Экранно-вакуумная теплоизоляция

Средствами регулирования внешнего теплообмена являются и мероприятия, сводящие к минимуму теплообмен поверхности с окружающим пространством: нанесение покрытий с минимальными значениями коэффициентов A_S и e, экранирование поверхности или защиту ее изоляцией. При установке над поверхностью нескольких экранов с одинаковой степенью черноты тепловой поток, излучаемый поверхностью в космическое пространство (при отсутствии внешнего теплового потока), уменьшается в n+1 раз, где n – число экранов.

Стремление к созданию конструкции с максимальным числом экранов при их минимальной массе привело к появлению экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) – пакета экранов, выполненных из фольги или металлизированной пленки толщиной 5÷10 мкм, переложенных для уменьшения контактов между ними стекловуалью или стеклосеткой. Возможно применение пакетов экранов и без прокладок между ними, но в этом случае экраны имеют рифление, обеспечивающее точечные контакты между ними. Свойства ЭВТИ существенно зависят от температуры, так как основной теплообмен в ней осуществляется излучением; ее достоинством по сравнению с другими видами изоляции являются малые массовые затраты в вакууме на единицу термического сопротивления (в 5÷10 раз меньше, чем у пористых изоляционных материалов).

Экранно-вакуумная теплоизоляция состоит из матов, в состав каждого из которых входит два пакета. Пакет состоит из чередующихся слоев экранного материала и прокладочного материала. Два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев каждого мата. Зазоры в стыках пакетов перекрыты дополнительными слоями экранного материала. Способ изготовления экранно-вакуумной теплоизоляции включает изготовление матов в виде чередующихся слоев экранного и прокладочного материала. Пакеты экранно-вакуумной теплоизоляции изготавливают по шаблонам и устанавливают на имитатор теплоизолируемой поверхности криогенной емкости. Слои в пакетах скрепляют между собой кнопками. Из пакетов собирают маты. Не менее трех верхних слоев каждого мата обшивают по контуру тканью. Стыки пакетов в матах смещают друг относительно друга. Маты укладывают друг относительно друга с перекрытием пакетов и соединяют между собой.

Рисунок 4.1 Строение мата ЭВТИ.

На рисунке 4.1 схематично представлен состав мата экранно-вакуумной теплоизоляции, где:

1. криогенная емкость;

2. первый слой экранного материала;

3. пакеты;

4. слои экранного материала;

5. слои прокладочного материала;

6. последний слой экранного материала;

7. кнопки;

8. ткань;

9. стыки пакетов;

10. дополнительные слои экранного материала.

Экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока состоит из матов, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета 3, причем каждый пакет 3 состоит из чередующихся слоев экранного материала 4 и прокладочного материала 5, кроме того, два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев 2 и 6 экранного материала каждого мата, зазоры в стыках пакетов 9 перекрыты дополнительными слоями экранного материала 10. Как показывает практика, такой состав экранно-вакуумной теплоизоляции является наиболее оптимальным для эффективного хранения криогенных компонентов (например, жидкого кислорода) в криогенных емкостях большого объема, в том числе для космических условий, при этом количество слоев в пакетах 3 и количество пакетов 3 в матах определяется тепловым расчетом, исходя из условий эксплуатации изделия [6].

Экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока работает следующим образом. В процессе полета ракеты с падением атмосферного давления газ, находящийся в межслойных пространствах экранно-вакуумной теплоизоляции, выходит из экранно-вакуумной теплоизоляции за счет наличия перфорации в слоях экранного материала 4 и прокладочного материала 5 и при достижении давления ниже 10-4 мм рт.ст. процесс вакуумирования становится близким к стационарному, в результате чего экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 готова выполнять свои функции по обеспечению температурного режима криогенного компонента в космических условиях.

Рисунок 4.2 Отражение излучения

Снижение плотности теплового потока на защищаемый ЭВТИ объект и с защищаемого объекта в пространство производится за счет прохождения излучения через набор последовательно расположенных экранов. Проходя через экраны, излучение частично отражается, частично поглощается, вызывая нагрев экрана, который сам становится источником излучения (рис 4.2). Увеличивая количество экранов на пути излучения, можно увеличить долю отраженного излучения и снизить долю проходящего.

Выбор материала экранов зависит от температурных условий эксплуатации:

≤ 150°С – экраны из полиэтилентерефталатной пленки (ПЭТ или ПЭТФ) толщиной 5 и 12 мкм с напылением из алюминия с одной или с двух сторон; марки А, Б, В, Л, К, ПК, ПЛ, РЛ;

≤ 300°С – экраны из полиимидной пленки (ПМ) толщиной 12, 16 и 20 мкм с напылением из алюминия с одной или с двух сторон; марки И, ИФ;

≤ 500°С – экраны из алюминиевой фольги толщиной 10 и 20 мкм; марки Г, Д;

> 500°С – экраны из никелевой фольги толщиной 5…8 мкм (сплав НВ3В); марка Е.

Так как излучение поверхности КА и собственное излучение Земли, воздействующее на КА, находятся в одинаковом диапазоне длин волн, то согласно закону Кирхгофа степень черноты поверхности КА равна коэффициенту поглощения собственного излучения Земли. Поэтому степень черноты определяет, с одной стороны, излучательную способность поверхности, а с другой, поглощательную способность поверхности по отношению к собственному тепловому потоку Земли.

С металлизированной стороны экран имеет A_S = 0,1…0,2 – коэффициент поглощения солнечной радиации (определяет поглощательную способность прямого и отраженного от Земли солнечного излучения) и ε = 0,05…0,08 – степень черноты (определяет излучательную способность и поглощательную способность по отношению к собственному тепловому потоку Земли).

Чтобы обеспечить межэкранный зазор, исключающий склеивание экранов, между экранами устанавливаются прокладкиразделители. В качестве прокладок применяют стекловолокнистый холст ХСВН-7, холст из штапельного кварцевого волокна ХВК (при t > 450°С), полотно трикотажное основовязаное. Толщина прокладок 50...60 мкм. Если экраны выполняют рифлеными (гофрированными), то допускается использование их без прокладок. Для получения необходимых тепловых оптических характеристик ЭВТИ (Аs и ε) и обеспечения достаточной эксплуатационной стойкости в космическом пространстве наружную (и внутреннюю) поверхность ЭВТИ обшивают облицовочным слоем, в качестве которого применяются материалы с определенным значением соотношения As /ε:

· ткань стеклянная оптического назначения марки ТСОН с отношением оптических коэффициентов As /ε = 1,54 (или 0,91);

· ткань техническая аримидная с отношением As /ε =1,46;

· угольная ткань УТМ-8 с отношением As /ε = 1,03.

Особенности применения пакетов ЭВТИ и технические требования к ним определяются отраслевыми стандартами, разработанными ЦНИИМаш: ОСТ 92-1380-83 «ЭВТИ. Марки и технические требования»; ОСТ 92-1381-83 «ЭВТИ. Типовые технологические процессы».

Для стационарного теплового состояния плотность теплового потока через ЭВТИ q_э может быть определена из уравнения лучистого теплообмена:

где e_пр – приведенная степень черноты, определяемая соотношением

Отношение плотности теплового потока через ЭВТИ к плотности теплового потока в отсутствие ЭВТИ (q0), определяющее эффективность ЭВТИ:

Как следует из полученного соотношения, эффективность ЭВТИ повышается с увеличением числа слоев и уменьшением степени черноты экранов.

Удельное термическое сопротивление ЭВТИ

Применяемые в настоящее время в космической технике пакеты ЭВТИ имеют R^э_уд 50...250 К*м/Вт² и могут использоваться в широком диапазоне изменения температур элементов конструкции T = 4...1273 K.

К расчетным параметрам экранно-вакуумной теплоизоляции, применяемой в условиях, отличных от космических, относятся давление вакуумирования пространства ЭВТИ, количество экранов, степень их черноты. Наиболее сложной проблемой при выборе расчетных параметров пакета ЭВТИ в этих случаях является определение давления вакуумирования – p_вак, которое обеспечивало бы (наряду с другими расчетными параметрами) требуемое значение удельного термического сопротивления. Принято считать верхней границей свободномолекулярного режима теплообмена давление p_вак=10^-1 Па. Однако эта оценка относится к условиям теплообмена тел, обладающих значительными размерами (десятки сантиметров или метров). В каждом конкретном случае эта гипотеза нуждается в экспериментальном подтверждении путем проведения тепловакуумных испытаний.

Марки ЭВТИ для изделий ракетно-космической техники, технические требования, типовые технологические процессы и требования к защите от статического электричества приведены в отраслевых нормативных документах: ОСТ 92-1480-78; ОСТ 92-1380-83; ОСТ 92-1381-83.

Принцип работы утеплителей — обездвиживание воздуха в отдельных камерах, которые создают частицы материала для уменьшения теплопроводности. Пример — рыхлая среда, создаваемая волокнами, аналог птичьих перьев, шерсти животных, еловых и лиственных ветвей. Современные утеплители можно разделить на четыре большие группы: минеральная вата в виде плит и матов, полимерные, засыпные, пенные. Наземная теплоизоляция не нуждается в создании вакуума в изоляционной полости, её теплопроводность выше в 4-6 раз или более. Также в экранно-вакуумной теплоизоляции не стоит вопрос переноса тепла, обусловленного конвекцией и теплопроводностью воздуха.

Уменьшение лучистого теплообмена между двумя поверхностями может быть достигнуто путем установки между ними непрозрачных тепловых экранов.

Рассмотрим случай, когда между плоскостями помещено n параллельных экранов с одинаковой степенью черноты. Приведенная степень черноты таких экранов равна

где E₀ – приведенная степень черноты системы, включающей граничную поверхность и соседний экран, Е_э – приведенная степень черноты системы из двух соседних экранов.