Способ обеспечения теплового режима приборного отсека летательного аппарата
METHOD FOR PROVIDING AIRCRAFT INSTRUMENTATION THERMAL MODE

Техническое решение относится к ракетно-авиационной технике и может быть использовано для обеспечения теплового режима приборных отсеков высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА).
Возрастание скоростей полета сверхзвуковых ЛА сопровождается увеличением аэродинамического нагрева конструкции отсеков, в том числе и приборных. Приемлемые температурные условия для функционирования аппаратуры обеспечиваются как защитой конструкции отсека от внешних теплопритоков путем его теплоизолирования, так и использованием других способов и средств. При этом актуальной является задача термостатирования аппаратуры приборных отсеков с одновременным улучшением массогабаритных параметров используемой системы охлаждения.
Известна система тепловой защиты радиоэлектронной аппаратуры сверхзвукового летательного аппарата (а.с. №1840522, 2007, B64G 9/00), содержащая резервуар с теплоносителем, сообщающийся через регулирующий клапан с испарителем, находящимся в тепловом контакте с охлаждаемой аппаратурой. Испаритель через ряд элементов системы сообщается с забортным пространством. Способ обеспечения теплового режима аппаратуры, реализуемый в известной системе тепловой защиты, заключается в охлаждении аппаратуры испарением жидкого теплоносителя, причем теплоотдача идет через тепловой контакт теплоотдающих элементов конструкции радиоэлектронной аппаратуры с рабочим объемом испарителя, а сброс паров теплоносителя осуществляется в забортное пространство. Недостаток этого способа заключается в осуществлении контакта жидкого теплоносителя или его паров непосредственно с охлаждаемой аппаратурой, что приводит к ухудшению термостабилизации аппаратуры и снижению надежности ее функционирования в связи с возникающими значительными градиентами температур. При этом следует отметить также то, что отсутствие теплоизоляции сопровождается дополнительной тепловой нагрузкой на систему охлаждения и, соответственно, увеличением массы жидкого теплоносителя.
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 г.). 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.
Наиболее близким по технической сущности является способ создания тепловой защиты отсека ЛА (патент РФ 2622181, В64С 1/38, 2016 г.), в котором обеспечение теплового режима негерметичного отсека ЛА осуществлено путем использования внутренней теплоизоляции корпуса отсека и теплозащитного экрана в виде пористой оболочки, выполненной эластичной из газопроницаемой жаропрочной ткани.
В известном способе решена задача создания эффективной тепловой защиты негерметичного отсека двигательной установки при кратковременной работе двигателя. Однако, для отсека, расположенного в центральной части ЛА и включающего высокоточную аппаратуру, такой способ неприемлем ввиду необходимости обеспечения в приборном отсеке допустимого теплового режима при длительном полете ЛА и поддержания определенного давления на всех этапах эксплуатации.
Задачей настоящего технического решения является обеспечение допустимого теплового режима аппаратуры приборного отсека ЛА с одновременным улучшением массогабаритных параметров используемых средств термостатирования.
Поставленная задача решается тем, что корпус отсека, включающий две оболочки, выполняют с внутренним расположением герметизирующей оболочки, в зазоре между внутренней герметизирующей оболочкой и аппаратурой отсека размещают чехол из нежесткого теплоизоляционного материала, а на поверхности теплоизоляционного материала и герметизирующей оболочки, обращенных к аппаратуре, наносят покрытие с малой степенью черноты, при этом в условиях наземной эксплуатации во внутреннем объеме герметизирующей оболочки предварительно путем наддува создают консервационное давление, которое сохраняется на начальной стадии полета ЛА, а на определенной заранее высоте полета ЛА внутри отсека снижают давление газовой среды путем сброса газа в окружающую среду задействованием устройства для сообщения приборного отсека с окружающей атмосферой с последующим закрытием этого устройства после достижения внутри отсека необходимого давления для исключения конвективного теплообмена между герметизирующей оболочкой и газовой средой отсека.
Предложенное техническое решение наиболее эффективно реализуется в приборных отсеках ЛА, длительно осуществляющих полет в атмосфере и снабженных для снижения аэродинамического нагрева различными обтекателями, в т.ч. и сбрасываемыми. При этом герметизирующая оболочка отсека может быть выполнена как из металлов, так и из различных пластиков, работоспособных при относительно низком уровне температур (например, до 300-500°С), тогда как внешняя оболочка отсека, выдерживающая более высокий температурный напор (после сброса обтекателя), выполняется из теплозащитных материалов с высокой рабочей температурой (до 1500°С и выше).
В качестве теплозащитных материалов могут быть использованы материалы типа КНК, КНК-30, ПАФС-АМ разработки ЦНИИ материалов (г. С-Петербург).
Существенное снижение теплового воздействия от лучистого теплового потока на аппаратуру приборного отсека достигается нанесением на обращенных к аппаратуре поверхностях герметизирующей оболочки и мягкого теплоизоляционного материала покрытия с малой степенью черноты ε. В несколько раз теплообмен излучением уменьшается использованием гальванохимических покрытий (например, химическая полировка, ε=0,03-0,06), металлизированных пленок (типа полиэтилентеррафталатной пленки, ε=0,05-0,08), напылений (алюминий напыленный, ε=0,02-0,04).
Таким образом, с помощью сравнительно простых мер, характеризуемых минимальным объемом и массой, можно добиться снижения теплового потока на аппаратуру ЛА.
Также решение поставленной задачи достигается снижением внешнего нагрева аппаратуры приборного отсека путем исключения конвективного теплообмена между герметизирующей оболочкой и газовой средой отсека и, соответственно, между газовой средой и аппаратурой. Это осуществляется снижением давления газа в приборном отсеке на определенной заранее высоте полета ЛА путем открытия устройства, например, клапана для сообщения приборного отсека с окружающей атмосферой и закрытия устройства после достижения внутри отсека необходимого давления.
Для рассматриваемого типа ЛА исключение конвекции внутри отсека приводит к снижению нагрева аппаратуры на 7-10%.
5
Консервационное давление (абсолютное) внутри отсека величиной 1,2-1,5⋅10 Па в условиях наземной эксплуатации создают для обеспечения тепловлажностного режима аппаратуры, в частности для исключения влагообмена осушенного отсека с окружающей средой, а также для исключения снижения давления в гермоотсеке ниже атмосферного при низких температурах хранения.
Значительное снижение теплового потока от корпуса отсека осуществляется размещением в зазоре между внутренней герметизирующей оболочкой и аппаратурой чехла из нежесткого теплоизоляционного материала.
Цельный теплоизоляционный чехол или в виде фрагментов устанавливают на внешнюю поверхность аппаратуры, размещенной на приборной раме. Толщину чехла выбирают равной величине технологического зазора между герметизирующей оболочкой и внешней поверхностью аппаратуры таким образом, чтобы свести к минимуму или ликвидировать указанный зазор в виде воздушной прослойки. При этом, так как чехол выполнен из мягкой сминаемой теплоизоляции, то может быть произведено местное подмятие теплоизоляции чехла.
На поверхность теплоизоляционного материала, обращенную к аппаратуре, наносят покрытие с малой степенью черноты, аналогичное описанному ранее для герметизирующей оболочки корпуса отсека.
В качестве материала для нежесткого чехла может быть использован теплоизоляционный материал «Supersilika», представляющий собой иглопробивное полотно из кремнеземного волокна.
Эффект от дополнительного термического сопротивления, создаваемого таким чехлом толщиной в несколько миллиметров, соизмерим или превышает эффект за счет исключения конвективного теплообмена внутри отсека путем снижения давления газовой среды.
Таким образом, установка чехла из мягкого теплоизоляционного материала позволяет снизить тепловой поток от корпуса отсека на аппаратуру, имеющую относительно низкий допустимый уровень температур.
Пример осуществления способа обеспечения теплового режима приборного отсека показан на фиг.
На представленном чертеже введены следующие обозначения:
1 - теплозащита корпуса приборного отсека;
2 - герметизирующая оболочка;
3 - покрытие с малой степенью черноты;
4 - чехол из нежесткого теплоизоляционного материала;
5 - аппаратура на приборной раме.
Предложенный способ обеспечения теплового режима приборного отсека летательного аппарата осуществляют следующим образом.
В корпусе приборного отсека, включающего теплозащиту 1 и герметизирующую оболочку 2, на обращенную к аппаратуре поверхности которой наносят покрытие 3 с малой степенью черноты, размещают аппаратуру на приборной раме 5.
Дополнительно в зазоре между внутренней герметизирующей оболочкой и аппаратурой отсека размещают чехол 4 из нежесткого теплоизоляционного материала, при этом на поверхность теплоизоляционного материала, обращенную к аппаратуре, наносят покрытие с малой степенью черноты (на схеме не показано).
В полете ЛА под действием внешнего аэродинамического потока происходит нагрев теплозащиты 1 и герметизирующей оболочки 2, которая находится в конвективном и лучистом теплообмене с чехлом 4 из нежесткого теплоизоляционного материала.
5
Уменьшение влияния лучистого теплового потока от герметизирующей оболочки 2 достигается покрытием 3 с малой степенью черноты (ε<0,1). Практически полное исключение теплообмена конвекцией происходит при снижении давления газа в приборном отсеке на определенной заранее высоте полета ЛА путем открытия устройства для сообщения приборного отсека с окружающей атмосферой. Это устройство может быть выполнено в виде клапана (на схеме не показан) для разгерметизации приборного отсека. Клапан закрывают после достижения внутри отсека необходимого давления (например, Р<10 мм рт.ст.).
Термическое сопротивление, создаваемое чехлом 4 из нежесткого теплоизоляционного материала, также снижает нагрев аппаратуры 5 до допустимых значений.
Совокупность новых признаков предложенного технического решения позволяет получить эффективный, обусловленный взаимосвязью признаков, технический результат: обеспечить допустимый тепловой режим аппаратуры приборного отсека ЛА с одновременным улучшением массогабаритных параметров используемых средств термостатирования.