[1]Техническое решение относится к ракетно-авиационной технике и может быть использовано в конструкции негерметичных отсеков двигательных установок (ДУ) сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА).
[2]В ракетостроении для защиты от аэродинамического нагрева широко применяются теплозащитные материалы, в том числе теплоизоляция. Например, в немецкой ракете ФАУ-2 (Гэтланд К. Космическая техника. - М.: Мир, 1986, с. 17) используется изоляция из стекловаты в отсеке для топливных баков. В настоящее время разработаны и внедрены различные способы тепловой защиты боевых частей и космических аппаратов, включая применение теплозащитных и теплоизоляционных материалов (Конструкция управляемых баллистических ракет. /Под ред. A.M. Синюкова и Н.И. Морозова. - М.: Воениздат, 1969, с. 134-135).
[3]Проблема заключается в выборе и использовании эффективной конструкции тепловой защиты с улучшенными технико-экономическими характеристиками, такими как небольшая масса, низкая стоимость, простота конструкции.
[4]Известно средство защиты внутренних объемов корпусов различного назначения от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды, в том числе высоких температур (патент РФ 2162189, F16L 59/02, G12B 17/06, В64С 1/38, B64G 1/58, 2001). Согласно изобретению теплозащита корпуса содержит последовательно расположенные по меньшей мере три слоя. Наружный слой выполнен ударожаропрочным (из металла или композиционного материала). Промежуточный слой выполнен из сухого огнеупорного пористо-волокнистого материала на основе минерального волокна, а внутренний слой - из пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим компонентом или водосодержащим гелем, при этом внутренний слой с обеих сторон дополнительно снабжен защитной оболочкой из полимерного пленочного материала.
[5]Указанный способ и устройство тепловой защиты позволяет эффективно защищать небольшие по объему конструкции, например бортовые накопители информации. Защита больших объемов применением такого технического решения сопряжена со значительным усложнением конструкции, связанного с обеспечением герметичности внутреннего слоя теплозащиты - водонасыщенного теплоизоляционного материала и отвода паров из него.
[6]Также известны способ тепловой защиты ЛА и устройство для его осуществления (патент РФ 2225330, В64С 1/38, 2004), содержащее теплозащитный экран, выполненный в виде наружной пористой гофрированной или кратерообразной оболочки из твердого материала с тепловоспринимающей поверхностью, отстоящей от корпуса летательного аппарата на расстоянии с образованием полости, заполняемой паром охлаждающей среды и разделенной на отдельные секции. Устройство снабжено форсунками, контрольной аппаратурой магистрали подачи охлаждающей среды в жидкой фазе, включающей датчики температуры внешней поверхности оболочки, датчики расхода охлаждающей среды через форсунки, электроклапаны для управления подачей охлаждающей среды через форсунки, блок обработки сигналов от датчиков температуры и датчиков расхода, предназначенный для управления упомянутыми электроклапанами.
[7]Изобретение решает задачу повышения эффективности тепловой защиты летательного аппарата, включающей расширение диапазона устанавливаемых допустимых температур на поверхности летательного аппарата, улучшение контролируемости охлаждающего процесса, экономию и удобства использования охлаждающих средств. Однако предлагаемое устройство достаточно сложно в исполнении, имеет повышенную массу и объем.
[8]Технической задачей изобретения является создание эффективной тепловой защиты негерметичного отсека ДУ сверх- и гиперзвуковых ЛА. При этом тепловая защита должна иметь небольшую массу, невысокую стоимость и простую конструкцию.
[9]Поставленная задача решается тем, что в тепловой защите негерметичного отсека ДУ ЛА, включающей внутреннюю теплоизоляцию корпуса отсека, теплоизоляцию элементов ДУ и теплозащитный экран в виде пористой оболочки, теплоизоляция корпуса отсека и элементов ДУ, выполненная из волокнистого теплоизоляционного материала на основе минерального волокна, облицована газопроницаемой жаропрочной тканью, а теплозащитный экран, выполненный эластичным из газопроницаемой жаропрочной ткани, установлен в хвостовой части отсека с закрытием зазора между соплом ДУ и корпусом отсека с обеспечением возможности перемещения сопла ДУ, возникающего в результате его температурных деформаций.
[10]Сущность предлагаемого технического решения заключается в совместном использовании волокнистой теплоизоляции с учетом улучшения ее свойств при снижении давления окружающей среды и теплозащитного экрана из газопроницаемой жаропрочной ткани, выполняющего двойную функцию - по защите оборудования отсека ДУ от высокотемпературного (огневого) воздействия выходящих из сопла двигателя газов и обеспечения снижения давления воздуха в отсеке во время полета ЛА на больших высотах.
[11]Установка волокнистого теплоизоляционного материала на основе минерального волокна на наиболее теплонапряженных местах отсека ДУ - корпусе и элементах двигателя, таких как камера сгорания и сопло, позволяет снизить тепловой поток на имеющее относительно низкий допустимый уровень температур оборудование отсека - аппаратуру системы управления, агрегаты пневмо- и гидросистем и т.п.
[12]При снижении давления окружающего воздуха в негерметичном отсеке ДУ происходит дегазация волокнистого теплоизоляционного материала и существенно уменьшается его коэффициент теплопроводности - на 50 и более процентов.
[13]Облицовка газопроницаемой жаропрочной тканью волокнистой теплоизоляции не препятствует ее дегазации и обусловлена обеспечением технологичности процессов изготовления, установки и функционирования теплоизоляции.
[14]Использование эффекта улучшения свойств теплоизоляции в совокупности с конструктивным признаком - облицовкой газопроницаемой жаропрочной тканью составляет существенное отличие данного отличительного признака от аналога (патент РФ 2162189), в котором внутренний слой теплоизоляции с обеих сторон дополнительно снабжен защитной оболочкой из полимерного пленочного материала, обеспечивающего герметичность.
[15]Установкой в хвостовой части отсека теплозащитного эластичного экрана из газопроницаемой жаропрочной ткани обеспечивается закрытие зазора между соплом ДУ и корпусом отсека и защита оборудования отсека от воздействия значительного по величине теплового потока излучением и конвекцией от выходящих из сопла газов во время работы реактивного двигателя.
[16]После окончания работы двигателя, на участке полета ЛА по аэробаллистической траектории в условиях разряженной атмосферы через теплозащитный экран происходит выравнивание давления с окружающей средой, т.е. давление в отсеке ДУ снижается, что обуславливает дегазацию теплоизоляции и соответственно снижение ее коэффициента теплопроводности.
[17]Теплозащитный экран выполнен эластичным из пористой газопроницаемой жаропрочной ткани для обеспечения возможности перемещения сопла ДУ, обусловленного его температурными деформациями.
[18]В отличие от аналога (патент РФ 2225330) предлагаемый в составе тепловой защиты экран отличается по конструктивному признаку - выполнен эластичным, и по выполняемым функциям - обеспечивает защиту отсека от внешнего теплового потока и снижение давления газа во внутреннем объеме отсека ДУ.
[19]Предложенное техническое решение поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 показана схематически тепловая защита отсека ДУ, на фиг. 2 - схема теплоизоляции корпуса отсека, на фиг. 3 - схема установки теплозащитного экрана.
[20]На представленных чертежах введены следующие обозначения:
[22]2 - теплозащитный экран;
[23]3 - теплоизоляция сопла ДУ;
[24]4 - оборудование отсека ДУ;
[25]5 - волокнистый теплоизоляционный материал;
[26]6 - газопроницаемая жаропрочная ткань.
[27]Техническое решение осуществляют следующим образом.
[28]На внутренней поверхности корпуса 1, выполненного из жаропрочных сплавов или металлов, например титана, закрепляют с помощью клеевого соединения теплоизоляцию, которую изготавливают предварительно в виде пакетов (теплоизоляционных матов), включающих волокнистый теплоизоляционный материал 5, облицованный газопроницаемой жаропрочной тканью 6 и прошитый специальными жаростойкими нитями. Теплоизоляцию сопла ДУ 3 выполняют аналогично.
[29]Теплозащитный экран 2 в зависимости от внешнего теплового воздействия изготавливают из одного или нескольких слоев (полотен) газопроницаемой жаропрочной ткани 6 и устанавливают в хвостовой части отсека, закрывая зазор между соплом ДУ и корпусом отсека с обеспечением возможности перемещения сопла ДУ, обусловленного его температурными деформациями.
[30]При полете ЛА со сверх- и гиперзвуковыми скоростями корпус отсека 1 нагревается до высоких температур. При этом теплоизоляция 5 благодаря низкой теплопроводности снижает тепловой поток от корпуса отсека к оборудованию отсека 4.
[31]Так как полет ЛА с высокими скоростями происходит на больших высотах, то в негерметичном отсеке ДУ происходит снижение давления воздушной среды и соответственно дегазация теплоизоляционного материала 5 через газопроницаемую жаропрочную ткань 6. При этом существенно уменьшается теплопроводность теплоизоляционного материала 5, вследствие чего тепловой поток от корпуса отсека к оборудованию дополнительно снижается.
[32]При работе реактивного двигателя теплозащитный экран 2, выполненный из жаропрочной ткани, предохраняет оборудование отсека 4 от непосредственного воздействия высокотемпературного лучистого и конвективного потока от продуктов сгорания топлива. По окончании работы двигателя газопроницаемость материала ткани экрана обеспечивает снижение давления газа в отсеке ДУ и создает условия для улучшения теплозащитных свойств теплоизоляционного материала 5.
[33]В качестве волокнистого теплоизоляционного материала может быть использовано иглопробивное полотно из кремнеземного волокна «Supersilika», имеющего объемную плотность 140-170 кг/м3, рабочую температуру 1000-1100°C, коэффициент теплопроводности 0,04-0,1 Вт/(м°C), который снижается при вакуумировании ~ на 60%.
[34]Теплозащитный экран, как и облицовку волокнистого теплоизоляционного материала, изготавливают из ткани кремнеземной марки КТ-11, имеющей рабочую температуру до 1350°C.
[35]Следует отметить, что предложенную тепловую защиту можно улучшить для варианта установки в отсеке ДУ приборов и оборудования с невысоким уровнем допустимых температур - до 80-100°C. Для этого в конструкцию пакетов (теплоизоляционных матов) с волокнистым теплоизоляционным материалом со стороны, направленной на оборудование отсека, добавляют тонкие пластины из теплоаккумулирующего материала типа ТАМ-ИГИ-1(2), имеющего необходимые теплофизические характеристики - высокую теплоту фазового перехода (плавления) при температуре 60-70°C, невысокую теплопроводность и приемлемую плотность. При этом массогабаритные параметры теплозащиты практически не изменяются (увеличиваются на несколько процентов).
[36]Совокупность предложенных новых признаков технического решения - одновременное использование для корпуса отсека и элементов ДУ теплоизоляционного материала на основе минерального волокна, облицованного газопроницаемой жаропрочной тканью, и эластичного экрана из газопроницаемой жаропрочной ткани в хвостовой части отсека позволяет получить эффективный, обусловленный взаимосвязью признаков технический результат - обеспечение теплового режима оборудования негерметичного отсека ДУ простыми и имеющими минимальные массогабаритные параметры средствами.
[37]Резюмируя изложенное, можно заключить, что предложенное техническое решение обеспечивает создание эффективной тепловой защиты негерметичного отсека ДУ сверх- и гиперзвуковых ЛА. Основной положительный эффект состоит в улучшении технико-экономических характеристик конструкции теплозащиты, таких как простота конструкции, небольшая масса, низкая стоимость.
