ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ КОРПУСА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ)
HEAT-INSULATING COATING OF HIGH-SPEED AIRCRAFT BODY (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к авиационной, ракетной и космической технике.
Известна плиточная пассивная теплозащита, применяемая на таких аппаратах, как орбитальные корабли «Буран» и «Space Shuttle» («Авиационные материалы и технологии», спецвыпуск 2013, стр. 41). Теплозащитное покрытие (ТЗП) состоит из теплозащитных элементов, покрывающих корпус аппарата наподобие чешуи и состоящих из волокнистой кварцевой теплозащитной плитки, эрозионностойкого и лакового покрытий, демпфирующей прокладки и клея, соединяющего демпфирующую прокладку с плиткой и с корпусом аппарата.
Основным недостатком такой теплозащиты является большое количество элементов (порядка 37500 штук). Унос даже нескольких из них может привести к тому, что температурные режимы на отдельных участках корпуса аппарата не будут соблюдены. Кроме того, плиточная теплозащита не увеличивает несущей способности корпуса аппарата. Серьезным недостатком кварцевых керамических плиток является их чрезвычайная хрупкость и низкая прочность.
Известна система высокотемпературной тепловой защиты многоразовых возвращаемых аппаратов и гиперзвуковых летательных аппаратов, состоящая из отдельных многослойных (не менее трех слоев) теплоизоляционных панелей (патент US 4925134). Первый или внешний слой теплозащиты состоит из внешнего и внутреннего листов металлической фольги с расположенным между ними рифленым листом металлической фольги. Второй слой представляет собой пакет гофрированных металлических листов с направлением гофра, повернутым на 90 градусов между соседними слоями, и расположенные между соседними гофрированными листами керамические волокна, имеющие определенную величину теплоизоляции. Третий слой аналогичен первому. Четвертый слой представляет собой пакет керамических волокон, отделенных друг от друга соответствующими не несущими, отражающими инфракрасное излучение слоями фольги. Если используется четвертый слой, он располагается между вторым и третьим слоями.
Как и в предыдущем варианте, теплозащита состоит из отдельных панелей, и обладает перечисленными выше недостатками.
Известна термостойкая система теплозащиты, состоящая из теплоизоляционного слоя и теплозащитного композиционного слоя, включающего композиты с керамической матрицей, армированной теплостойкими волокнами и содержащей сублимирующее твердое вещество (патент RU 2509040 С2). Теплозащита обеспечивается за счет интенсивного уноса тепла при испарении сублимирующего материала и низкой теплопроводности материала теплоизоляционного слоя.
Подобное ТЗП целесообразно использовать на наиболее теплонагруженных частях летательного аппарата, таких как носок и кромки, в то время как применение такой ТЗП на всей поверхности корпуса аппарата приведет к ухудшению массовых и экономических показателей конструкции.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение заданных температурных режимов корпуса высокоскоростного летательного аппарата (ВЛА) с обеспечением его несущей способности при одновременной минимизации толщины пакета ТЗП.
Решением поставленной задачи является ТЗП корпуса ВЛА, выполненное в виде слоя теплозащитного композиционного материала, одного и более слоев теплоизоляционного материала, в котором теплозащитный и теплоизоляционный слои и/или теплоизоляционный слой с оболочкой силового корпуса размещены с зазором, в котором одна и более поверхности слоев облицованы материалом с высокой отражательной и низкой излучательной способностями.
Теплоизоляционный материал может состоять из нескольких слоев, один и более из которых размещены друг относительно друга с зазором, в котором одна и более поверхности слоев облицованы материалом с высокой отражательной и низкой излучательной способностями.
В зазоре могут быть размещены один и более металлических экранов с высокой отражательной и низкой излучательной способностями.
Поверхность контакта облицовки с теплоизоляционным материалом и/или оболочкой силового корпуса может быть выполнена шероховатой, если в зоне контакта преобладает кондуктивный теплообмен, или гладкой, если в зоне контакта преобладает радиационный теплообмен.
ТЗП корпуса ВЛА может быть выполнено в виде теплозащитного слоя из композиционного материала, размещенного с зазором относительно оболочки силового корпуса. В зазоре расположены один и более металлических экранов с высокой отражательной и низкой излучательной способностями, а поверхность теплозащитного слоя и/или поверхность оболочки силового корпуса, контактирующие с зазором, облицованы материалом с высокой отражательной и низкой излучательной способностями.
Для пояснения изобретения представлены следующие графические материалы:
- на фиг. 1 представлены примеры пакетов ТЗП, где 1 - теплозащитный слой, 2 - теплоизоляционный слой, 3 - силовая оболочка корпуса, 4 - облицовка, 5 - экран;
Исходя из уровней тепловых нагрузок, критичным элементом корпуса ВЛА является его тепловая защита. Выполнение требований к летно-техническим характеристикам требует синтеза материалов и пакетов тепловой защиты из этих материалов, обеспечивающих восприятие необходимых уровней теплового воздействия с сохранением работоспособности конструкции.
Основные усилия по выбору теплоизоляционных материалов и пакетов пассивной тепловой защиты, обеспечивающих понижение температурного режима во внутреннем объеме корпуса ВЛА, сконцентрированы на оптимизации ТЗП корпуса ВЛА с применением современных теплозащитных материалов, теплоизоляционных материалов разной плотности, экранов с высокой отражательной способностью и других элементов.
В предложенном пакете ТЗП слой теплозащитного материала предназначен для обеспечения стойкости корпуса ВЛА к воздействию высокотемпературного воздушного потока и восприятия аэродинамических нагрузок.
Совокупность характеристик слоя теплозащитного материала и исполнение его в виде повторяющей контур корпуса единой конструкции, позволяют воспринимать высокие рабочие давления от высокотемпературного воздушного потока, сохранять геометрические параметры без изменения, обеспечить работоспособность элементов теплозащитного корпуса в условиях воздействия внешних факторов.
Такое исполнение теплозащитного слоя позволяет также уменьшить плотность теплоизоляционного слоя, поскольку исчезает необходимость восприятия нагрузок, приходящих с теплозащитного слоя (как это происходит, например, в плиточной ТЗП). Как следствие, уменьшается вес ТЗП в целом.
Теплоизоляцию выполняют из одного и более слоев теплоизоляционных материалов, которые могут различаться по теплофизическим характеристикам (теплоемкость, коэффициент теплопроводности и интегральной (спектральной) излучательной способности, максимальная рабочая температура, спектральные коэффициенты поглощения и рассеивания излучения). Выбор конкретного материала производится в зависимости от температуры в заданном слое теплоизоляции.
Зазоры, предусмотренные в предлагаемом пакете теплозащиты, позволяют исключить кондуктивный теплообмен между слоями.
Облицовка с высокой отражательной способностью снижает интенсивность радиационного теплообмена путем частичного отражения энергии теплового (инфракрасного) излучения. В зависимости от механизма теплопередачи, реализующемся при данной температуре в теплоизоляционном материале, внутренние поверхности облицовок (т.е. поверхности контакта теплоизоляции и облицовки) и наружная поверхность силового корпуса выполняются с заданной степенью шероховатости. В случае, если в зоне контакта теплоизоляции и облицовки (и/или силового корпуса) (металлических элементов) преобладает кондуктивный теплообмен, поверхность контакта выполняют шероховатой с целью увеличения контактного термического сопротивления. В случае, если в зоне контакта теплоизоляции и облицовки (силового корпуса) преобладает радиационный теплообмен, поверхность контакта выполняют полированной (доведенной, гладкой) с целью повышения экранирующих свойств.
Экраны с высокой отражательной способностью также снижают интенсивность радиационного теплообмена путем частичного отражения энергии инфракрасного излучения.
В качестве материалов для облицовки и экранов могут быть использованы алюминий, золото, серебро, платина и другие. Выбор материалов экранов производят в соответствии с зависимостями спектральных характеристик теплозащиты, теплоизоляции и металлов в рассматриваемом интервале температур.
Благодаря тому, что теплозащитный слой воспринимает на себя внешние нагрузки, при достаточной эффективности экранов для обеспечения заданных температур на оболочке силового корпуса, возможно исключить слои теплоизоляции.
Предлагаемое теплозащитное покрытие корпуса высокоскоростного летательного аппарата или возвращаемого космического аппарата позволяет обеспечить заданные тепловые режимы, прочностные характеристики и работоспособность корпуса ВЛА без введения дополнительных сложных систем охлаждения и без увеличения толщины пакета тепловой защиты.