Двухслойное теплозащитное покрытие из композиционных материалов для защиты металлических конструкций планеров гиперзвуковых летательных аппаратов
TWO-LAYER HEAT-PROTECTIVE COATING MADE OF COMPOSITE MATERIALS FOR PROTECTION OF METAL STRUCTURES OF GLIDERS OF HYPERSONIC AIRCRAFT

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике и может быть использовано для наружной тепловой защиты элементов гиперзвуковых летательных аппаратов в условиях аэродинамического нагрева и высоких скоростных потоков.
Одним из вариантов обеспечения тепловой защиты является нанесение на защищаемую поверхность теплозащитного покрытия в виде слоя композиционного материала, содержащего разлагаемый наполнитель (см. патент РФ №2400396 «Способ тепловой защиты передней кромки летательного аппарата» МПК В64С 1/38, опубл. 27.09.2010 г. Бюл. №27), однако такое покрытие не позволяет решить проблему снижения массы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является патент РФ №2249785 «Активное теплозащитное покрытие динамического объекта от поражающих потоков большой плотности» (МПК F42B 12/76, B64G 1/58, В32В 15/16, опубл. 10.04.2005 г. Бюл. №10), которое выполнено из разнородных по материалу слоев, включающих микробаллоны с инертным газом под давлением, армирующей сетки из базальтового волокна и сминаемой сотовой структуры из медной фольги. Теплозащитное покрытие состоит из трех слоев, внешний слой выполнен из герметика, наполненного микробаллонами, среднего слоя, выполненного в виде абляционного покрытия с микробаллонами, армированного сеткой базальтового волокна и нижнего слоя, выполненного в виде сотовой структуры из медной фольги.
Известное техническое решение, принятое за прототип, обеспечивает термоударную защиту объекта в случае воздействия теплового или рентгеновского излучения высокой энергии или потока микрочастиц.
3
Из описания прототипа следует, что главной целью покрытия является защита головной части от поражающих высокоэнергетических факторов, а не обеспечение заданного теплового режима внутри изделия при его работе по прямому назначению. Именно для демпфирования возможного удара применяются соты из меди. Однако медь имеет большую плотность (8,92 г/см) и теплопроводность, что приводит к большой массе теплозащитной системы и снижает ее эффективность при длительном полете с гиперзвуковыми скоростями в атмосфере - по мере разрушения абляционных слоев сотовая медная структура быстро прогреется и начнет нагревать корпус изделия, что может привести как к потере механической прочности корпуса, так и к отказу оборудования при росте температуры внутри отсеков.
Предлагаемое изобретение направлено на решение следующей задачи - обеспечение температурного режима работоспособности несущей конструкции и оборудования изделия во время работы изделия по прямому назначению в условиях интенсивного аэродинамического нагрева и высоких скоростных потоков при минимально возможной массе теплозащитной системы.
Минимальная масса теплозащитной системы позволяет увеличить полезную нагрузку или количество топлива, что приведет к увеличению времени работы изделия или его эффективности при применении.
3
3
Поставленная задача решается применением многослойной теплозащитной системы, состоящей из внутреннего теплоизоляционного слоя низкой плотности (0,54 г/см) - кремнийорганический полимерный композиционный материал с тугоплавким наполнителем из стеклянных газонаполненных микросфер - и наружного эрозионно стойкого абляционного теплозащитного материала (плотность 1,7 г/см), состоящего из полимерного связующего и двух видов тугоплавких наполнителей - кремнеземной ткани объемного плетения и мелкодисперсного порошка оксида алюминия. Абляционный эрозионно стойкий теплозащитный материал защищает теплоизолирующий слой от воздействия высокотемпературного потока, возникающего в условиях интенсивного аэродинамического нагрева и высоких скоростных напоров при работе изделия в плотных слоях атмосферы.
Разделение теплозащитного покрытия на теплоизолирующий материал из кремнийорганической смолы с микросферами, заполненными воздухом, и эрозионно стойкий абляционный материал позволило уменьшить общую массу теплозащитного покрытия при уменьшении общей теплопроводности.
На фиг. 1 представлена схема двухслойного теплозащитного покрытия, где 1 - защищаемая поверхность (металлический корпус изделия), 2 - теплоизолирующий материал из кремнийорганического связующего с высокими теплоизолирующими свойствами, 3 – эрозионно стойкий абляционный армированный теплозащитный материал.
При полете изделия в плотных слоях атмосферы на элементы гиперзвуковых летательных аппаратов с внешней стороны действуют интенсивные тепловые аэродинамические нагрузки. Под действием этих нагрузок происходит абляция (деструкция) связующего в материале наружной тепловой защиты 3, что сопровождается обменом массой с окружающей средой, поглощением теплоты. Слой теплоизолирующего материала 2 снижает скорость распространение теплового фронта к металлическому корпусу 1 и существенно увеличивает время работы изделия, обеспечивая температурный режим работоспособности несущей конструкции и оборудования изделия.
Промышленная применимость заявляемого изобретения подтверждена при испытаниях образцов наружной тепловой защиты изделий на плазмотроне и аэродинамической трубе с моделированием натурных тепловых потоков, а также успешными летными испытаниями.