Двухслойное теплозащитное покрытие из композиционных материалов для защиты металлических конструкций планеров гиперзвуковых летательных аппаратов Российский патент 2021 года по МПК B64G1/58 F42B15/34 

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике и может быть использовано для наружной тепловой защиты элементов гиперзвуковых летательных аппаратов в условиях аэродинамического нагрева и высоких скоростных потоков.

Одним из вариантов обеспечения тепловой защиты является нанесение на защищаемую поверхность теплозащитного покрытия в виде слоя композиционного материала, содержащего разлагаемый наполнитель (см. патент РФ №2400396 «Способ тепловой защиты передней кромки летательного аппарата» МПК В64С 1/38, опубл. 27.09.2010 г. Бюл. №27), однако такое покрытие не позволяет решить проблему снижения массы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является патент РФ №2249785 «Активное теплозащитное покрытие динамического объекта от поражающих потоков большой плотности» (МПК F42B 12/76, B64G 1/58, В32В 15/16, опубл. 10.04.2005 г. Бюл. №10), которое выполнено из разнородных по материалу слоев, включающих микробаллоны с инертным газом под давлением, армирующей сетки из базальтового волокна и сминаемой сотовой структуры из медной фольги. Теплозащитное покрытие состоит из трех слоев, внешний слой выполнен из герметика, наполненного микробаллонами, среднего слоя, выполненного в виде абляционного покрытия с микробаллонами, армированного сеткой базальтового волокна и нижнего слоя, выполненного в виде сотовой структуры из медной фольги.

Известное техническое решение, принятое за прототип, обеспечивает термоударную защиту объекта в случае воздействия теплового или рентгеновского излучения высокой энергии или потока микрочастиц.

Из описания прототипа следует, что главной целью покрытия является защита головной части от поражающих высокоэнергетических факторов, а не обеспечение заданного теплового режима внутри изделия при его работе по прямому назначению. Именно для демпфирования возможного удара применяются соты из меди. Однако медь имеет большую плотность (8,92 г/см³) и теплопроводность, что приводит к большой массе теплозащитной системы и снижает ее эффективность при длительном полете с гиперзвуковыми скоростями в атмосфере - по мере разрушения абляционных слоев сотовая медная структура быстро прогреется и начнет нагревать корпус изделия, что может привести как к потере механической прочности корпуса, так и к отказу оборудования при росте температуры внутри отсеков.

Предлагаемое изобретение направлено на решение следующей задачи - обеспечение температурного режима работоспособности несущей конструкции и оборудования изделия во время работы изделия по прямому назначению в условиях интенсивного аэродинамического нагрева и высоких скоростных потоков при минимально возможной массе теплозащитной системы.

Минимальная масса теплозащитной системы позволяет увеличить полезную нагрузку или количество топлива, что приведет к увеличению времени работы изделия или его эффективности при применении.

Поставленная задача решается применением многослойной теплозащитной системы, состоящей из внутреннего теплоизоляционного слоя низкой плотности (0,54 г/см³) - кремнийорганический полимерный композиционный материал с тугоплавким наполнителем из стеклянных газонаполненных микросфер - и наружного эрозионно стойкого абляционного теплозащитного материала (плотность 1,7 г/см³), состоящего из полимерного связующего и двух видов тугоплавких наполнителей - кремнеземной ткани объемного плетения и мелкодисперсного порошка оксида алюминия. Абляционный эрозионно стойкий теплозащитный материал защищает теплоизолирующий слой от воздействия высокотемпературного потока, возникающего в условиях интенсивного аэродинамического нагрева и высоких скоростных напоров при работе изделия в плотных слоях атмосферы.

Разделение теплозащитного покрытия на теплоизолирующий материал из кремнийорганической смолы с микросферами, заполненными воздухом, и эрозионно стойкий абляционный материал позволило уменьшить общую массу теплозащитного покрытия при уменьшении общей теплопроводности.

На фиг. 1 представлена схема двухслойного теплозащитного покрытия, где 1 - защищаемая поверхность (металлический корпус изделия), 2 - теплоизолирующий материал из кремнийорганического связующего с высокими теплоизолирующими свойствами, 3 – эрозионно стойкий абляционный армированный теплозащитный материал.

При полете изделия в плотных слоях атмосферы на элементы гиперзвуковых летательных аппаратов с внешней стороны действуют интенсивные тепловые аэродинамические нагрузки. Под действием этих нагрузок происходит абляция (деструкция) связующего в материале наружной тепловой защиты 3, что сопровождается обменом массой с окружающей средой, поглощением теплоты. Слой теплоизолирующего материала 2 снижает скорость распространение теплового фронта к металлическому корпусу 1 и существенно увеличивает время работы изделия, обеспечивая температурный режим работоспособности несущей конструкции и оборудования изделия.

Промышленная применимость заявляемого изобретения подтверждена при испытаниях образцов наружной тепловой защиты изделий на плазмотроне и аэродинамической трубе с моделированием натурных тепловых потоков, а также успешными летными испытаниями.

Изобретение относится к ракетной технике, а более конкретно к тепловой защите. Двухслойное теплозащитное покрытие из композиционных материалов для защиты металлических конструкций планеров гиперзвуковых летательных аппаратов имеет один абляционный слой. Абляционный слой выполнен эрозионно стойким. Внутренний теплоизоляционный слой выполнен из полимерного кремнийорганического связующего с наполнителем из стеклянных газонаполненных микросфер. Наружный эрозионно стойкий абляционный слой выполнен из кремнеземной ткани объемного плетения, пропитанной полимерным связующим, наполненным тугоплавкими частицами оксида алюминия. Достигается увеличение времени работы изделия. 1 ил.

Двухслойное теплозащитное покрытие из композиционных материалов для защиты металлических конструкций планеров гиперзвуковых летательных аппаратов, один из слоев которого является абляционным, отличающееся тем, что абляционный слой выполнен эрозионно стойким из кремнеземной ткани объемного плетения, пропитанной полимерным связующим, наполненным тугоплавкими частицами оксида алюминия, а второй слой, теплоизоляционный, выполнен из полимерного кремнийорганического связующего с наполнителем из стеклянных газонаполненных микросфер.