ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПЛИТКИ И СПОСОБ ИХ РАЗМЕЩЕНИЯ НА ЗАЩИЩАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
HEAT-PROTECTIVE TILES AND THE METHOD FOR THEIR PLACEMENT ON THE PROTECTED SURFACE

Область техники
Изобретение относится к области ракетно-космической и авиационной техники и может найти применение при создании тепловой защиты от внешних тепловых потоков ракетно-космических и авиационных комплексов, движущихся с гиперзвуковыми скоростями в атмосфере Земли.
Уровень техники
Из уровня техники известен теплозащитный экран космического корабля колоколообразной формы (лобовой теплозащитный экран спускаемого аппарата космического корабля «Союз ТМА»: Романов В.А., Колесниченко А.Ф. и др. «Повышение физико-механических показателей теплозащитных покрытий в нейтральной среде», «Космическая техника и технологии», №3 (18)/2017, стр. 34-41). Экран по форме представляет собой часть сферы, повторяющей форму защищаемой поверхности (днища), и снабжен по периметру усиленным шпангоутом крепления. Теплозащитный экран закрепляется по периметру донной части космического корабля и отстреливается после прохождения участка траектории с большими внешними тепловыми потоками. Достоинством такого теплозащитного экрана и способа его размещения на защищаемой поверхности является простота конструкции и высокая надежность выполнения функции тепловой защиты. Недостатком такого экрана и способа его размещения на защищаемой поверхности является невозможность его применения для тепловой защиты других сложных по конструкции поверхностей.
В качестве аналога тепловой защиты можно привести тепловую защиту российского многоразового космического корабля «Буран» СССР (yandex.ru/mages/search), выводимого на орбиту вокруг Земли с помощью ракеты-носителя «Энергия» и возвращаемого с орбиты «по-самолетному». Учитывая большое разнообразие типов защищаемых поверхностей последнего (передняя часть фюзеляжа, передние кромки крыльев, стабилизатора, элеронов и рулей направления, нижняя поверхность крыльев и днище фюзеляжа), теплозащита состоит из отдельных теплозащитных плиток ромбической формы. Способ их размещения на защищаемой поверхности состоит в приклеивании плиток вплотную друг к другу и к защищаемой поверхности с небольшими зазорами, заполняемыми клеящим веществом. Признаком аналога, совпадающим с существенным признаком изобретения, является использование в качестве теплозащиты отдельных приклеиваемых к защищаемой поверхности и друг к другу теплозащитных плиток. Недостаток такой теплозащиты состоит в том, что при приклеивании плиток рядами при движении в атмосфере Земли с гиперзвуковой скоростью клеевое соединение в промежутках между рядами плиток, расположенных по направлению плазменной струи обтекающего потока, может выгорать за счет действия плазменной струи, в результате чего защищаемая поверхность может излишне нагреваться и плитки могут откалываться от защищаемой поверхности.
В качестве прототипа можно привести теплозащиту многоразового космического корабля «Starship» компании SpaceX США (zen.yandex.ru/media/space/teplozascita-novogo-korablia-ilona-maska-starship-60745f735b891f511934f0f3), теплозащитные плитки которой имеют гексагональную форму, благодаря чему при приклейке плиток к защищаемой поверхности рядами плотно друг к другу не должно происходить выгорания клеевого соединения между плитками ввиду отсутствия протяженных межплиточных соединений. Тем не менее, учитывая широкий тепловой диапазон температур самой защищаемой поверхности (приклейка плиток при цеховой температуре, захолаживание при заправке криогенным компонентом топлива, нагрев при движении в атмосфере Земли с гиперзвуковой скоростью), промежутки между плитками при приклеивании должны выбираться, с одной стороны, достаточно большими, чтобы при захолаживании корпуса плитки не выдавливали друг друга и не откалывались от защищаемой поверхности, а с другой стороны, при нагреве от плазменной струи при движении с гиперзвуковой скоростью в атмосфере Земли промежутки между плитками должны быть достаточно малыми, чтобы не происходило выгорание межплиточного клея плазменной струей набегающего потока. Недостаток такой теплозащиты может заключаться в несовместимости требований к величине промежутков между плитками в разных режимах эксплуатации.
Таким образом, существующие теплозащитные плитки и способы их размещения на защищаемой поверхности нуждаются в усовершенствовании с целью повышения надежности тепловой защиты.
Раскрытие сущности изобретения
Предлагаются теплонагруженная и менее теплонагруженная краевая теплозащитные плитки и способ их размещения на защищаемой поверхности, которые исключают возможность возникновения несовместимых требований к величине промежутков между плитками в разных режимах эксплуатации, повышают прочность приклеивания теплозащитных плиток и тем самым повышают надежность работы теплозащиты.
а. Теплонагруженная плитка по форме представляет собой усеченный круглый цилиндр заданного радиуса, который имеет два непараллельных основания при приклейке, к примеру, к плоскости, и две выборки материала величиной радиуса цилиндра со стороны основания, ортогонального оси цилиндра. Эти выборки начинаются от середины цилиндра и сходятся теоретически на образующей цилиндра. На другом основании диск имеет переменную по величине фаску, начинающуюся также от середины цилиндра, предназначенную для уменьшения завихрения движущейся плазменной струи. Приклеивается теплонагруженная плитка к защищаемой поверхности основанием, ортогональным оси цилиндра, и последовательно, к ранее приклеенной теплонагруженной плитке образуемого ряда, а также к двум теплонагруженным плиткам предыдущего ряда так, что теплонагруженные плитки предыдущего ряда заполняют обе выборки материала приклеиваемой теплонагруженной плитки. В свою очередь, на приклеиваемую теплонагруженную плитку образуемого ряда сверху наклеиваются две теплонагруженные плитки последующего рада так, что теплонагруженная плитка образуемого ряда заполняет собой по одной выборке материала в каждой из них. Направление рядов теплонагруженных плиток ортогонально направлению плазменной струи. Способ размещения теплонагруженной плитки на защищаемой поверхности рядами, ортогональными направлению плазменной струи, по аналогии с известным размещением назван «рыбная чешуя». При использовании способа «рыбной чешуи» ни один из склеиваемых стыков теплонагруженных плиток не оказывается под прямым воздействием плазменной струи. При этом площадь приклеивания теплонагруженной плитки больше площади основания цилиндра благодаря приклеиванию к ней теплонагруженных плиток последующего ряда, что повышает надежность работы теплозащиты, в том числе при воздействии вибраций защищаемой поверхности.
b. Краевая теплозащитная плитка по форме представляет собой усеченный, имеющий в основании прямоугольник с закругленными концами цилиндр, с радиусами закругления, равными радиусу цилиндра теплонагруженной плитки, а высота краевой теплозащитной плитки по направлению плазменной струи вначале возрастает до оси переднего закругления, а затем уменьшается до окончания его заднего округления. Ряд краевых теплозащитных плиток предшествует первому ряду теплонагруженных плиток, которые частично приклеиваются к краевым теплозащитным плиткам. Ряд краевых теплозащитных плиток размещается в местах с существенно меньшим по величине внешним тепловым потоком.
Задачей этого изобретения является разработка теплонагруженной и краевой теплозащитных плиток и способа их размещения на защищаемой поверхности, обеспечивающих защиту склеиваемых стыков между теплонагруженными плитками от прямого воздействия плазменной струи и увеличивающих площадь приклеивания каждой из плиток.
Поставленная задача решается таким образом, что теплонагруженная плитка, выполненная с возможностью приклеивания к наиболее теплонагруженным участкам защищаемой поверхности последовательно к такой же ранее приклеенной теплозащитной плитке образуемого при этом ряда плиток, а также к прилегающим плиткам предыдущего ряда, согласно изобретению по форме представляет собой усеченный круговой цилиндр заданного радиуса, который имеет два непараллельных основания при приклейке, к примеру, к плоскости, и две выборки материала величиной радиуса цилиндра со стороны основания, ортогонального оси цилиндра, эти выборки начинаются от середины цилиндра и сходятся на образующей цилиндра, а на другом основании цилиндр имеет переменную по величине фаску, начинающуюся также от середины цилиндра.
Поставленная задача решается также таким образом, что краевая теплозащитная плитка, характеризующаяся тем, что по форме представляет собой усеченный, имеющий в основании прямоугольник с закругленными концами цилиндр, с радиусами закругления, равными радиусу цилиндра теплонагруженной плитки, а высота краевой теплозащитной плитки по направлению плазменной струи вначале линейно возрастает до оси переднего закругления, а затем линейно уменьшается до окончания его заднего округления.
Задача решается также таким образом, что способ размещения теплонагруженных и краевых теплозащитных плиток на защищаемой поверхности, включающий приклеивание к участкам защищаемой поверхности и последовательно вплотную к таким же ранее приклеенным теплозащитным плиткам образуемого и предыдущего ряда, согласно изобретению теплонагруженную плитку приклеивают к защищаемой поверхности основанием, ортогональным оси цилиндра, и последовательно к ранее приклеенной теплонагруженной плитке образуемого ряда, а также к двум смежным теплонагруженным плиткам предыдущего ряда так, что две смежные теплонагруженные плитки предыдущего ряда заполняют обе выборки материала приклеиваемой теплонагруженной плитки образуемого ряда, на приклеиваемую теплонагруженную плитку сверху приклеиваются две смежные теплонагруженные плитки последующего ряда так, что теплонагруженная плитка образуемого ряда заполняет собой по одной выборке материала в каждой из двух смежных теплонагруженных плиток последующего ряда, а направление рядов теплонагруженных плиток ортогонально направлению плазменной струи, краевые теплозащитные плитки приклеиваются к защищаемой поверхности основанием, ортогональным оси цилиндра, и последовательно к ранее приклеенной плитке образуемого ряда, ортогонального направлению плазменной струи.
Сущность изобретения поясняется чертежами элементов устройства.
На фиг. 1 приведены проекции теплонагруженной плитки на вертикальную и нормальную плоскости, на которых видны основные элементы ее конструкции.
На фиг. 2 приведены те же проекции краевой теплозащитной плитки.
На фиг. 3 приведена проекция на вертикальную плоскость с поперечным сечением А-А теплонагруженных и краевых теплозащитных плиток, размещенных на защищаемой поверхности согласно предложенному способу.
На фиг. 3:
1 - защищаемая поверхность;
2 - теплонагруженная плитка;
3 - краевая теплозащитная плитка.
Осуществление изобретения
Пример возможной реализации предложенного технического решения.
Теплонагруженная плитка представляет собой усеченный круговой цилиндр с радиусом 200 мм, который имеет два непараллельных основания при приклейке, к примеру, к плоскости, и две выборки материала радиусом 200 мм со стороны основания, ортогонального оси цилиндра, эти выборки начинаются от середины цилиндра и сходятся на образующей цилиндра, высота цилиндра по направлению плазменной струи линейно возрастает с 80 мм на краю цилиндра до 120 мм в его средине. На другом основании цилиндр имеет переменную по величине фаску, начинающуюся также от середины цилиндра и заканчивающуюся величиной 20 мм.
Краевая теплозащитная плитка по форме представляет собой усеченный, имеющий в основании прямоугольник длинной 200 мм с закругленными концами цилиндр с радиусами закругления, равными 200 мм, а высота краевой теплозащитной плитки по направлению плазменной струи вначале линейно возрастает с 80 мм в начале переднего закругления до 120 мм на оси переднего закругления, а затем линейно уменьшается до 40 мм до окончания его заднего закругления.
Способ размещения теплонагруженных плиток основан на приклеивании их к участкам защищаемой поверхности основанием, ортогональным оси цилиндра, и последовательно к ранее приклеенной теплонагруженной плитке образуемого ряда, а также к двум смежным теплонагруженным плиткам предыдущего ряда так, что две смежные теплонагруженные плитки предыдущего ряда заполняют обе выборки материала приклеиваемой теплонагруженной плитки образуемого ряда. На приклеиваемую теплонагруженную плитку сверху приклеиваются две смежные теплонагруженные плитки последующего рада так, что теплонагруженная плитка образуемого ряда заполняет собой по одной выборке материала в каждой из двух смежных теплонагруженных плиток последующего ряда, а направление рядов теплонагруженных плиток ортогонально направлению плазменной струи. При этом ни один из склеиваемых стыков теплонагруженных плиток не оказывается под прямым воздействием плазменной струи, а площадь приклеивания теплонагруженной плитки больше площади основания цилиндра благодаря приклеиванию к ней двух теплонагруженных плиток последующего ряда, что повышает надежность работы теплозащиты, в том числе при воздействии вибраций защищаемой поверхности.
Краевые теплозащитные плитки приклеиваются вплотную одна к другой так, что образуют ряд, ортогональный направлению плазменной струи.
Теплозащитные плитки и способ их размещения на защищаемой поверхности обеспечивают работу теплозащиты в различных условиях эксплуатации многоразовых объектов ракетно-космической и авиационной техники: расстояния между рядами плиток и между плитками одного ряда при приклеивании в цеховых условиях могут выбираться достаточно большими, чтобы можно было не опасаться откалывания плиток при захолаживании корпуса, поскольку при нагреве от плазменной струи при движении с гиперзвуковой скоростью ни один из склеиваемых стыков типовых теплозащитных плиток не оказывается под прямым воздействием плазменной струи, движущейся ортогонально рядам плиток, и, следовательно, не подвергается выгоранию. Увеличенная площадь приклеивания плиток благодаря приклеиванию к ним плиток последующего ряда повышает устойчивость работы теплозащиты при воздействии вибраций корпуса.
Преимуществом предлагаемых теплозащитных плиток и способа их размещения на защищаемой поверхности по сравнению с известными на космических кораблях «Буран» и «Starship» является то, что ни один из склеиваемых стыков типовых теплозащитных плиток не оказывается под прямым воздействием плазменной струи. При этом площадь приклеивания теплозащитной плитки больше площади основания цилиндра благодаря приклеиванию к ней типовых теплозащитных плиток последующего ряда, что повышает надежность работы теплозащиты, в том числе при воздействии вибраций защищаемой поверхности.