ЭКРАННО-ВАКУУМНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ БАКА КРИОГЕННОЙ ЁМКОСТИ Российский патент 2025 года по МПК B64G1/58 F16L59/07 F17C3/04 

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

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция, которая наносится на бак криогенной емкости путем намотки экранно-вакуумной теплоизоляции, состоящей из узких лент экранного и прокладочного материала (см. A.M. Архаров и др. «Криогенные системы». М.: Машиностроение. 1987. с. 488, 489 и М.Г. Каганер «Теплообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях». Москва. «Энергия». 1979. стр. 211. - Аналоги).

Известна конструкция экранно-вакуумной теплоизоляции поверхности бака криогенной емкости, в состав которой входят пакеты теплоизоляции, образующие маты. Стыки пакетов перекрыты экранами, пакеты крепятся друг к другу и к поверхности бака криогенной емкости с помощью нескольких застежек. Семь внешних слоев пакетов мата обшиты (Изд. Российской Академии наук. «Энергетика». 2003. №4. с. 38; Изд. Российской Академии наук. «Энергетика». 2012. №2. с. 63. - Аналог).

К недостаткам аналога следует отнести:

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

- не предусмотрено крепление слоев между собой;

- установку экранно-вакуумной теплоизоляции на бак необходимо проводить с большим перекрытием слоев, что снижает эффективность тепловой защиты в целом;

- для получения хороших теплозащитных характеристик теплозащиты, она должна повторять форму теплоизоляционной поверхности.

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция бака криогенной емкости, включающая маты, в состав каждого из которых входит, по крайней мере два пакета, каждый пакет состоит из слоев экранного материала, при этом слои экранного материала, перфорированные и гофрированные, размещены в качестве внешних слоев каждого мата, а стыки пакетов в матах смещены друг относительно друга и зазоры в стыках пакетов перекрыты дополнительными слоями экранного материала, причем пакеты матов скреплены кнопками (патент RU 2384492 С2 МПК B64G 1/58 (2006.01) F16L 59/07 (2006.01)) - прототип.

Недостатками прототипа является то, что:

- внешние слои каждого экранно-вакуумного мата выполнены формованными на металлической сетке, что при сборке матов, кантовке бака криогенной емкости, транспортировке приводит к их истиранию, деградации и ухудшению теплозащитных характеристик теплоизоляционного мата;

- отсутствие обшивочного материала соединения матов и соединения пакетов мата со стороны стенки бака криогенной емкости при транспортировке приводит к смещению, увеличению зазора и ухудшению теплозащитных характеристик мата;

- отсутствует защитная ткань со стороны стенки бака криогенной емкости, что увеличивает истирание внешних слоев пакета мата со стороны стенки бака о неровности, вызванные, например, химфрезерованием стенки бака и пр., деградацию и ухудшение теплозащитных характеристик мата;

- отсутствие прокладочного материала между пакетами матов приводит к непосредственному касанию слоев экранного материала, что уменьшает термическое сопротивление и ухудшает теплозащитные характеристики мата;

- только пакеты матов скреплены кнопками, толщина мата целиком не зафиксирована. При транспортировке, кантовании криогенной емкости возможно изменение толщины мата как в сторону уменьшения под действием сил гравитации и перегрузки при выведении космического объекта на ракете-носителе, так и в сторону увеличения, возникающего при кантовке и пр., это в целом также ухудшает теплозащитные характеристики мата.

Задачей изобретения является при создании стабильной конструкции экранно-вакуумной теплоизоляции бака криогенной емкости ракетного космического разгонного блока улучшение теплофизических и теплозащитных характеристик и расширение функциональных возможностей.

Задача решается за счет того, в экранно-вакуумной теплоизоляции бака криогенной емкости, включающей маты, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета, каждый пакет состоит из слоев экранного материала и прокладочного материала между слоями экранного материала, при этом слои экранного материала, размещены в качестве внешних слоев каждого мата, а стыки пакетов в матах смещены друг относительно друга и зазоры в стыках перекрыты дополнительными слоями экранного материала, причем пакеты матов скреплены кнопками, в отличие от прототипа внешние слои пакетов каждого экранно-вакуумного мата выполнены плоскими, пакеты между собой переложены прокладочным материалом, не менее трех слоев пакета мата со стороны стенки бака криогенной емкости по контуру обшиты обшивочной лентой, при этом по стыкам пакетов обшивочные ленты соединены между собой сшивками, на поверхности пакетов мата со стороны стенки бака криогенной емкости уложена защитная ткань, а защитная ткань, пакеты мата, прокладочный материал скреплены фиксирующими кнопками.

Результатом является создание стабильной конструкции экранно-вакуумной теплоизоляции бака криогенной емкости ракетного космического разгонного блока, сохраняющей свои геометрические размеры, заложенные в проектной документации, расширение функциональных возможностей заключающееся в том, что теплофизические и теплозащитные характеристики сохраняются в ходе эксплуатации бака криогенной емкости ракетного космического разгонного блока в ходе ее изготовления, работ в наземных условиях, на этапе выведения в космическое пространство в составе ракеты-носителя и эксплуатации в космических условиях и обеспечивающей расчетный тепловой поток к жидкому криогенному компоненту топлива в баке криогенной емкости.

Сущность изобретения заключается в создании стабильной конструкции экранно-вакуумной теплоизоляции, сохраняющей свои геометрические размеры, заложенные в проектной документации, теплофизические и теплозащитные характеристики в ходе эксплуатации бака криогенной емкости ракетного космического разгонного блока при ее изготовлении, работах в наземных условиях, на этапе выведения в космическое пространство в составе ракеты-носителя и эксплуатации в космических условиях.

Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой изображена экранно-вакуумная теплоизоляция бака криогенной емкости.

На фигуре приняты следующие обозначения:

1 - бак криогенной емкости;

2 - защитная ткань;

3 - обшивочная лента;

4 - соединитель;

5 - первый слой экранного материала;

6 - фиксирующая кнопка;

7 - слои экранного материала;

8 - пакеты мата;

9 - прокладочный материал;

10 - последний слой экранного материала;

11 - кнопка.

Экранно-вакуумная теплоизоляция бака криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока включает в себя маты, пакеты матов скреплены кнопками 11, внешние слои 5, 10 каждого экранно-вакуумного мата выполнены плоскими, пакеты 8 между собой переложены прокладочным материалом 9, не менее трех внешних слоев пакета мата 8 со стороны бака криогенной емкости 1 по контуру обшиты обшивочной лентой 3, при этом по стыкам пакетов мата 8 обшивочные ленты 3 соединены между собой соединителем 4, на поверхности пакета мата 8 со стороны стенки бака криогенной емкости 1 уложена защитная ткань 2, при этом защитная ткань 2, пакеты мата 8, прокладочный материал 9 скреплены фиксирующими кнопками 6.

Устройство реализуется следующим образом.

Как показывает практика, такой состав экранно-вакуумной теплоизоляции является наиболее эффективным для хранения криогенных компонентов топлива (например, жидкого кислорода) в баках криогенных емкостей 1 большого объема, в том числе для космических условий, при этом количество слоев в пакетах мата 8 и количество пакетов мата 8 определяется тепловыми расчетами и при экспериментальной отработке, исходя из условий эксплуатации и программы полета космического объекта.

Внешние слои мата 5 и 10, как правило, изготавливаются из более толстого экранного материала, например, толщиной до 20 мкм и обеспечивают защиту мата от истирания при изготовлении матов, монтаже, транспортировке космического разгонного блока, его запуске и функционировании в космическом пространстве: первый слой экранного материала 5 мата о стенку бака криогенной емкости 1, последний слой экранного материала 10 о поверхность гермочехла.

Процесс теплопередачи через экранно-вакуумную теплоизоляцию в общем случае осуществляется тремя видами теплопереноса: теплопроводностью по контактам между слоями экранного материала, теплопроводностью по остаточному газу в объеме изоляции и путем лучистой составляющей между слоями экранного материала.

Для уменьшения контактной составляющей между слоями между ними устанавливается прокладочный материал 9, имеющий, как правило, объемное плетение, что уменьшает количество контактов. Прокладочный материал 9 состоит из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, прокладочный материал стекловуаль ЭВТИ-7 ОСТ92-13 80-83.

Для гарантированной фиксации положения пакетов мата 8 со стороны стенки бака криогенной емкости 1, по результатам испытаний экранно-вакуумной теплоизоляции на крупногабаритном баке, исходя из условий прочности, не менее трех внешних слоев экранного материала 7 пакета каждого мата 8 со стороны бака криогенной емкости 1 обшиты по контуру обшивочной лентой 3, в качестве обшивочной ленты может использоваться лента ЛЭС Гост 5937-81, при этом по стыкам пакетов обшивочные ленты 3 соединены между собой соединителем 4, в качестве которого может быть использовано кремнеземная нить, ТУ 23.14.11-241-18087444-2018, а для уменьшения истирания первого слоя экранного материала 5 о неровности поверхности бака криогенной емкости 1, уложена защитная ткань 2, например, стеклоткань (защитная ткань стеклянная, например Э2-62 ГОСТ19907-2015). Для фиксации толщины мата в ходе эксплуатации бака криогенной емкости 1, защитная ткань 2, пакеты мата 8, прокладочный материал 9 скреплены фиксирующими кнопками 6.

Работоспособность экранно-вакуумной теплоизоляции бака криогенной емкости 1 космического разгонного блока и ее защитные характеристики обеспечиваются за счет того, что экранно-вакуумная теплоизоляции состоит из матов, внешние слои пакетов каждого экранно-вакуумного мата 5, 10 выполнены плоскими, пакеты между собой переложены прокладочным материалом 9, не менее трех внешних слоев экранного материала 7 пакета мата 5 со стороны стенки бака криогенной емкости 1 по контуру обшиты обшивочной лентой 3, при этом по стыкам пакетов обшивочные ленты 3 соединены между собой соединителями 4, на поверхности пакетов мата 5 со стороны стенки бака криогенной емкости 1 уложена защитная ткань 2, при этом защитная ткань 2, пакеты мата 8, прокладочный материал 9 скреплены фиксирующими кнопками 6.

Для уменьшения теплового потока через конструкцию фиксирующих кнопок они, как правило, выполняются из низкотеплопроводного материала.

Изобретение относится к криогенной и ракетно-космической технике, в частности к теплоизоляции поверхности баков криогенных емкостей. Экранно-вакуумная теплоизоляция бака криогенной емкости включает маты, состоящие из пакетов со слоями экранного и прокладочного материала. Внешние слои пакетов плоские, стыки смещены и перекрыты дополнительными экранными слоями. Пакеты скреплены кнопками, переложены прокладочным материалом и обшиты лентой по контуру. На стороне бака уложена защитная ткань, скрепленная с пакетами и прокладочным материалом фиксирующими кнопками. Достигается улучшение теплофизических и теплозащитных характеристик. 1 ил.

Экранно-вакуумная теплоизоляция бака криогенной емкости, включающая маты, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета, каждый пакет состоит из слоев экранного материала и прокладочного материала между слоями экранного материала, при этом слои экранного материала размещены в качестве внешних слоев каждого мата, а стыки пакетов в матах смещены друг относительно друга и зазоры в стыках перекрыты дополнительными слоями экранного материала, причем пакеты матов скреплены кнопками, отличающееся тем, что внешние слои пакетов каждого экранно-вакуумного мата выполнены плоскими, пакеты между собой переложены прокладочным материалом, не менее трех слоев пакета мата со стороны стенки бака криогенной емкости по контуру обшиты обшивочной лентой, при этом по стыкам пакетов обшивочные ленты скреплены между собой соединителем, на поверхности пакетов мата со стороны стенки бака криогенной емкости уложена защитная ткань, при этом защитная ткань, пакеты мата, прокладочный материал скреплены фиксирующими кнопками.