ЗАЩИТНЫЙ ЧЕХОЛ КОРПУСА ВОЗВРАЩАЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и может быть использована при изготовлении корпуса возвращаемого космического летательного аппарата (КЛА), защищающего его механическое и электронное оборудование как от факторов пребывания на орбите, при гиперзвуковом входе в атмосферу, а так же от неблагоприятных факторов, в том числе электромагнитного излучения от солнечных вспышек предельной интенсивности.
Для повышения радиационной стойкости и стойкости к воздействию тепловых потоков на корпусе КЛА устанавливается наружный многослойный защитный чехол, каждый слой которого выполняет одну или несколько функций.
К наружному слою чехла предъявляются следующие требования:
- электропроводность или диэлектрическая проницаемость;
- минимальная шероховатость и поверхностная плотность;
- высокая тепловая и механическая стойкость;
- высокие коэффициенты поглощения и отражения излучений в определенных частотных диапазонах (до 50кэв).
Известны материалы [1], [2], для защиты от внешних электромагнитных (в частности рентгеновских) излучений, содержащие металлы: вольфрам, свинец и примеси, в том числе титан и никель. Защитный экран изготавливается по технологии металлокерамики прессованием смеси порошков, с последующими спеканием и механической обработкой, эти устройства не приемлемы для ракетно-космической техники из-за высокой массы и технологической сложности изготовления защитного чехла.
Известно устройство [3] для защиты КЛА от внешних тепловых воздействий, содержащие несколько слоев фольги с зазором между ними. Это
устройство не защищает КЛА от электромагнитных воздействий с энергией до 50 кэВ.
Известно устройство [4], состоящее из многослойного пакета нескольких материалов, каждый из которых выполняет свою функцию. Защитный многослойный пакет наносится на поверхность корпуса путем приклеивания. Это устройство не защищает КЛА от электромагнитных воздействий с энергией до 50 кэВ и не предусматривает возможности возвращения КЛА на Землю.
Известно также устройство [5], состоящее из двух слоев фольги из разных материалов (алюминий, бериллий), каждый из которых обеспечивает частичное снижение энергии проникающей радиации. Это устройство защищает КЛА от фонового (природного) излучения космического пространства в диапазоне 10...1000 кэВ сравнительно низкой интенсивности, но не обеспечивает возвращение КЛА из-за низкой тепловой стойкости алюминиевого наружного слоя фольги. По совокупности конструктивных свойств и назначению это устройство принято за прототип данной полезной модели.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является комплексная защита корпуса и аппаратуры КЛА от воздействия электромагнитного излучения от солнечных вспышек предельной интенсивности сравнительно малой длительности, в диапазоне энергий до 50 кэВ.
Указанная задача решается тем, что:
- один или несколько наружных слоев пакета выполнены из фольги.
- материал фольги - титан или сплав с содержанием титана не менее 50%.
- один или несколько наружных слоев пакета выполнены из титанового сплава, а последующие внутренние слои из сплава, содержащего никель не менее 50%.
- на наружную поверхность чехла нанесен дополнительный тонкий слой (толщиной менее 5 микрон) из благородного металла, например, золота.
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими материалами, где
на фиг.1. - общий вид фрагмента корпуса КЛА с защитным чехлом;
на фиг.2. - выносной элемент А на фиг.1.
на фиг.3. - выносной элемент В на фиг.2.
на фиг.4. - график функции коэффициента поглощения излучения для различных металлов.
На наружной поверхности корпуса 1 возвращаемого аппарата (фиг.1) закреплен чехол 2. Чехол устанавливается перед запуском на те элементы возвращаемого КЛА, которые требуют радиационной защиты, и находится на поверхности корпуса до конца полета - возвращения на Землю.
Чехол 2 выполнен из многослойного пакета металлической фольги. Наружный пакет 3 (фиг.2) состоит из одного или нескольких слоев фольги из титана или титанового сплава, внутренний пакет 4 состоит из одного или несколько слоев фольги из никеля или никелевого сплава. На наружную поверхность чехла нанесено тонкое покрытие 5 из благородного металла, например золота.
При отсутствии воздействии электромагнитного излучения чехол выполняет функции экрановакуумной теплоизоляции корпуса на орбите и функции уносимого теплозащитного покрытия спускаемого аппарата при торможении в атмосфере.
При воздействии электромагнитного излучения за короткий интервал времени происходит нагрев всех элементов конструкции: корпуса 1, чехла 2 и всех слоев фольги пакетов 3, 4 с проникновением части энергии внутрь корпуса. При этом сильней всех нагревается наружный слой титанового пакета 3. Титан имеет уникальные химические и теплофизические свойства (см. табл.1), чем и обусловлен выбор материала наружного пакета 3.
Внутренние слои пакетов 3, 4 нагреваются до температуры, не превышающей температуры плавления по большей части поверхности. Корпус 1 нагревается до температуры, не превышающей температуры пластического деформирования. Дополнительное снижение температуры
корпуса КЛА 1 и энергии, проникшей внутрь КЛА, достигается тем, что никель поглощает большую часть энергии, пропущенной наружным титановым слоем, за счет иного спектра поглощения (титан лучше никеля поглощает излучение в диапазоне 5...8 кэВ, а никель - в оставшейся большей части диапазона: (фиг.4.).
Таблица 1Свойства металлов 4 периода периодической системы элементов Менделеева
t<sub>кип</sub>, °С
ΔН<sub>исп</sub>, кДж/моль
ΔН<sub>исп</sub>, кДж/г
Ti
3287
410
8,56
Fe
2872
350
6,27
Ni
2800
370
6,30
Zn
906
115
1,76
Дополнительное снижение температуры корпуса и энергии, проникшей внутрь КЛА, достигается тем, что на наружной поверхности чехла выполнено тонкое покрытие 5 (фиг.3) из благородного элемента, например, золота. Это покрытие позволяет сохранить высокую отражательную способность чехла.
При использовании титана для наружного слоя реализуется максимальная стойкость чехла по перечисленным факторам из-за совокупности природных специфических свойств титана, как химического элемента.
Таким образом, за счет использования предложенной совокупности свойств чехла достигается защита корпуса и начинки возвращаемого КЛА, что позволяет КЛА продолжать функционирование на орбите и обеспечить возвращения с сохранностью полезной нагрузки.
Источники информации
1. патент России 01405581, класс G21F 1/08, порошковый рентгенозащитный материал, опубликован в 1994.
2. патент России 01405582, класс G21F 1/08, порошковый рентгенозащитный материал, опубликован в 1994.
3. патент России 01840181, класс В64G 9/00, экранно-вакуумная теплоизоляция системы терморегулирования космических аппаратов, опубликован в 2006.
4. патент Японии 03525090, класс В64G 1/58, уносимое теплозащитное покрытие и способ его изготовления, опубликован в 2004.
5. патент США 5324952, класс G21F 1/12, радиационная защита узлов космического аппарата, опубликован в 1994.
6. Калмыков А.А., Кондратьев В.Н., Немчинов И.В. "О разлете мгновенно нагретого вещества и об определении его уравнения состояния по величине давления и импульса", "Прикладная математика и техническая физика", 1966 г., №5, М., издательство АН СССР.
7. Гузей Л.С. и др. Химия. Учебник, М, Дрофа, 2001 г., стр.216.
8. Физические величины: Справочник. - М; Энергоатом издат., 1991 г.