1 Экранно-вакуумная теплоизоляция. Принцип действия, методы расчета, конструкция и технология А.Ю. Шаенко Москва, 2013

2 План лекции 1. Факторы космического полета. 2. Принцип действия экранно-вакуумной теплоизоляции. 3. Методы расчета. Точный и приближенный. 4. Демонстрация образцов, обсуждение. 5. Конструкция. 6. Технология. 7. Регламентирующие документы и руководства. 8. Производители ЭВТИ в России, Европе и США. Экранно-вакуумная теплоизоляция

3 1. Факторы космического полета 1. Вакуум. 2. Тепловое солнечное излучение. 3. Отраженное планетой солнечное излучение. 4. Собственное излучение планеты. 5. Температура грунта на планете и степень его черноты. 6. Состав атмосферы планеты вблизи поверхности. 7. Взаимодействие с атмосферой при полете в ней. 8. Коротковолновая составляющая электромагнитного спектра (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма- излучение), < 400 нм. Экранно-вакуумная теплоизоляция

4 1. Факторы космического полета 9. Длинноволновая часть электромагнитного спектра (дальнее инфракрасное и радиоизлучение), > 760 нм. 10. Космические магнитные поля. 11. Воздействие от частиц космических лучей. 12. Воздействие от микрометеоритов. Экранно-вакуумная теплоизоляция

5 2. Принцип действия экранно-вакуумной теплоизоляции Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) – теплоизоляция, состоящая набора экранов с заданными термо оптическими свойствами. Экранно-вакуумная теплоизоляция Прибор ЛЕНД в ЭВТИ Структура слоев ЭВТИ iLayerInsulationCloseup.jpg КА «Спектр-Р»

6 2. Принцип действия экранно-вакуумной теплоизоляции Снижение плотности теплового потока на защищаемый ЭВТИ объект и с защищаемого объекта в пространство производится за счет прохождения излучения через набор последовательно расположенных экранов. Экранно-вакуумная теплоизоляция Проходя через экраны, излучение частично отражается, частично поглощается, вызывая нагрев экрана, который сам становится источником излучения. Увеличивая количество экранов на пути излучения, можно увеличить долю отраженного излучения и снизить долю проходящего.

7 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Рассмотрим теплообмен между двумя бесконечными параллельными экранами, находящимися при температурах T 1 и T 2, и имеющими различные степени черноты 1 и 2. Экранно-вакуумная теплоизоляция T 1, 1 T 2, 2 Поток, испускаемый экраном 1 в направлении экрана 2 можно записать в виде (1): (1)

8 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Так как экраны приняты бесконечными и параллельными, то весь испущенный экраном 1 поток достигает экрана 2, при этом часть его поглощается (2), часть отражается (3) к экрану 1: Экранно-вакуумная теплоизоляция (2) (3) В свою очередь, отраженный поток также частично поглощается (4), частично отражается (5). (4) (5)

9 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Повторяя выкладки для шага n=2, получаем, что во втором и первом экране поглотились потоки (6) и (7) соответственно: Экранно-вакуумная теплоизоляция (7) (6) Сравнивая выражения (2) и (4) с выражениями (6) и (7), можно придти к выводу, что на n-м шаге хода излучения потоки, поглощаемые экранами, можно записать в следующем виде (8) и (9):

10 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Экранно-вакуумная теплоизоляция (8) (9) Устремляя n и суммируя потоки на всех шагах, получаем для экранов 1 и 2 соответственно: (10) (11)

11 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Экранно-вакуумная теплоизоляция Аналогичным образом получаем зависимости при испускании излучения экраном 2. Поглощенные потоки в экранах 2 и 1 записываются в виде (12) и (13) соответственно: (12) (13)

12 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Экранно-вакуумная теплоизоляция Поток с экрана 1 на экран 2 с учетом переотражений можно записать в следующем виде (14): (14) Путем несложных преобразований получаем (14) в виде (15): (15) где

13 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Экранно-вакуумная теплоизоляция Величина пр называется приведенной степень черноты пары экранов. Проведя аналогичные выкладки для набора из N экранов, каждая сторона которого имеет свою степень черноты, получим приведенную степень черноты набора (16): (16)

14 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ Экранно-вакуумная теплоизоляция В предположении, что характеристики всех экранов одинаковы, получим (17): (17) Используя выражения (15), (16) или (17), можно рассчитать тепловой поток, проходящий через экранно- вакуумную теплоизоляцию, состоящую из заданного количества экранов.

15 3. Методы расчета ЭВТИ. Приближенный способ Легко видеть, что выражение (15) и (16) применимы во всем диапазоне температур, однако при сложном составе мата ЭВТИ вычисления по ним становятся несколько громоздкими. Для решения этой проблемы на практике применяется приближенный метод расчета теплового сопротивления ЭВТИ, применимый в ограниченном диапазоне температур. Экранно-вакуумная теплоизоляция

16 3. Методы расчета ЭВТИ. Приближенный способ Согласно этому методу пакет ЭВТИ с лучистой теплопередачей между слоями заменяется тепловым сопротивлением (18). Экранно-вакуумная теплоизоляция

17 3. Методы расчета ЭВТИ. Приближенный способ Очевидно, что полное тепловое сопротивление пакета R 1-2 является суммой тепловых сопротивлений отдельных слоев (19). Экранно-вакуумная теплоизоляция (18) (19)

18 3. Методы расчета ЭВТИ. Приближенный способ Значения теплового сопротивления различных видов слоев ЭВТИ задаются в регламентирующих документах, например, в российском ОСТ Экранно-вакуумная теплоизоляция

19 4. Демонстрация образцов, обсуждение Экранно-вакуумная теплоизоляция

20 5. Конструкция Экранно-вакуумная теплоизоляция К конструктивным особенностям ЭВТИ следует отнести: 1. Последовательность слоев. 2. Окантовку мата. 3. Крепление мата на конструкции. 4.Перфорацию. 5. Методы защиты от статического электричества.

21 5. Конструкция Экранно-вакуумная теплоизоляция В современных матах ЭВТИ обычно используется следующая последовательность слоев, от наружного ко внутреннему: 1. Внешний защитный слой. Обеспечивает требуемые термооптические свойства наружного слоя и защищает мат от механических повреждений при наземной подготовке. Пример, полиимидная пленка, покрытая сплавом индий- олово НИИКАМ-РАМ-2, НИИКАМ-КПМА. 2. Внутренние теплостойкие слои. Предназначены для непосредственной теплоизоляции, хорошо отражают излучение, работоспособны длительно при температурах до 220°С, временно – до 300°С. Примеры – алюминизированная полиимидная пленка ПМ-1ЭУ-ОА, ПМ- 1ЭУ-ДА.

22 5. Конструкция Экранно-вакуумная теплоизоляция 3. Внутренние слои. Предназначены для непосредственной теплоизоляции, хорошо отражают излучение, работоспособны длительно при температурах до 165°С. Примеры – алюминизированная полиэтилентерефталатная пленка ПЭТ, К, ОА, ПЭТ, К, ДА. 4. Разделители внутренних слоев. Для разделения слоев используются два подхода. В первом между слоями помещается стеклоткань, препятствующая слипанию слоев. Во втором подходе внутренние слои формуются и приобретают рельеф, при этом контакт между ними минимизируется. 5. Внутренний защитный слой. Защита мата от механических повреждений при наземной подготовке.

23 5. Конструкция Экранно-вакуумная теплоизоляция Формирование мата как элемента конструкции космического аппарата производится путем окантовки его краев и внутренних отверстий. Допускаемые способы окантовки приведены в отечественном ОСТ Сформированный мат может крепиться на космическом аппарате следующими способами: на завязках, на липучках типа Velcro, например НИИКАМ-ТЗЛ, на проволоке, крепежными изделиями.

24 5. Конструкция Экранно-вакуумная теплоизоляция Для предотвращения разрыва мата в процессе выведения воздухом, находящимся между слоями при атмосферном давлении, в слоях мата выполняют перфорацию. Следует отметить, важно так провести перфорацию, чтобы отверстия на соседних слоях не были расположены одно над другим, так как при выходе через них воздуха возможен их разрыв и последующее ухудшение теплоизолирующих свойств мата.

25 5. Конструкция Экранно-вакуумная теплоизоляция Как и любой элемент конструкции космического аппарата, ЭВТИ необходимо защитить от статического электричества. Выравнивание потенциалов между матами и другими элементами конструкции производится путем образования перемычек, соединяющих слои между собой и с заданным местом заземления. Требования к защите от статического электричества приведены в ОСТ Необходимо заметить, что при изготовлении крупногабаритных матов требуется обеспечивать выравнивание потенциалов через сварной шов слоев. Эта операция выполняется с помощью металлизированной липкой ленты, например НИИКАМ-ЭПЛ-АС.

26 5. Конструкция Экранно-вакуумная теплоизоляция Требования к ЭВТИ оформляются в виде монтажных чертежей и чертежей выкроек, которые выполняются по внутренним стандартам предприятия и требованиям отраслевых руководящих документов, приведенных в разделе 7.

27 6. Технология Экранно-вакуумная теплоизоляция Разработку мата ЭВТИ и его установку на космический аппарат можно разбить на следующие этапы: 1. Выбор поверхностей, укрываемых ЭВТИ. 2. Разработка схемы укрытия на двумерном чертеже или на трехмерной модели.

28 6. Технология Экранно-вакуумная теплоизоляция 3. Разработка выкройки с учетом припусков на окантовку и элементы крепления.

29 6. Технология Экранно-вакуумная теплоизоляция 4. Изготовление выкройки из материала, имитирующего толщину мата ЭВТИ.

30 6. Технология Экранно-вакуумная теплоизоляция 5. Примерка выкройки на макет космического аппарата. 6. При необходимости, корректировка выкройки и чертежей.

31 6. Технология Экранно-вакуумная теплоизоляция 7. Передача выкройки и чертежей на производство. 8. Получение матов ЭВТИ. 9. Установка матов ЭВТИ на космический аппарат. 10. Корректировка матов по месту. 11. Подготовка матов к запуску, снятие защитного слоя.

32 6. Технология Экранно-вакуумная теплоизоляция Технологические процессы, связанные непосредственно с производством матов, регламентируются внутренними документами предприятия.

33 7. Регламентирующие документы и руководства Экранно-вакуумная теплоизоляция К документам, регламентирующим обозначения ЭВТИ, их характеристики, описывающим основные технологические процессы и методы контроля относят: Российские ОСТ «Изоляция тепловая экранно-вакуумная. Марки и технические требования», ОСТ «Изоляция тепловая экранно-вакуумная. Типовые технологические процессы»,

34 7. Регламентирующие документы и руководства Экранно-вакуумная теплоизоляция ОСТ «Изоляция тепловая экранно-вакуумная изделий ракетно-космической техники. Общие требования к защите от статического электричества», ОСТ «Материалы и покрытия специального назначения. Методика измерения тепловых радиационных характеристик», 2. Европейские ECSS-E-ST-31 C Thermal control general requirements, ECSS-Q-ST-70-09C Measurements of thermo-optical properties of thermal control materials

35 7. Регламентирующие документы и руководства Экранно-вакуумная теплоизоляция ECSS-E-HB Space engineering. Thermal design handbook - Part 7: Insulations. 3. Американские NASA/TP Multilayer Insulation Material Guidelines MSFC-RPT-653A, MLI Design Guidelines

36 8. Производители Экранно-вакуумная теплоизоляция 1. Российские НИИКАМ, Переславль-Залесский ( 2. Европейские RUAG, Австрия, Вена ( 3. Американские Sheldahl, Нортфилд, Миннесота, США ( Dunmore, Бристоль, Пенсильвания, США ( Dupont, Circleville, Огайо, США, (dupont.com)

37 Спасибо за внимание Экранно-вакуумная теплоизоляция Адрес этой презентации: ark4110.narod.ru/BMSTU_MLI_Lecture.ppt Телефон: Вконтакте: vk.com/shaenko