный раствор литиевого жидкого стекла, наполнители BaSO₄ (сульфат бария), Ва(AlO₂)₂ (алюминат бария), дополнительно содержит нижний слой покрытия, состоящий из водного раствора литиевого жидкого стекла и наполнителей - порошок Bi₂O₃ (оксид висмута) и порошок BaWO₄ (вольфрамат бария), в массовых частях:

При этом используют водный раствор литиевого жидкого стекла с модулем 2,4-3,2, порошок Bi₂O₃ со сферическими частицами размером 20-40 мкм, порошок BaWO₄ с частицами хлопьевидной формы размером 5-7 мкм.

Обеспечение радиационно-защитных и оптических свойств (α_s, ε) за счет использования метода пневматического распыления при нанесении ТРП. Комплексное ТРП включает нижний слой из композиции, обеспечивающий адгезионные и радиационно-защитные свойства, и верхний слой, обеспечивающий высокий коэффициент отражения солнечного излучения, высокий коэффициент излучения и высокую стойкость к повреждающему воздействию ФКП. ТРП удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 50109-92, предъявляемым к материалам КТ по газовыделению.

Приготовление композиции проводится методом диспергирования в фарфоровой шаровой мельнице в течение 4-6 ч до степени перетира 35-40 мкм по прибору «Клин». Для нанесения покрытия применяется метод пневматического распыления с использованием ручного краскораспылителя с диаметром сопла 2,5 мм. Давление при нанесении составляет 4 атм. Перед нанесением в композицию добавляется дистиллированная вода из расчета 5-7 г на 100 г композиции и полученная суспензия тщательно перемешивается.

Перед нанесением покрытия поверхность образцов обезжиривается, затем зачищается шлифовальной шкуркой, после чего обдувается сухим сжатым воздухом, протирается дистиллированной водой и снова обдувается сжатым воздухом.

Для обеспечения радиационно-защитных свойств толщина нижнего слоя покрытия эмалевой композицией составляет 250-300 мкм, достигается нанесением от 5 до 8 слоев (допускается увеличение толщины покрытия до 2700 мкм с увеличением количества наносимых слоев). Сушка каждого слоя проводится при температуре 18-25°С в течение 1 ч. Для достижения требуемых оптических характеристик наносится верхний слой (толщиной 100-120 мкм) композиции. Окончательная сушка покрытия проводится в течение 14 суток при температуре 18-32°С.

Использование раствора литиевого жидкого стекла с кремнеземистым модулем от 2,9 до 3,4 и плотностью от 1,72 до 1,213 обеспечивает заданные оптические, адгезионные свойства, стойкость к воздействию космического пространства и газовыделение, соответствующее ГОСТ Р 50109-92, комплексного покрытия. Применение порошков BaWO₄ и Bi₂O₃ в определенном соотношении позволяет придать покрытию радиационно-защитные свойства.

Порошок Bi₂O₃, имеющий сферические частицы размером 20-40 мкм, снижает расслаивание композиции, обеспечивает жизнеспособность в течение 7 суток после ее изготовления и способность к нанесению методом пневматического распыления. Наличие порошка BaWO₄ , имеющего частицы хлопьевидной формы размером 5-7 мкм, повышает адгезионные свойства покрытия (как к подложке, так и к верхнему слою).

Применение в качестве верхнего слоя эмали на основе раствора литиевого жидкого стекла (матрица) и наполнителей сульфата бария и алюмината бария (ЭКОМ-ЖС-2 по ТУ 2316-448-56897835-2009) толщиной 100-120 мкм обеспечивает α_s≤0,12, ε≥0,92.

Для экспериментальной проверки заявленного ТРП были изготовлены композиции в заявленных соотношениях компонентов.

Пример 1

Композиции для получения нижнего и верхнего слоев изготавливались методом диспергирования в фарфоровой шаровой мельнице при следующем соотношении компонентов, масс. ч.:

Жизнеспособность композиции для нижнего слоя меньше 7 суток, пигмент быстро оседает, осадок плотный, плохо перемешивается. При нанесении покрытие сильно мелится, образуются трещины и сколы.

На высохший нижний слой наносилась композиция для верхнего слоя, толщина покрытия - (150±10) мкм.

Пример 2

Композиции для получения нижнего и верхнего слоев изготавливались методом диспергирования в фарфоровой шаровой мельнице при следующем соотношении компонентов, масс. ч.:

Жизнеспособность композиции для нижнего слоя - 7 суток, осадок рыхлый и легко перемешивается. Хорошая укрывистость и розлив при нанесении. Покрытие без сколов и трещин.

На высохший нижний слой наносилась композиция для верхнего слоя, толщина покрытия - (150±10) мкм.

Пример 3

Композиции для получения нижнего и верхнего слоев изготавливались методом диспергирования в фарфоровой шаровой мельнице при следующем соотношении компонентов, масс. ч.:

Жизнеспособность композиции для нижнего слоя - 7 суток, осадок рыхлый и легко перемешивается. Хорошая укрывистость и розлив при нанесении. Покрытие без сколов и трещин.

На высохший нижний слой наносилась композиция для верхнего слоя, толщина покрытия - (150±10) мкм.

Пример 4

Композиции для получения нижнего и верхнего слоев изготавливались методом диспергирования в фарфоровой шаровой мельнице при следующем соотношении компонентов, масс. ч.:

Жизнеспособность композиции для нижнего слоя - 7 суток, осадок рыхлый и легко перемешивается. Хорошая укрывистость и розлив при нанесении. Покрытие без сколов и трещин.

На высохший нижний слой наносилась композиция для верхнего слоя, толщина покрытия - (150±10) мкм.

Пример 5

Композиции для получения нижнего и верхнего слоев изготавливались методом диспергирования в фарфоровой шаровой мельнице при следующем соотношении компонентов, масс. ч.:

Жизнеспособность композиции для нижнего слоя - 7 суток, осадок легко перемешивается. Плохая укрывистость, наносится очень тонкими слоями, требуется много слоев для достижения заданной толщины.

На высохший нижний слой наносилась композиция для верхнего слоя, толщина покрытия - (150±10) мкм.

Предлагаемое радиационно-защитное терморегулирующее покрытие обладает необходимыми радиационно-защитными свойствами (коэффициент ослабления) для защиты электронно-компонентной базы КА, что позволит исключить отказы радиоэлектронного оборудования, а также низкой степенью деградации на ГСО и ВЭО, что обеспечит при минимальных габаритно-массовых характеристиках срок активного существования КА 15 лет.

Изменение коэффициента ослабления электронного излучения с энергией 1.86 МэВ по уровню поглощенной дозы зависимости от толщины покрытия приведены в таблице 3:

Радиационно-защитное терморегулирующее покрытие имеет следующие характеристики:

- Адгезия, не более 2 баллов

- коэффициент поглощения солнечного излучения, As<0,12

- коэффициент теплового излучения, ε>0,92

- удельное объемное сопротивление ρ_v<10⁶ Ом×м

- общая потеря массы (ОПМ)<0,75%

- летучие конденсирующиеся вещества, ЛКВ<0,01%

- ослабление дозовой нагрузки на ГСО от 10 до 1000 раз в зависимости от условий эксплуатации покрытия (орбиты КА)

- срок функционирования на ГСО - 15 лет.

(1) Преимущество изобретения заключается в придании покрытию помимо радиационно-защитных свойств также и оптических свойств (низкий коэффициент отражения солнечного излучения α_s≤0,15 и высокий коэффициент теплового излучения ε≥0.90) и обеспечении стойкости к факторам космического пространства со сроком активного существования на ГСО - 15 лет, а также:

- покрытие обладает необходимыми для применения в качестве ТРП для КА класса «солнечные отражатели» терморадиационными характеристиками (α_s≤0,12, ε≥0,92);

- покрытие обладает радиационно-защитными свойствами с возможностью их регулирования за счет толщины, что делает их незаменимыми для локальной защиты ЭКБ;

- покрытие обладает антистатическими свойствами (ρv<10⁶ Ом*м);

- покрытие удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 50109-92 по газовыделению, предъявляемым к материалам космического назначения.

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к терморегулирующим покрытиям класса «солнечные отражатели». Радиационно-защитное терморегулирующее покрытие включает верхний слой покрытия, содержащий в качестве связующего водный раствор литиевого жидкого стекла, наполнители BaSO₄, Ва(AlO₂)₂, и нижний слой покрытия, состоящий из водного раствора литиевого жидкого стекла и наполнителей - порошок Bi₂O₃ и порошок BaWO₄. Изобретение обеспечивает исключение отказов радиоэлектронного оборудования на космических аппаратах, а также максимальный срок активного существования и надежность космических аппаратов при минимальных габаритно-массовых характеристиках. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.

1. Радиационно-защитное терморегулирующее покрытие, включающее верхний слой покрытия, содержащее в качестве связующего водный раствор литиевого жидкого стекла, наполнители BaSO₄, Ва(AlO₂)₂, отличающееся тем, что дополнительно содержит нижний слой покрытия, состоящий из водного раствора литиевого жидкого стекла и наполнителей порошок Bi₂O₃ и порошок BaWO₄, в массовых частях:
Нижний слой:
Водный раствор жидкого литиевого стекла 4,97-9,379 BaWO₄ 12,85-20,59 Bi₂O₃ 61,77-65,77 H₂O 8,236-16,93

2. Радиационно-защитное терморегулирующее покрытие по п. 1, отличающееся тем, что водный раствор литиевого жидкого стекла с модулем 2,4-3,2, порошок Bi₂O₃ со сферическими частицами размером 20-40 мкм, порошок BaWO₄ с частицами хлопьевидной формы размером 5-7 мкм.