[1]Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники, в частности, к терморегулирующим материалам, предназначенным для использования в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов, например, для тепловой защиты приборов и оборудования космических аппаратов.
[2]Кроме того, предлагаемое техническое решение может быть использовано в качестве теплозащитного и терморегулирующего материала в герметичном отвакуумированном объеме.
[3]На космические объекты (КО), летающие как на околоземных, так и на геостационарных орбитах воздействуют ряд негативных факторов, мешающих нормальному функционированию бортовых систем и аппаратуры, а также безопасности работы экипажа, что выдвигает целый ряд требований к терморегулирующим материалам:
[4]- электромагнитное излучение (ЭМИ) Солнца требует обеспечения радиационной стойкости материалов защиты;
[5]- на поверхность космических объектов воздействует УФ-излучение, а также горячие газовые потоки работающих ракетных двигателей, отрицательно действующих на корпус КО, аппаратуру и экипаж, в этой связи необходимо поддержание температуры их штатного функционирования;
[6]- на внешнюю поверхность корпуса КО воздействует также корпускулярное излучение - потоки электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ), под их действием на диэлектрических поверхностях КА скапливается неоднородный электростатический заряд, при этом между областями поверхности с разными электрическими потенциалами происходят разряды, вызывающие сбои бортовой электронной аппаратуры и способствующие ухудшению характеристик оптических поверхностей, этот фактор выдвигает свои требования к электропроводности материала защиты;
[7]- внешняя поверхность корпуса КО подвержена негативному воздействию атомарного кислорода, приводящему к деструктивным изменениям поверхности КО, что требует наличия в таком материале защитного слоя;
[8]- терморегулирующий материал должен хорошо работать на «надрыв», т.е. обладать необходимой прочностью;
[9]- еще одним важным свойством должен обладать материал защиты КО - он должен быть легким, т.к. любое увеличение массы уменьшает вес доставляемого на орбиту полезного груза.
[10]- важным требованием к защитному материалу является его гибкость, податливость, т.к. корпус КО имеет сложную конфигурацию;
[11]- терморегулирующее покрытие, используемое в космическом пространстве в условиях вакуума не должно «пылить» и обладать газовыделением, что недопустимо для оптических бортовых устройств.
[12]Известна слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты по патенту России №2087392 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из электропроводящего слоя полупроводника (например, германия) толщиной 5…25·10-8 м., терморегулирующего слоя, подложки полиимидной пленки, промежуточного слоя полиамидной сетки (которая может быть пропитана эпоксидной смолой и вулканизирована), прикрепленной к подложке, и термоотражающего покрытия из полимерного пленочного материала на основе кремния или поливинилфторида.
[13]Недостатками этого покрытия являются легкая повреждаемость тонкого поверхностного слоя при монтаже, недостаточная отражающая способность, а также жесткость, которая не позволяет его применять для КО сложной конфигурации.
[14]Известно многослойное покрытие для работы при криогенных температурах и/или в условиях аэродинамического нагрева по патенту РФ №2298480 (МПК: B64G, 1/58), состоящее из металлической оболочки, антикоррозионного слоя, амортизационного слоя, теплоизоляционного слоя в виде пенопласта, который закреплен сетью с помощью клея, и антистатического покрытия.
[15]Основными недостатками этого покрытия являются очень большой вес и недостаточно высокие теплоизоляционные свойства.
[16]Известен многослойный материал для термического контроля по патенту Великобритании №2062189 (МПК: B64G, 1/58), состоящий из внутреннего и внешнего термически изолирующих слоев, которые могут быть изготовлены гибкими из пластика или жесткими из стекла и промежуточного электропроводящего слоя алюминия или серебра. С внутренней стороны может находиться второй электропроводящий слой из алюминия или серебра.
[17]Недостатки этого материала - низкая прочность, повреждаемость, жесткость.
[18]Известен многослойный материал, состоящий из металлических (не менее двух) и полимерных слоев, содержащий подслой из двух металлических слоев и полимера, усиленного волокнами, описанный в международной заявке (РСТ) WO 2007/061304 (МПК: B64G, 1/58).
[19]Недостатками этого материала являются очень большой вес и недостаточно высокие термоизоляционные свойства из-за плотного контакта слоев металла и полимера, низкая радиационная стойкость.
[20]Известна многослойная изоляция по патенту США №7252890 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из слоев металлизированного алюминием или серебром полимера (полиимида или полиэфира), между которыми расположены слои стекловолокна или нейлона, покрытая с верхней стороны ИК-излучающим материалом (кварц, стекло, нитрид или оксинитрид кремния), затем фотокаталитическим слоем оксида металла и с наружной стороны - электропроводящим слоем оксида индия или олова.
[21]Недостатками этого материала являются недостаточная прочность на надрыв при сшивке теплозащитных матов и легкая повреждаемость и загрязняемость наружного слоя при изготовлении и транспортировке космических аппаратов. Пылевыделение.
[22]Известно многослойное покрытие для матов экранно-вакуумной теплоизоляции космических аппаратов по патенту России №2269146 (МПК: B64G, 1/58), состоящее из подложки с прозрачным электропроводящим многослойным (2 и более слоев) покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием в виде пленки металла на тыльной поверхности.
[23]Недостатки этого материала - очень низкая механическая прочность на надрыв, повреждаемость, загрязняемость.
[24]Известна экранно-вакуумная теплоизоляция по а.с. СССР 1839976 (МПК: B64G, 1/58), содержащая наружный слой стеклоткани или аримидной ткани, дополнительный промежуточный пакет из пяти экранов, изготовленных из металлизированной (первые три слоя с внутренней стороны) полиимидной пленки (четвертый и пятый слои двусторонне металлизированны), промежуточные слои металлизированной полиэтилентерефталатной пленки (повернутые металлизированной отражающей поверхностью внутрь), отделенные друг от друга низкотеплопроводными сепараторами из стекловуали, и внутренний облицовочный слой аримидной ткани.
[25]Недостатками этого решения являются парниковый эффект, значительное пылеворсоотделение облицовочных материалов, негативно влияющее на работу оптического оборудования космических аппаратов. Кроме того, дополнительные промежуточные слои утяжеляют материал, приводя к дополнительным расходам при выводе космических аппаратов на орбиту и снижая долю полезного груза космических аппаратов.
[26]Известна также система теплозащиты спускаемого космического аппарата при движении его в атмосфере по патенту США №6497390 (МПК: B64G, 1/58). Эта система включает гибкий теплоизоляционный мат, пакет из одного или нескольких слоев гибкого тканевого материала, прикрепляемый к мату с помощью клея, кнопок или пуговиц, и размещаемое на наружной поверхности пакета облицовочное покрытие из неорганического материала, обеспечивающее газонепроницаемость теплозащиты.
[27]Недостатки данного материала заключаются в том, что он не гибок, тяжелый, не радиацонностоек.
[28]Известно многослойное покрытие по патенту Франции №2681078 (МПК: B64G, 1/58), содержащее полимерную подложку, на которую нанесен адгезионный слой с последующим нанесением металлического оптического слоя.
[29]Основным недостатком данного аналога является высокая величина отношения коэффициента поглощения солнечного излучения получаемого покрытия к коэффициенту излучения (степени черноты) As/€=2 при требуемом отношении - менее 1,0 для терморегулирующих покрытий класса "солнечный отражатель".
[30]Известно многослойное терморегулирующее покрытие класса «солнечный отражатель» по патенту РФ №2168189 (МПК: B64G, 1/58), содержащее полимерную подложку с нанесенным на нее оптическим слоем с нитевидными или волокнистыми кристаллами оксида цинка с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, при этом полимерная подложка выполнена эластичной.
[31]Основными недостатками данного аналога являются малая стабильность оптических характеристик (обусловленная применением органического связующего) и малая электропроводность. При этом покрытие накапливает электростатический заряд под действием заряженных частиц, что приводит к возникновению электрических разрядов, вызывающих сбои в бортовой аппаратуре КО.
[32]Известно покрытие по патенту США №5400986 (МПК: B64G, 1/58),, включающее тонкий диэлектрический лист, внешняя поверхность которого покрыта прозрачным электропроводным слоем, тыльная поверхность покрыта отражающим слоем, а торцевая поверхность листа покрыта электропроводным покрытием так, что по крайней мере частично перекрывает отражающий слой и электрически связан с внешним прозрачным электропроводным слоем, слой клеевого материала, преимущественно постоянной толщины, причем внешняя поверхность клеевого слоя больше, чем тыльная поверхность диэлектрического листа; клеевой слой фиксируется тыльной стороной к поверхности корпуса КО, а внешней поверхностью фиксирует тыльную сторону диэлектрического листа, при этом клеевой слой является электропроводным и электрически соединен с указанным покрытием торцов для обеспечения пути протекания тока между внешней поверхностью указанного листа и внешней поверхностью корпуса КА через указанное покрытие торцов.
[33]Недостатками этого решения являются хрупкость, жесткость, механическая непрочность, большой вес.
[34]Известно терморегулирующее устройство по патенту США №4618218 (МПК: B64G, 1/58), представляющее собой трехслойное покрытие, внешний слой которого выполнен из прозрачного (для заданных длин волн) электропроводного материала, например Ge; промежуточный - из твердого электролита с преимущественно ионной проводимостью, а внутренний - из серебра. В зависимости от разности потенциалов между внешним и внутренним слоями покрытие может поглощать или отражать излучение определенного диапазона длин волн.
[35]Основными недостатками данного аналога являются: необходимость в источнике энергии и управляющей схеме; невозможность совмещения высокой излучательной способности и высокой отражательной способности в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм. Rs (Rs=1-As).
[36]Существует терморегулирующее покрытие по патенту США №5296285 (МПК: B64G, 1/58), представляющее собой двухслойное покрытие, образованное путем создания первого слоя анодным окислением алюминиевой основы и нанесением второго верхнего слоя, состоящего из силикатного покрытия.
[37]Относительная хрупкость, недостаточная эластичность, трудоемкость нанесения - основные недостатки этого покрытия.
[38]Предлагаемое покрытие по патенту РФ №2331553 (МПК: B64G, 1/58), включает в себя нижний слой в виде анодноокисного покрытия алюминиевого сплава и верхний слой. В качестве верхнего слоя использовано лакокрасочное терморегулирующее покрытие, содержащее акрилатный гольмийсодержащий лак АКГ-1,2 (42-38 мас.%) и цирконий (IV) оксид модифицированный ос.ч. 7-4 (58-62 мас.%).
[39]Покрытие имеет низкие значения коэффициента поглощения солнечной радиации (As≤0,10-0,11) и высокие значения коэффициента излучения 0,92-0,94).
[40]Известна система тепловой защиты спускаемого космического аппарата по патенту РФ №2383476 (МПК: B64G, 1/58), содержащая последовательно размещенные гибкий теплоизоляционный мат и теплозащитный пакет, включающий несколько слоев термостойкого тканевого материала, отличающаяся тем, что гибкий теплоизоляционный мат выполнен многослойным и помещен в чехол из температуростойкой ткани, каждый слой термостойкого тканевого материала теплозащитного пакета пропитан и покрыт сублимирующим веществом, при этом толщина покрытия разных слоев неодинакова и увеличивается по мере удаления слоя от теплоизоляционного мата, все слои гибкого теплоизоляционного мата, чехол, в который он помещен, и все слои теплозащитного пакета соединены друг с другом по их торцевым кромкам, при этом все указанные слои и чехол установлены с возможностью их свободного относительного перемещения.
[41]Недостатками данного решения являются его большой вес, отсутствие радиационной стойкости, газопылевыделение.
[42]Существует терморегулирующее покрытие по патенту РФ№2356074 (МПК: B64G, 1/58), прикрепленное к внешней поверхности корпуса космического аппарата с помощью электропроводного клеевого слоя, содержащее подложку, выполненную в виде отдельных элементов из оптически прозрачного радиационно-стойкого материала, тыльная поверхность которой покрыта отражающим и защитным слоем, а на внешней поверхности расположено прозрачное электропроводное покрытие, покрывающее торцевые поверхности подложки и контактирующее с защитным слоем, при этом отдельные элементы подложки выполнены толщиной не менее 0,08 мм, электропроводное покрытие выполнено с электросопротивлением не менее 2 и не более 1·105 кОм/м2, а поверх защитного слоя нанесен адгезивный слой.
[43]Недостатки - хрупкость, неэластичность, большой вес.
[44]Известна экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по патенту РФ №2397926 (МПК: B64G, 1/58) (прототип), состоящая из полимерной подложки, электропроводного слоя с износостойким слоем на внешней поверхности и отражающего слоя на внутренней поверхности. Изоляция содержит временный защитный слой на внешней поверхности и укрепляющую полимерную сетку на внутренней поверхности.
[45]Недостатками этой теплоизоляции являются большая масса внешнего комбинированного покрытия (экспериментально установлено путем взвешивания - 140 г/м2), недостаточная радиационная стойкость из-за использования клеевых композиций, недостаточная надежность вследствие недостаточной прочности приклеивания полимерной пленки, значительное газовыделение из разнородных материалов теплоизоляции, а также сильное коробление рабочей поверхности из-за неравномерной тепловой усадки разнородных материалов теплоизоляции.
[46]Задачей изобретения является обеспечение отсутствия коробления рабочей поверхности и, как следствие, стабильности оптических характеристик, увеличение прочности на надрыв, обеспечение отсутствия пылегазовыделения при сохранении требуемых характеристик по радиационной стойкости и термостойкости, устойчивости к воздействию атомарного кислорода и эластичности, а также уменьшение массы терморегулирующего материала.
[47]Задача решается тем, что в терморегулирующем материале, содержащем внешний слой в виде металлизированной с внутренней стороны пленки, армирующий слой из аримидной ткани, между металлизированным с внутренней стороны внешним и армирующим слоями методом сварки введен термопластичный слой на основе полиимидов или полиэфиримидов или полисульфонов, а металлизированная полиимидная пленка внешнего слоя взята толщиной ≤12 мкм, причем аримидная ткань имеет поверхностную плотность <25 г/м.2
[48]На Фиг. изображена схема предлагаемого материала в разрезе, где:
[49]1 - внешний металлизированной с внутренней стороны слой;
[50]2 - армирующий слой из аримидной ткани;
[51]3 - термопластичный слой;
[52]Терморегулирующий материал, выполнен из трех слоев: внешнего слой в виде металлизированной с внутренней стороны пленки 1, армирующего слоя из аримидной ткани 2, между металлизированным с внутренней стороны внешним 1 и армирующим слоями 2 методом сварки введен термопластичный слой 3 на основе полиимидов или полиэфиримидов или полисульфонов, а металлизированная полиимидная пленка внешнего слоя взята толщиной ≤12 мкм, причем аримидная ткань имеет поверхностную плотность <25 г/м.2
[53]Приведем пример №1 конкретной реализации предложенного решения.
[54]На полимерную полиимидную пленку толщиной <12 мкм, например, ПМ-ЭУ, наносят с внутренней стороны алюминий толщиной 0,07 мкм, например, методом вакуумного резистивного напыления, образуя внешний металлизированный слой 1.
[55]Из ариимидной нити линейной плотностью 6 текс. вырабатывается ткань с поверхностной плотностью 20 г/м2, из которой формируется армирующий слой 2.
[56]Термопластичный слой 3 из полиимида вводят между металлизированным 1 (со стороны металла) и армирующим 2 слоями и проводят сварку, например, тепловым методом, при этом температура плавления термопластичного слоя 3 значительно ниже температуры плавления металлизированного 1 и армирующего 2 слоев, с целью исключения возможного коробления рабочей поверхности материала.
[57]Пример №2 реализации предложенного решения.
[58]На полиимидную пленку толщиной ≤12 мкм с внутренней стороны наносят алюминий толщиной 0,05 мкм методом магнетронного напыления, образуя внешний слой 1.
[59]Из арамидной нити линейной плотностью 5,4 текс вырабатывается ткань с поверхностной плотностью 17 г/м2, из которой формируется армирующий слой 2.
[60]Термопластичный слой из полисульфона вводят как и в примере 1.
[61]Используя для сварки термопластичный слой 3 в виде пленки из термопластичных полимеров, можно регулировать температуру сварки таким образом, чтобы она была ниже температуры термической усадки металлизированного внешнего слоя 1 и нитей ткани армирующего слоя 2, и, как следствие, обеспечить ровную поверхность материала при сварке, сохранив его оптические характеристики.
[62]Например, при выборе термопластичного слоя 3 из термопластичного полиимида типа ПИ-ПК-200 температура сварки составляет 250°С, при этом термическая усадка металлизированной полиимидной пленки внешнего слоя 1 и аримидной ткани слоя 2 практически отсутствует.
[63]При выборе термопластичного слоя из полисульфона ПСК-1 температура сварки составит 210°С, что не приведет к усадке аримидной ткани слоя 2 и металлизированной полиимидной пленки слоя 1.
[64]Благодаря выполнению внешнего слоя 2 из металлизированной пленки толщиной ≤12 мкм обеспечивается гибкость, эластичность материала, снижение его удельного веса в два раза (до 60 г/м2) по сравнению с прототипом и возможность изготовления из него сплошных экранов большой площади, при сохранении высокой термо- и радиационной стойкости (сохранение оптических характеристик при нагреве до 573°К и после облучения с поглощенной дозой более 3×10*рад, в то время как для клеевых композиций - не выше 2×10*рад).
[65]Благодаря использованию аримидной ткани с поверхностной плотностью <25 г/м2, достигается прочность на надрыв более 2,5 кг/см2, что оптимально, т.к. при большей плотности снижается прочность материала, а при меньшей - увеличивается масса до значений более 60 г/м2.
[66]Благодаря тому, что материал состоит из полиимидных композиций, из него не наблюдаются пыле- и газовыделения в отличие от клеевых композиций в прототипе.
[67]Однородность материала также обеспечивает сохранность и высокие значения механических характеристик в широком диапазоне температур от -150°С до +250°С.
[68]Благодаря сочетанию тонкой металлизированной пленки толщиной ≤12 мкм и аримидной ткани с поверхностной плотностью <25 г/м.2 достигается высокая эластичность материала по сравнению с прототипом, что позволяет наносить материал на конструктивные узлы КО сложной геометрической формы с сохранением эффективности материала.
