Тепловая защита негерметичного отсека двигательной установки летательного аппарата
THERMAL PROTECTION OF UNSEALED COMPARTMENTS OF AIRCRAFT POWERPLANT

Техническое решение относится к ракетно-авиационной технике и может быть использовано в конструкции негерметичных отсеков двигательных установок (ДУ) сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА).
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).
Проблема заключается в выборе и использовании эффективной конструкции тепловой защиты с улучшенными технико-экономическими характеристиками, такими как небольшая масса, низкая стоимость, простота конструкции.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Облицовка газопроницаемой жаропрочной тканью волокнистой теплоизоляции не препятствует ее дегазации и обусловлена обеспечением технологичности процессов изготовления, установки и функционирования теплоизоляции.
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.
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.
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.
Теплозащитный экран выполнен эластичным из пористой газопроницаемой жаропрочной ткани для обеспечения возможности перемещения сопла ДУ, обусловленного его температурными деформациями.
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.
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.
На представленных чертежах введены следующие обозначения:
1 - корпус отсека;
2 - теплозащитный экран;
3 - теплоизоляция сопла ДУ;
4 - оборудование отсека ДУ;
5 - волокнистый теплоизоляционный материал;
6 - газопроницаемая жаропрочная ткань.
Техническое решение осуществляют следующим образом.
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.
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.
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.
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.
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.
3
В качестве волокнистого теплоизоляционного материала может быть использовано иглопробивное полотно из кремнеземного волокна «Supersilika», имеющего объемную плотность 140-170 кг/м, рабочую температуру 1000-1100°C, коэффициент теплопроводности 0,04-0,1 Вт/(м°C), который снижается при вакуумировании ~ на 60%.
Теплозащитный экран, как и облицовку волокнистого теплоизоляционного материала, изготавливают из ткани кремнеземной марки КТ-11, имеющей рабочую температуру до 1350°C.
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).
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.
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.