Теплозащитное покрытие летательного аппарата
AIRCRAFT HEAT-SHIELDING COATING

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к теплозащитным покрытиям, применяемым для защиты деталей и конструкций, работающих в условиях повышенных температур.
Известны теплозащитные покрытия, состоящие из двух и более слоев.
Например, известна теплоизоляция, состоящая из чередующихся слоев формованной неплоской полимерной пленки с односторонним или двухсторонним напылением металла (патент на изобретение RU №2587740 «Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата», МПК B64G 1/58, дата публикации 20.06.2016).
Известна двуслойная теплозащита, состоящая из теплоизоляционного и теплозащитного слоя (патент на изобретение RU №2509040 «Термостойкая система теплозащиты поверхности гиперзвуковых летательных и возвращаемых космических аппаратов», МПК B64G 1/58, В64С 1/38, F42B 15/34, дата публикации 10.03.2014).
Также известна двуслойная композиционная система с пошаговым нанесением слоев (патент на изобретение RU №2303617 «Композиционная теплозащитная система и способ теплозащиты», МПК C09D 5/18, C09D 163/00, дата публикации: 27.07.2007).
Известны теплозащитные покрытия, состоящие из трех и четырех слоев нетканого углеродного каркаса и карбидокремниевой матрицы (патент на полезную модель RU №175034 «Схема теплозащитного покрытия многоразового теплового щита спускаемого аппарата для возвращения после полета к Луне», МПК B64G 1/58, B64G 1/62, дата публикации 16.11.2017; патент на полезную модель RU №173721 «Схема теплозащитного покрытия многоразового теплового щита спускаемого аппарата для возвращения с низкой околоземной орбиты», МПК B64G 1/58, B64G 1/62, дата публикации 07.09.2017).
Недостатками вышеперечисленных вариантов покрытий являются:
1) Сложный технологический процесс изготовления и нанесения теплозащитных покрытий.
2) Использование сложного технологического оборудования.
3) Получаемая толщина теплозащиты, и как следствие значительный получаемый вес покрытия.
Известны теплозащитные покрытия, состоящие из нескольких слоев, получаемых с помощью различных методов и способов напыления.
Например, известно послойное нанесение пневмопистолетом (патент на изобретение RU №2497783 «Теплозащитное покрытие», МПК С04В 41/87, С04В 38/08, дата публикации 10.11.2013).
Также известна многослойная система напыления (патент на изобретение RU №2260071 «Способ нанесения теплозащитного эрозионностойкого покрытия», МПК С23С 4/04, С23С 4/12, дата публикации 10.09.2005).
Недостатками вышеперечисленных вариантов покрытий являются:
1) Слабая корреляция и невысокая пластичность получаемого покрытия.
2) Низкая адгезионная прочность.
3) Сложность нанесения покрытия, высокие энергозатраты многослойного процесса напыления, стоимость и расход порошкового материала.
4) Технологические сложности, связанные с формированием локальных участков покрытия.
Также известно теплозащитное покрытие на основе абляционных материалов, конструктивно состоящее из силового набора элементов асбестотекстолитовых колец и «обмазки», из фенолформальдегидных смол. Данное теплозащитное покрытие использовалось в конструкции всех спускаемых аппаратов: в сериях кораблей «Восток», «Восход», «Меркурий», «Джемини», «Аполлон», «ТКС», и продолжает использоваться в кораблях «Союз», «Шэньчжоу» и SpaceX «Dragon» (источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/ «Абляционная защита», дата обращения 04.08.2020 г.).
Недостатками рассматриваемого теплозащитного покрытия являются: получаемая толщина теплозащиты на поверхности, и как следствие увеличение общего веса конструкции.
За прототип принято изобретение RU №2719529 «Теплозащитное покрытие корпуса высокоскоростного летательного аппарата», МПК В64С 1/38, B64G 1/58, F42B 15/34, дата публикации: 21.04.2020 г. В данном патенте теплозащитное покрытие корпуса высокоскоростного летательное аппарата, выполнено из теплоизоляционного и теплозащитного материалов, представленных в виде поочередно расположенных матов с газопроницаемыми и газонепроницаемыми оболочками, перекрывающими дренажные отверстия, выполненные с объемным расходом газа через них, что позволяет обеспечивать изменения перепада давления.
Недостатками такого покрытия являются:
1) Сложность конструкции, связанная с толщиной получаемой теплозащиты и как следствие со скоплением и дальнейшим распределением выделяемого газа через газопроницаемые маты и дренажные отверстия.
2) Сложность конструкции, связанная с установкой вертикальных матов теплоизоляции, которые в том числе предотвращают искривление теплозащиты, вызванное толщиной получаемого теплозащитного слоя.
3) Общий получаемый вес конструкции.
Задачей изобретения является получение послойного теплозащитного покрытия.
Технический результат заключается в снижении веса и толщины получаемого теплозащитного покрытия, а также защите конструкции от высокотемпературного нагрева.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в теплозащитном покрытии летательного аппарата, выполненном из эрозионностойкого высокотемпературного материала и аблирующего материала с малой плотностью и низкой теплопроводностью, слои из эрозионностойкого высокотемпературного материала и аблирующего материала нанесены с чередованием более 1 раза. При этом толщина слоя эрозионностойкого высокотемпературного материала 1-2 мм, толщина слоя аблирующего материала с малой плотностью и низкой теплопроводностью 2-3 мм. Покрытие может быть нанесено на поверхность конструкции из металла или композитных материалов.
На фиг. 1 показана схема нанесения пятислойного покрытия (на примере носового обтекателя).
На фиг. 2 показан образец с нанесенным теплозащитным многослойным покрытием до испытаний.
На фиг. 3 показан образец с нанесенным теплозащитным многослойным покрытием после испытаний.
На фиг. 1 показана схема нанесения пятислойного покрытия (на примере носового обтекателя), где:
1 - каркас обтекателя;
2, 4 и 6 - слои эрозионностойкого высокотемпературного теплозащитного материала (например, типа 1111 толщиной 1-2 мм);
3 и 5 - слои термостойкого аблирующего материала с малой плотностью и низкой теплопроводностью (например, типа «Термосил» или ВШ-27Ф, толщиной 2-3 мм).
Теплозащитное многослойное покрытие летательного аппарата создают при помощи нанесения (напыления) эрозионностойкого высокотемпературного (плотного) слоя теплозащитного материала (например, типа ТПТ) толщиной 1-2 мм, который в соответствии с технологией сушится и полимеризуется в течение нескольких часов. На первый полученный слой наносят второй слой покрытия - из термостойкого аблирующего материала с малой плотностью и низкой теплопроводностью (например, типа «Термосил» или ВШ-27Ф) толщиной 2-3 мм, который также сушится и полимеризуется в течение нескольких часов. Затем, на второй полученный слой наносится слой покрытия, аналогичный первому слою (эрозионностойкий высокотемпературный (плотный) слой теплозащитного материала типа ТПТ толщиной 1-2 мм), а на него, после технологической сушки, вновь наносят высокотемпературное аблирующее покрытие с малой плотностью и низкой теплопроводностью, типа «Термосил» или ВШ толщиной 2-3 мм. Число и толщины таких слоев определяются режимом полета, конструкцией летательного аппарата и допустимым температурным режимом силовой конструкции.
В начальный момент полета в условиях, наибольших сдвигающих (сдирающих) усилий и возникающих скоростных напоров, работоспособность всего покрытия обеспечивает слой 6 из эрозионностойкого высокотемпературного теплозащитного материала; при этом в момент возникновения теплового удара и наличия высоких температур постепенно включается в работу слой 5 из термостойкого аблирующего материала с малой плотностью и низкой теплопроводностью. После разрушения (уноса) слоя 5 в работу включается находящийся под ним слой 4, аналогичный слою 6. В случае необходимости под ним может находиться слой 3 из термостойкого аблирующего материала с малой плотностью, аналогичный 5 слою и так далее.
Были проведены испытания различных комбинаций, наносимых (напыляемых) материалов покрытий на образцах размером 100×100 мм в вакуумной камере до температур 1600-1800 К, а также в аэродинамической трубе на образцах диаметром 50 мм. На фиг. 2 показан образец до начала испытаний, на фиг. 3 показан образец после проведения испытаний, в вакуумной камере до температуры 1700 К. Полученное теплозащитное покрытие было испытано на опытных агрегатах изделий, что подтвердило работоспособность многослойного покрытия из двух материалов, имеющих разные теплофизические характеристики.
Таким образом, разработано теплозащитное многослойное покрытие, которое позволяет защитить конструкцию летательного аппарата от перегрева и повысить его летно-технические характеристики.