КРЫЛО ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Советский патент 2007 года по МПК B64C3/36 

Предлагаемое изобретение относится к области авиационно-космической техники и может быть использовано для уменьшения эффектов аэродинамического нагрева крыльев воздушно-космических летательных аппаратов (ВКЛА), совершающих полеты в плотных слоях атмосферы, в частности малоразмерных ВКЛА.

Известна конструкция крыла ВКЛА, включающая в себя внешнюю тепловую защиту, выполненную из суперлегких кварцевых плиток с наружным покрытием высокой степени черноты и примыкающей к ним подложки-компенсатора температурных напряжений, которая посредством клеевого соединения устанавливается на обшивку крыла, подкрепленную силовым набором, см., например: Korb L.I., Morant C.A., Calland R.M., Thatcher C.S. "The shuttle orbiter thermal protection system." Ceramic Bulletin, 1981, v.60, N11, p.1188-1193.

В данном устройстве обеспечение требуемого температурного режима обшивки и силового набора ВКЛА осуществляется выбором толщины кварцевых плиток для определеной траектории полета, для траекторий с более высоким уровнем аэродинамического нагрева или большей продолжительностью полета, это ставит перед необходимостью существенного увеличения потребной толщины, а, следовательно, и массы тепловой защиты. Что исключает возможность применения подобного устройства на малоразмерных ВКЛА, так как потребная толщина кварцевых плиток становится соизмеримой, а для определенных траекторий даже больше теоретических обводов тонкопрофильных крыльев подобных ВКЛА.

Известна также комбинированная тепловая защита ВКЛА, описанная в статье Bridges I.H., Richmond F.D. "Design consideration for a reentry vehicle thermal protection system", in "Technology of Lunar exploration", New-York-London, Academic Press, 1963, p.761-782.

Конструкция этого устройства включает внешнюю тепловую защиту, состоящую из внешнего радиационного щита, выполненного из тугоплавкого металла высокой степени черноты, и примыкающего к щиту слоя изолятора для уменьшения теплового потока к обшивке и силовому набору ВКЛА. На внутреннюю поверхность изолятора устанавливается защитный барьер, необходимый для исключения проникновения водяного пара в слой изолятора. Внешняя тепловая защита с защитным барьером крепится посредством консолей паралельно внешней поверхности обшивки, образуя с ней плоский канал. На внешнюю поверхность обшивки устанавливается специальный материал "Термосорб", представляющий собой водосодержащий гель, заключенный в пластмассовый контейнер. Материал "Термосорб" предназначен для уменьшения аэродинамического нагрева обшивки и силового набора ВКЛА путем отвода от них тепла в процессе фазовых переходов воды, содержащейся в геле. Отвод образующегося водяного пара в атмосферу осуществляется посредством канала, образованного защитным барьером и открытой поверхностью материала "Термосорб". Использование дополнительного отвода тепла от силовой конструкции в процессе фазовых переходов воды в материале "Термосорб" позволяет уменьшить потребную толщину внешней тепловой защиты.

Недостатком устройства является то, что канал для отвода пара находится между внешней тепловой защитой и обшивкой ВКЛА. Это ставит перед необходимостью использования в конструкции защитного барьера. В противном случае проникновение пара в слой внешней изоляции, представляющей обычно дисперсный материал, может привести не только к ухудшению теплофизических характеристик изоляции, но и ее разрушению при полете на больших высотах, вследствие замерзания влаги. Кроме того, наличие перед обшивкой зазора, заполненного паром хладагента, с одной стороны, несомненно приводит к снижению теплоподвода к обшивке ВКЛА, однако, с другой - существенно ухудшает отвод тепла от защитного барьера, который выполняет функцию конструкционного несущего элемента для внешней тепловой защиты, и, следовательно, должен быть выполнен из жаропрочного конструкционного материала. Фактически защитный барьер с консолями представляет собой дополнительную неохлаждаемую обшивку со своим силовым набором, что приводит к усложнению устройства, увеличению массы и ухудшению его теплозащитных характеристик. Другим недостатком устройства является использование для охлаждения обшивки материала "Термосорб", представляющего собой водосодержащий гель, заключенный в пластмассовый контейнер, который предохраняет воду от испарения при хранении, а при воздействии повышенной температуры расплавляется, обеспечивая отвод образующихся паров. Это ставит перед необходимостью частой замены материала "Термосорб", что в рассматриваемом устройстве связано с демонтажом конструкции, а это существенно затрудняет возможность использования подобного устройства для охлаждения значительных по площади элементов обшивки ВКЛА, например в конструкции крыльев ВКЛА.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и улучшение характеристик тепловой защиты.

Эта цель достигается тем, что в известной конструкции крыла ВКЛА с комбинированной тепловой защитой, содержащей обшивку, подкрепленную силовым набором, и внешнюю тепловую защиту, выполненную из кварцевых плиток с внешним радиационным покрытием, и прилегающей к ним подложки-компенсатора, установленной на обшивке, на внутренних поверхностях отсеков, образованных обшивкой и силовым набором, установлен капиллярно-пористый материал, а верхняя поверхность крыла в зоне упомянутых отсеков снабжена пароотводящими штуцерами, один торец которых выполнен заподлицо с поверхностью внешней тепловой защиты, а другой - с открытой поверхностью капиллярно-пористого материала. Увлажнение капиллярно-пористого материала осуществляется дозированной подачей жидкого хладагента (дистиллированной воды) через штуцера.

Тепловая защита подобного крыла обеспечивается уменьшением теплового потока к обшивке и силовой конструкции путем его излучения в окружающее пространство внешним радиационным покрытием и частичным блокированием тепла слоем теплозащитной плитки, а также отводом тепла от обшивки и силового набора вследствие фазовых переходов воды-льда в капиллярно-пористом материале. Установка капиллярно-пористого материала непосредственно на внутренней поверхности отсеков, образованных обшивкой и стенками силового набора крыла, исключает необходимость в защитном барьере, а также в специальном канале для сбора и отвода пара. Эту функцию выполняют стенки силового набора, обшивка и пароотводящие штуцера, которые соединяют внутренний объем крыла с атмосферой, что обеспечивает упрощение конструкции и улучшение характеристик тепловой защиты.

На фиг.1 изображен общий вид предложенной конструкции крыла ВКЛА с комбинированной тепловой защитой. На фиг.2 представлены температурные режимы работы крыла, полученные в процессе летных испытаний.

Предлагаемое крыло включает обшивку 1, силовой набор 2. Внешняя тепловая защита несущей и верхней поверхности крыла выполнены на основе кварцевых плиток 3, например, из материала ТЗМК-10 с внешним радиационным покрытием, например ЭВЧ. В качестве демпфирующей подложки-компенсатора тепловых напряжений 4 может быть использован синтетический фетр ATM-15. На внутреннюю поверхность каждого отсека, образованного обшивкой и стенками продольного и поперечного силового набора крыла, устанавливается посредством клеевого соединения капиллярно-пористый материал 5, например технический пенополивинил-формаль (ТПВФ). Толщина материала ТПВФ, например для изделий с траекторией полета аналогичной ВКЛА "Спейс Шаттл", составляет 2÷3,5 мм. Внутренняя полость крыла с верхней, наименее подверженной нагреву стороны соединяется с атмосферой посредством штуцеров. Каждый штуцер 6 представляет собой цилиндрическую трубку, установленную без зазора в сквозное отверстие во внешней теплозащитной плитке 3 и обшивке крыла 1 между элементами силового набора 2 и слое капиллярно-пористого материала 5. Крепление штуцера 6 может быть осуществлено с помощью фланца на внутренней обшивке крыла. Штуцер 6 выполняется из жаропрочного металла, например титана. Это необходимо для того, чтобы в течение полета на орбитальном участке траектории температура штуцера не снижалась ниже температуры обшивки крыла, охлаждаемой в процессе сублимации льда в капиллярно-пористом материале, иначе может произойти конденсация водяного пара внутри штуцера и закупорка пароотводящего канала. Существенное значение на температурный режим обшивки крыла имеет выбор внутреннего диаметра штуцера и общее их число. В процессе экспериментальных исследований было определено, что площадь поперечного сечения пароотводящих каналов штуцеров должна составлять 0,8÷1,2 см² на 1 м² поверхности крыла. Более высокая площадь пароотводящих каналов может привести к чрезмерному захолаживанию обшивки и силового набора крыла на орбитальном участке полета, а меньшая - к ее перегреву выше допустимой для дюралевых сплавов (имеющих преимущественное использование в авиационно-космической технике) температуры 170°С на атмосферном участке полета. Крепление элементов тепловой защиты крыла может быть выполнено с помощью клея "Эластосил 137-175М".

Комбинированная тепловая защита крыла работает следующим образом. В период предполетной подготовки через штуцера 6 во внутренний объем крыла подается дистиллированная вода в количестве, определяемом предполагаемым уровнем аэродинамического нагрева и продолжительностью полета. Под действием капиллярных сил вода впитывается и равномерно распределяется в капиллярно-пористом материале 5. На участке выведения изделия, с высоты полета 25÷30 км, в капиллярно-пористом материале 5 начинается процесс кипения воды при пониженном давлении, сопровождающийся поглощением тепла и постепенным захолаживанием конструкции крыла, которое на орбитальном участке полета приводит к образованию льда в капиллярно-пористом материале. Во время полета на атмосферном участке тепловой поток, поступающий из пограничного слоя к крылу, частично излучается в окружающее пространство и блокируется слоем теплозащитной плитки 3, а также отводится от обшивки 1 и силового набора 2 крыла вследствие испарения воды-льда в капиллярно-пористом материале.

На фиг.2 кривые 1 и 2 изображают зависимость температуры наружного слоя кварцевых плиток несущей и верхней поверхности крыла при полете экспериментального ВКЛА на атмосферном участке. Кривые 3 и 4 - температура обшивки и силового набора крыла при наличии и отсутствии дополнительного отвода тепла вследствие испарения воды-льда в капиллярно-пористом материале.

Как следует из представленных данных, наличие дополнительного отвода тепла от обшивки и силового набора, обусловленного процессами испарения воды-льда в капиллярно-пористом материале, обеспечивает снижение температуры конструкции крыла под теплозащитными плитками на 100÷120°С до допустимого для дюралевых сплавов уровня нагрева не более 170°С.

Летные исследования показали, что при использовании в качестве внешней тепловой защиты наиболее перспективного в настоящее время материала - кварцевых плиток, наличие дополнительного отвода тепла от обшивки и силовой конструкции обеспечивает снижение температуры, эквивалентное увеличению толщины и массы внешней тепловой защиты на 30÷40% с учетом веса хладагента (дистиллированной воды).

Кроме того, установка капиллярно-пористого материала непосредственно на внутренней поверхности отсеков, образованных обшивкой и стенками силового набора крыла, исключает необходимость в защитном барьере, препятствующем проникновению влаги во внешнюю тепловую защиту, а также в специальном канале для отвода пара, что обеспечивает упрощение конструкции и улучшение характеристик тепловой защиты.

Изобретение относится к области авиационной техники. Крыло содержит обшивку с поперечным и продольным силовым набором. Предусмотрена внешняя тепловая защита, выполненная на основе кварцевых плиток, снабженных внешним радиационным покрытием и установленных на обшивке на компенсирующей подложке. Крыло снабжено покрытием из капиллярно-пористого материала, который размещен на внутренних поверхностях отсеков, образованных обшивкой и силовым набором. Имеются пароотводящие штуцера, сообщающие отсеки с верхней поверхностью крыла. Технический результат - улучшение тепловой защиты. 2 ил.

Крыло воздушно-космического летательного аппарата, содержащее обшивку с поперечным и продольным силовым набором и внешнюю тепловую защиту, выполненную на основе кварцевых плиток, установленных на обшивке на компенсирующий подложке и снабженных внешним радиационным покрытием, отличающееся тем, что, с целью улучшения характеристик тепловой защиты, а также уменьшения габаритов и веса крыла, оно снабжено покрытием из капиллярно-пористого материала, размещенным на внутренних поверхностях отсеков, образованных обшивкой и силовым набором, и пароотводящими штуцерами, сообщающими указанные отсеки с верхней поверхностью крыла.