Экранно-вакуумная теплоизоляция Принцип действия методы расчета конструкция и

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

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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. 2

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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, гаммаизлучение), < 400 нм. 3

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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. 4

Экранно-вакуумная теплоизоляция 2. Принцип действия экранно-вакуумной теплоизоляции Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) – теплоизоляция, состоящая набора экранов с заданными термооптическими свойствами. Структура слоев ЭВТИ http: //en. wikipedia. org/wiki/File: Mult i. Layer. Insulation. Closeup. jpg КА «Спектр-Р» http: //www. federalspace. ru/319/ Прибор ЛЕНД в ЭВТИ http: //l 503. iki. rssi. ru/LEND. html 5

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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. 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. 6

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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. T 1, 1 Поток, испускаемый экраном № 1 в направлении экрана № 2 можно T 2, 2 записать в виде (1): (1) 7

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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: (2) (3) В свою очередь, отраженный поток также частично поглощается (4), частично отражается (5). (4) (5) 8

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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: (6) (7) 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): 9

Экранно-вакуумная теплоизоляция 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ (8) (9) Устремляя n и суммируя потоки на всех шагах, получаем для экранов № 1 и № 2 соответственно: (10) (11) 10

Экранно-вакуумная теплоизоляция 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ 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) 11

Экранно-вакуумная теплоизоляция 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ 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 12

Экранно-вакуумная теплоизоляция 3. Методы расчета ЭВТИ. Точный способ 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) 13

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

Экранно-вакуумная теплоизоляция 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. 15

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

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

Экранно-вакуумная теплоизоляция 3. Методы расчета ЭВТИ. Приближенный способ Значения теплового сопротивления различных видов слоев ЭВТИ задаются в регламентирующих документах, например, в российском ОСТ 92 -1380 -83. 18

Экранно-вакуумная теплоизоляция 4. Демонстрация образцов, обсуждение 19

Экранно-вакуумная теплоизоляция 5. Конструкция 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. 20

Экранно-вакуумная теплоизоляция 5. Конструкция В современных матах ЭВТИ обычно используется следующая последовательность слоев, от наружнего 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 индийолово 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-1 ЭУ-ОА, ПМ 21 1 ЭУ-ДА.

Экранно-вакуумная теплоизоляция 5. Конструкция 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 22 повреждений при наземной подготовке.

Экранно-вакуумная теплоизоляция 5. Конструкция Формирование мата как элемента конструкции космического аппарата производится путем окантовки его краев и внутренних отверстий. Допускаемые способы окантовки приведены в отечественном ОСТ 92 -1381 -83. Сформированный мат может крепиться на космическом аппарате следующими способами: • на завязках, • на липучках типа Velcro, например НИИКАМ-ТЗЛ, • на проволоке, • крепежными изделиями. 23

Экранно-вакуумная теплоизоляция 5. Конструкция 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. 24

Экранно-вакуумная теплоизоляция 5. Конструкция 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 92 -5168 -93 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. 25

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

Экранно-вакуумная теплоизоляция 6. Технология 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. 27

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

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

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

Экранно-вакуумная теплоизоляция 6. Технология 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. 31

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

Экранно-вакуумная теплоизоляция 7. Регламентирующие документы и руководства К документам, регламентирующим обозначения ЭВТИ, их характеристики, описывающим основные технологические процессы и методы контроля относят: • Российские ОСТ 92 -1380 -83 «Изоляция тепловая экранно-вакуумная. Марки и технические требования» , ОСТ 92 -1381 -83 «Изоляция тепловая экранно-вакуумная. Типовые технологические процессы» , 33

Экранно-вакуумная теплоизоляция 7. Регламентирующие документы и руководства ОСТ 92 -5168 -93 «Изоляция тепловая экранно-вакуумная изделий ракетно-космической техники. Общие требования к защите от статического электричества» , ОСТ 92 -0909 -69 «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 -09 C Measurements of thermo-optical properties of thermal control materials 34

Экранно-вакуумная теплоизоляция 7. Регламентирующие документы и руководства ECSS-E-HB-31 -01 Space engineering. Thermal design handbook - Part 7: Insulations. 3. Американские NASA/TP-1999 -209263 Multilayer Insulation Material Guidelines MSFC-RPT-653 A, MLI Design Guidelines 35

Экранно-вакуумная теплоизоляция 8. Производители 1. Российские НИИКАМ, Переславль-Залесский (http: //niikam. ru/) 2. Европейские RUAG, Австрия, Вена (http: //www. ruag. com/thermal) 3. Американские Sheldahl, Нортфилд, Миннесота, США (http: //www. sheldahl. com/), Dunmore, Бристоль, Пенсильвания, США (http: //www. dunmore. com/) Dupont, Circleville, Огайо, США, (dupont. com) 36

Экранно-вакуумная теплоизоляция Спасибо за внимание Адрес этой презентации: ark 4110. narod. ru/BMSTU_MLI_Lecture. ppt E-mail: ark 4110@gmail. com Телефон: +79261776394 Вконтакте: vk. com/shaenko 37