ЭКРАННО-ВАКУУМНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ КРИОГЕННОЙ ЕМКОСТИ РАКЕТНОГО КОСМИЧЕСКОГО РАЗГОННОГО БЛОКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SCREEN VACUUM HEAT INSULATION OF CRYOGENIC TANK OF ROCKET SPACE UPPER STAGE AND METHOD OF FABRICATION THEREOF

Изобретение относится к криогенной и ракетно-космической технике и может быть использовано при теплоизолировании поверхностей баков, поверхностей емкостей для хранения и транспортирования криогенных жидкостей и т.п.
Известна экранно-вакуумная теплоизоляция и способ ее изготовления, при котором на криогенную емкость осуществляется намотка экранно-вакуумной теплоизоляции, состоящей из слоев узких лент экранного и прокладочного материала (см. A.M.Архаров и др. «Криогенные системы». М.: Машиностроение. 1987, с.488, 489 и М.Г.Каганер «Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях», Москва, «Энергия», 1979, стр.211).
Эта экранно-вакуумная теплоизоляция и способ ее изготовления выбраны за прототип.
Недостатками прототипа является то, что:
- при больших размерах криогенной емкости, а также при сложной конфигурации экранно-вакуумной теплоизоляции с учетом прохождения через нее подводящих коммуникаций к криогенной емкости (трубопроводы, клапаны, кабели, люки-лазы и др.) значительно усложняется технология изготовления и монтажа экранно-вакуумной теплоизоляции;
- не предусмотрено крепление слоев экранно-вакуумной теплоизоляции между собой при большом количестве слоев экранно-вакуумной теплоизоляции (более 20);
- установку экранно-вакуумной теплоизоляции на криогенную емкость необходимо производить с перекрытием на большой длине лент, что значительно увеличивает ее массу;
- экранно-вакуумную теплоизоляцию в ряде случаев необходимо частично демонтировать и устанавливать вновь, при этом нарушается ее целостность и, как следствие, снижаются ее теплофизические свойства.
Задачей предложенной экранно-вакуумной теплоизоляции криогенной емкости ракетного космического разгонного блока и способа ее изготовления является создание с минимальными массовыми затратами экранно-вакуумной теплоизоляции без снижения ее теплофизических свойств при ее многоразовом применении.
Для получения наилучших теплофизических свойств экранно-вакуумной теплоизоляции при ее изготовлении, монтаже на емкости и эксплуатации она должна быть максимально близка к форме криогенной емкости, что может быть достигнуто раскроем экранно-вакуумной теплоизоляции с применением имитатора формы криогенной емкости.
Задача решается за счет того, что экранно-вакуумная теплоизоляции состоит из матов, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета, причем каждый пакет состоит из чередующихся слоев экранного материала и прокладочного материала, кроме того, два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев каждого мата, зазоры в стыках пакетов перекрыты дополнительными слоями экранного материала.
Задача решается за счет того, что пакеты экранно-вакуумной теплоизоляции изготавливают по шаблонам, устанавливают их на имитатор теплоизолируемой поверхности криогенной емкости, слои в пакетах скрепляют между собой кнопками, из пакетов собирают маты, не менее трех верхних слоев каждого мата, обшивают по контуру тканью, при этом стыки пакетов в матах смещают друг относительно друга, маты укладывают друг относительно друга с перекрытием пакетов и соединяют между собой.
На фиг.1 и 2 схематично представлен состав мата экранно-вакуумной теплоизоляции, где:
1. криогенная емкость;
2. первый слой экранного материала;
3. пакеты;
4. слои экранного материала;
5. слои прокладочного материала;
6. последний слой экранного материала;
7. кнопки;
8. ткань;
9. стыки пакетов;
10. дополнительные слои экранного материала.
Экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока состоит из матов, в состав каждого из которых входит, по крайней мере, два пакета 3, причем каждый пакет 3 состоит из чередующихся слоев экранного материала 4 и прокладочного материала 5, кроме того, два слоя экранного материала, формованные на металлической сетке, установлены в качестве первого и последнего слоев 2 и 6 экранного материала каждого мата, зазоры в стыках пакетов 9 перекрыты дополнительными слоями экранного материала 10.
Как показывает практика, такой состав экранно-вакуумной теплоизоляции является наиболее оптимальным для эффективного хранения криогенных компонентов (например, жидкого кислорода) в криогенных емкостях большого объема, в том числе для космических условий, при этом количество слоев в пакетах 3 и количество пакетов 3 в матах определяется тепловым расчетом, исходя из условий эксплуатации изделия.
Слои экранного материала 4, как правило, перфорируют для обеспечения выхода газа из межслойных пространств при вакуумировании экранно-вакуумной теплоизоляции.
Слои экранного материала 4 большой площади получают путем сварки полотен этого материала друг с другом с последующим кроем по шаблону в составе пакетов 3.
Толщина слоев экранного материала 4 и их тип выбирают в зависимости от условий эксплуатации экранно-вакуумной теплоизоляции.
Формование на сетке выполняется для получения объемного экранного материала 4, обеспечивающего необходимые зазоры между соседними поверхностями (например, между поверхностью криогенной емкости 1 и первым слоем экранного материала 2).
Процесс теплопередачи через экранно-вакуумную теплоизоляцию в общем случае осуществляется тремя видами теплопереноса: теплопроводностью по твердому телу, теплопроводностью по газу и лучистой составляющей теплового потока.
Теплопроводность по твердому телу определяется количеством контактов между слоями экранного материала 4. Для их уменьшения между слоями экранного материала 4 устанавливают прокладку, выполненную из низкотеплопроводного материала, например стекловуали или капрона. При невесомости от наличия остаточных деформаций в экранно-вакуумной теплоизоляции количество контактов и их площадь уменьшается, при этом снижается составляющая теплопереноса по твердому телу.
-8
-9
-4
В процессе полета ракеты давление окружающей среды уменьшается и в конечном итоге достигает уровня от 10 до 10 мм рт. ст. За счет наличия перфорации слоев экранно-вакуумной теплоизоляции газ из межслойных пространств удаляется в окружающее пространство и при достижении давления в слоях 10 мм рт. ст. и ниже процесс вакуумирования становится квазистационарным и составляющая теплового потока по газу становится близкой к нулю.
Лучистая составляющая теплового потока определяется качеством металлизации слоев экранного материала 4 и характеризуется степенью черноты. Современные экранные материалы 4 металлизируются алюминием, при этом степень черноты находится в пределах 0,05-0,1. Лучистая составляющая теплового потока зависит только от перепада температур между слоями экранного материала 4 и качества их металлизации.
В способе изготовления экранно-вакуумной теплоизоляции криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока, включающей изготовление матов в виде чередующихся слоев экранного 4 и прокладочного материала 5, пакеты 3 экранно-вакуумной теплоизоляции изготавливают по шаблонам, устанавливают их на имитатор теплоизолируемой поверхности криогенной емкости 1, слои в пакетах 3 скрепляют между собой кнопками 7, из пакетов 3 собирают маты, при этом не менее трех верхних слоев каждого мата обшивают по контуру тканью 8, при этом стыки пакетов 9 в матах смещают друг относительно друга, маты укладывают друг относительно друга с перекрытием пакетов 3 и соединяют между собой.
В матах экранно-вакуумной теплоизоляции выполнены отверстия (вырезы разной конфигурации), обшитые тканью 8, через которые проходят, например, электрические и пневмогидравлические связи с емкостью 1. Зазоры между отверстиями в теплоизоляции и конструкциями, связанными с емкостью 1, могут быть перекрыты, например, намоткой ленточной экранно-вакуумной теплоизоляции на эти конструкции.
Маты, выполненные в объемном виде, хранятся и транспортируются на объемных каркасах, этим обеспечивается их качественное состояние.
Экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока работает следующим образом.
-4
В процессе полета ракеты с падением атмосферного давления газ, находящийся в межслойных пространствах экранно-вакуумной теплоизоляции, выходит из экранно-вакуумной теплоизоляции за счет наличия перфорации в слоях экранного материала 4 и прокладочного материала 5 и при достижении давления ниже 10 мм рт.ст. процесс вакуумирования становится близким к стационарному, в результате чего экранно-вакуумная теплоизоляция криогенной емкости 1 готова выполнять свои функции по обеспечению температурного режима криогенного компонента в космических условиях.
Применение предложенной экранно-вакуумной теплоизоляции криогенной емкости 1 ракетного космического разгонного блока и способа ее изготовления позволяет создать с минимальными массовыми затратами экранно-вакуумную теплоизоляцию без снижения теплофизических свойств при ее многоразовом применении.
Кроме того:
- значительно упрощается технология изготовления, монтажа матов экранно-вакуумной теплоизоляции, а также ее ремонта при больших размерах криогенной емкости 1, при сложной конфигурации экранно-вакуумной теплоизоляции с учетом прохождения через нее подводящих коммуникаций к емкости 1;
- обеспечивается крепление матов между собой и монтаж экранно-вакуумной теплоизоляции на криогенной емкости 1 при большом количестве слоев теплоизоляции;
- в значительной степени уменьшается длина перекрытий экранно-вакуумной теплоизоляции.