Способ тепловой защиты элемента конструкции летательного аппарата в полете и устройство для его осуществления
METHOD FOR THERMAL PROTECTION OF AIRCRAFT STRUCTURAL ELEMENT IN-FLIGHT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявляемые технические решения относится к авиационной и ракетной технике, в частности, к активной тепловой защите элементов конструкции летательного аппарата, непосредственно в процессе его полета. Практика эксплуатации высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) показала (например, Шаттла или Бурана), что при высоких скоростях (больше одного Маха) происходит существенные истирания защитных покрытий в местах непосредственного контакта с лобовой атмосферой. Ресурс эксплуатации повышают после приземления (ЛА) путем дополнительной обработки для утолщения защитного слоя.
Известен способ охлаждения поверхности космического корабля при входе его в плотные слои атмосферы (патент RU №1711438), включающий ввод в набегающий высокоскоростной поток перед защищаемой поверхностью конструкции летательного аппарата теплопоглощающей среды в виде смеси инертного газа и ферромагнитных частиц размером не более 20 мкм и создание условий для поглощения ею избыточной тепловой энергии, поступающей на защищаемую поверхность.
Недостатком известного технического решения является неэффективность такого приема в условиях набегающего высокоскоростного потока, так как имеет место не целевое использование теплопоглощающего материала.
Известен способ охлаждения головной части летательного аппарата, где подают охлаждающую жидкость на внешнюю поверхность пористой оболочки навстречу набегающему высокотемпературному газовому потоку (RU №2463209).
Недостатком данного технического решения является необходимость большого количества охлаждающей жидкости, которое необходимо подавать под сильным давлением на поверхность через поры, что увеличивает массу летательного аппарата, при этом возникает необходимость решения задачи получения пористой поверхности с одинаковыми порами для симметричного охлаждения. Также снижается надежность системы в целом, что связано с особенностями движения жидкостей в пористых материалах.
Известен способ охлаждения поверхности конструкции летательного аппарата с помощью смеси паров, полученных из метангидрата, поданного в набегающий поток (патент RU №2559182). При поглощении энергии набегающего потока и излучения головной ударной волны происходят диссоциация молекул воды и метана и реакции синтеза, что приводит к охлаждению набегающего потока и снижению тепловой нагрузки на корпус летательного аппарата.
Недостатком известного технического решения является его неэффективность поскольку не удается обеспечить полного разложения метангидрата из-за его сноса скоростным напором и неполной диссоциации молекул воды и метана. Кроме того, этот способ, также, как и другие вышеописанные способы, не позволяет восстановить утраченные слои наружного теплозащитного слоя ЛА.
Исследуемый уровень техники не выявил аналогов близких по технической сущности предлагаемому способу восстановления теплозащитного покрытия ЛА в процессе его полета.
Технической задачей, вытекающей из требований к современным высокоскоростным и высокоманевременным ЛА, является повышение надежности и долговечности систем их тепловой защиты. На данной основе ожидается повышение их основныхлетно-технических характеристик.
Указанная техническая задача решается тем, что теплозащитное покрытие, нанесенное на элемент конструкции летательного аппарата, восстанавливают в процессе полета. Для этого в заявляемом способе тепловой защиты в область перед защищаемым элементом конструкции или поверхности ЛА навстречу набегающему потоку через устройство подачи, например, форсунку или сопло, подают порошок из жаростойкого и жаропрочного материала, того же, что и уже нанесенного изначально на Земле на защищаемый элемент конструкции слоя теплозащитного покрытия. Для осуществления такого способа ЛА оборудуется внутренним устройством, обеспечивающим в полете подачу порошкообразного материала в наружное лобовое пространство при одновременном формировании электростатического поля в этом пространстве.
Технический эффект, достигаемый в результате реализации заявляемого способа - это повышение надежности и долговечности системы тепловой защиты летательного аппарата за счет непрерывного или периодического восстановления (нанесения) в полете теплозащитного покрытия защищаемого элемента конструкции летательного аппарата в процессе движения летательного аппарата в атмосфере с высокими скоростями. Восстановление теплозащитного покрытия позволяет увеличить продолжительность полета летательного аппарата с высокими скоростями.
Реализация заявляемого способа иллюстрируется схемой устройства для его осуществления, представленной на фиг. 1.
Изобретение работает следующим образом. Внутренне устройство ЛА при помощи компрессора нагнетает давление, и под его воздействием из емкости-сборника через форсунку в лобовое пространство ЛА подается порошок из материала восстанавливаемого защитного покрытия. Целевое применение порошкообразного материала, его распределение по зонам восстанавливаемой поверхности и предотвращение бесцельного уноса встречными потоками осуществляют путем формирования в зоне электростатического поля. Создание поля является обязательным условием осуществимости способа. Для этого устройство содержит автомат для синхронного одновременного включения нагнетающего компрессора и источника напряжения, создающего наружное электростатическое поле.
Подачу частиц порошка можно производить непрерывно или периодически. В случае возникновения нештатных ситуаций, связанных с перегревом, возможно увеличение количества подаваемого порошка защитного покрытия
Образование нового слоя покрытия и его восстановление происходит следующим образом. При попадании частиц порошка восстанавливаемого защитного покрытия в высокоскоростной высокотемпературный набегающий поток они частично оплавляются и с их поверхности начинают выходить горячие электроны - происходит термоэлектронная эмиссия. В результате частицы порошка приобретают положительный заряд. При этом положительно заряженные частицы порошка из материала восстанавливаемого защитного покрытия за счет действия сил кулоновского взаимодействия притягиваются к покрытию. При соприкосновении с восстанавливаемым защитным покрытием положительно заряженные частицы прилипают к покрытию, увеличивая тем самым его толщину, происходит наслоение материала (восстановление или увеличение толщины) восстанавливаемого защитного покрытия.
Кроме того, если частицы порошка восстанавливаемого защитного покрытия выполнены из материала с низкой работой выхода электронов, то при его восстановлении (наслоении) и нейтрализации, оно также начинает испускать электроны - происходит термоэлектронная эмиссия и электронное охлаждение восстанавливаемого защитного покрытия, что также увеличивает его надежность и долговечность.
Устройство для осуществления способа защиты летательного аппарата от экстремальных температурных воздействий состоит из двух взаимосвязанных частей - приспособления для пылеобразования и электрического контура для создания электромагнитного поля. Приспособление состоит из компрессора 1, емкости-сборника 2 и форсунок 4 в выходном отверстии, расположенных внутри аппарата, с возможностью подачи пылеобразной струи из измельченного порошкообразного материала наносимого покрытия, через выходное отверстие в области передней точки корпуса. Электрический контур включает источник напряжения 6, автомат для одновременного включения двух объектов 9, токопроводящую подложку 3, электроды. Один из электродов - анод 7 - закреплен на изоляционной подложке 8 кормовой части и подключен к плюсовому полюсу источника напряжения. На токопроводящую подложку нанесено восстанавливаемое в полете теплозащитное покрытие 5, причем внутри токопроводящей подложки располагают форсунку, выходное отверстие которой совмещено с поверхностью восстанавливаемого в полете теплозащитного покрытия, при этом форсунка гидравлически последовательно связана через источник высокодисперсного порошка восстанавливаемого в полете теплозащитного покрытия с источником высокого давления, токопроводящая подложка механически связана с анодом через слой электроизоляции, который электрически последовательно через источник напряжения и токопроводящую подложку связан с восстанавливаемым в полете теплозащитным покрытием, причем положительный полюс источника напряжения подключен к аноду, а отрицательный - к токопроводящей подложке.
Для этого на защищаемом участке конструкции устанавливают элемент - анод 7 через слой электроизоляции 8 воспринимающий электроны из набегающего потока. Сам защищаемый элемент конструкции в данном случае представляет собой токопроводящую подложку, на которую нанесен слой восстанавливаемого в полете теплозащитного покрытия 5. Анод 7 через источник напряжения 6 последовательно связывают через токопроводящую подложку 3 с восстанавливаемым в полете теплозащитным покрытием 5, причем отрицательный полюс подключен через токопроводящую подложку 3 к восстанавливаемому в полете теплозащитному покрытию 5, а положительный - к аноду 7.
Таким образом обеспечивается поддержание целостности защищаемого элемента конструкции путем непрерывного или периодического восстановления (нанесения) в полете восстанавливаемого в полете теплозащитного покрытия в течение всего времени полета летательного аппарата с высокими скоростями.
Кроме того, при подаче порошка с низкой работой выхода электронов при нагреве возможна организация электронного контура охлаждения восстанавливаемого в полете теплозащитного покрытия. В этом случае с восстанавливаемого в полете теплозащитного покрытия при нагреве эмитируют электроны, охлаждая его. Электроны воспринимают анодом и через источник напряжения и токопроводящую подложку направляют в восстанавливаемое в полете теплозащитное покрытие. При этом токопроводящая подложка и восстанавливаемое в полете теплозащитное покрытие из материала с низкой работой выхода электронов представляет собой катод.
Подготовка к осуществлению способа проводится на земле, на стадии предполетной подготовки, в частности заполняется емкость порошком заданного материала (теплозащитного покрытия) с необходимой степенью дисперсности для обеспечения полета с заданными (ожидаемыми) параметрами.
Таким образом, решается указанная техническая задача и достигается технический результат, который заключается в повышении надежности и долговечности системы тепловой защиты за счет увеличения долговечности теплозащитного покрытия путем его непрерывного или периодического восстановления в процессе движения летательного аппарата в атмосфере с высокими скоростями. Восстановление теплозащитного покрытия позволяет увеличить продолжительность полета летательного аппарата с высокими скоростями за счет поддержания необходимой в заданный момент полета толщины слоя теплозащитного покрытия, обеспечив тем самым более длительное время выполнения его теплозащитных функций.
Кроме того, появляется возможность предотвратить изменение аэродинамических характеристик в процессе полета, вызванные необратимым термохимическим разрушением теплозащитного покрытия. Также отсутствует необходимость в большой толщине теплозащитного покрытия для длительного полета, поскольку тепловая защита обеспечивается путем восстановления (непрерывного или периодического) теплозащитного покрытия, что способствует увеличению аэродинамических характеристик ВЛА. Еще одним достоинством предлагаемой схемы является отвод тепловой энергии аэродинамического нагрева путем ее уноса при термохимическом разрушении теплозащитного покрытия в обтекающий ВЛА поток, а не прохождение этого тепла в конструкцию. На данной основе упрощается послеполетное обслуживание, поскольку не требуется отвод накопленного в полете тепла, и тем самым может быть обеспечена многоразовость перспективных авиационно-космических средств выведения.