ЭКРАННО-ВАКУУМНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ
SCREEN-VACUUM HEAT INSULATION OF LOW-THRUST ROCKET ENGINE

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в вакууме для теплоизоляции ракетных двигателей малой тяги, а также может быть использовано в технике низких температур.
С уменьшением типоразмеров ракетных двигателей малой тяги снижается эффективность тепловыделения от разложения (сгорания) топлива в их камерах по отношению к их габаритно-массовым характеристикам, что ведет, в итоге, к соответствующему снижению эффективности двигателей в целом. Поэтому для таких двигателей актуальным становится максимально возможное сохранение тепловыделения от разложения (сгорания) топлива, особенно для двигателей с предельно малыми тягами. Эта задача может быть решена за счет применения высокоэффективной теплоизоляции.
Известен способ изготовления многоэкранной теплоизоляции, описывающий конструкцию, состоящую из уложенных по спирали 12 чередующихся слоев экранов: 6 дистанционирующих экранов с полусферическими выступами и 6 гладких экранов. Дистанционирующие экраны выполнены из шликера NbC на поливинилбутеральной связке, гладкие экраны получены литьем и последующей прокатки пластифицированной массы порошка NbC на каучуковой связке (Авторское свидетельство СССР №875177, МПК F16L 59/08,1981 г.).
Однако, известная конструкция может быть применена, в основном, для теплоизоляции в электропечах, в газовых каналах энергетических установок, она крайне сложна и трудоемка в изготовлении. Задача повышения прочности изоляции решена за счет частичного снижения ее теплоизоляционных свойств.
Известна высокотемпературная экранная теплоизоляция, применяемая для теплоизоляции высокотемпературных аккумуляторных батарей в условиях космического пространства. Теплоизоляция содержит цилиндрические гофрированные молибденовые экраны толщиной 50-500 мкм с высотой гофр 0,1-3 мм и расположенные между ними не менее двух слоев фольговых молибденовых экранов толщиной 10-50 мкм (Патент РФ №2262032, МПК F16L 59/08, 2004 г.).
Однако, известная конструкция для обеспечения гарантированного зазора между цилиндрическими экранами предусматривает гофры, то есть, прямые контакты между металлическими экранами в относительно большом количестве, что ведет к снижению изолирующих свойств теплоизоляции. В полостях между гофрами экранов размещены не менее двух фольговых экранов, которые могут быть выполнены либо из тонкостенной высокотемпературной плоской фольги, либо с выполнением на ней локальных сферических выпуклостей (пуклевок). Здесь также будут в относительно большом количестве прямые контакты металлических материалов фольговых экранов между собой и с гофрированными экранами. Причем допускается некоторая подвижность экранов между собой при термоциклических нагрузках, а, следовательно, будут меняться площади тепловых контактов между ними. В итоге прямые контакты металлических элементов теплоизоляции в относительно большом количестве между собой, а также допускаемая подвижность их между собой ведут к снижению эффективности теплоизоляции в целом, а также к снижению стабильности ее работы при применении.
Известен способ экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) объектов цилиндрической формы, описывающий конструкцию экранно-вакуумной теплоизоляции, принятую за прототип, состоящую из экранов и прокладок между ними, выполненную в виде полосы трапецеидальной формы, спирально навитую на внутренний формоустойчивый экран, который облицовывает цилиндрическую поверхность изолируемого объекта. Внешнюю облицовку ЭВТИ завершает внешний формоустойчивый экран. Ширина полосы является величиной переменной и определяется длиной цилиндрической части объекта и приращением на каждом витке не менее, чем удвоенной величины шага спиральной навивки. На боковых поверхностях полосы выполнены зубцы треугольной или трапецеидальной формы с увеличивающимися шагом и высотой. Дистанционирование слоев-экранов между собой достигается за счет совмещения зубцов полос каждого слоя после их отгибки (Патент РФ №1565189, МПК F16L 59/00, 1994 г.).
Однако, известная конструкция не позволяет гарантированно обеспечить одинаковые зазоры между слоями во всех радиальных направлениях в процессе эксплуатации ракетного двигателя малой тяги. В процессе применения двигателя, прежде всего после воздействия механических нагрузок при выведении космического аппарата на орбиту, неравномерность зазоров между слоями ЭВТИ в различных радиальных направлениях приведет к соответствующей неравномерности ее теплового сопротивления в этих направлениях и, соответственно, к снижению теплоизолирующих свойств ЭВТИ двигателя в целом.
При создании изобретения решалась задача сохранения в вакууме высокой теплоизоляционной способности экранно-вакуумной теплоизоляции за счет обеспечения одинаковых зазоров между слоями изоляции в процессе эксплуатации ракетного двигателя.
Поставленная задача решена за счет того, что в известной экранно-вакуумной теплоизоляции ракетного двигателя малой тяги, содержащей цилиндрический наружный формоустойчивый экран и расположенный внутри него двухслойный комплект полос, состоящий из основного теплоизолирующего экрана и прокладки, навитых на цилиндрический внутренний формоустойчивый экран, установленный над изолируемой поверхностью ракетного двигателя, согласно изобретению в двухслойном комплекте полос и цилиндрическом внутреннем формоустойчивом экране перпендикулярно оси симметрии теплоизоляции образовано не менее двух сквозных отверстий, в сквозные отверстия вставлены и зафиксированы скобы таким образом, что они охватывают кромку цилиндрического внутреннего формоустойчивого экрана и всех слоев двухслойного комплекта полос со стороны входной части ракетного двигателя.
Также поставленная задача решена за счет того, что сквозные отверстия сформированы из совмещенных при навивке отверстий, выполненных во внутреннем формоустойчивом экране, и ряда отверстий, выполненных в двухслойном комплекте полос, причем отверстия в двухслойном комплекте полос выполнены по центру по всей его длине с переменным, постоянно увеличивающимся расстоянием между ними, при этом расстояние между первыми двумя отверстиями равно расстоянию полуокружности между двумя отверстиями во внутреннем формоустойчивом экране.
Установка и фиксация скоб в сквозных отверстиях, образованных в двухслойном комплекте полос и цилиндрическом внутреннем формоустойчивом экране, позволяет обеспечить высокую теплоизоляционную способность ЭВТИ за счет обеспечения одинаковых зазоров между слоями теплоизолирующего экрана в процессе эксплуатации ракетного двигателя.
Выполнение отверстий в двухслойном комплекте полос по центру по всей его длине с переменным, постоянно увеличивающимся расстоянием между ними позволяет образовать сквозные отверстия за счет точного совмещения этих отверстий.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид ЭВТИ ракетного двигателя, на фиг. 2 - выносной элемент А; на фиг. 3 - двухслойный комплект полос до навивки.
Экранно-вакуумная теплоизоляция выполнена в виде двухслойного комплекта полос 1, спирально навитых на цилиндрический внутренний формоустойчивый экран 2, размещенный над изолируемой поверхностью ракетного двигателя 3, и цилиндрического наружного формоустойчивого экрана 4. Двухслойный комплект полос 1 включает в себя основной теплоизолирующий экран 5, выполненный, например, из высокотемпературной никелевой фольги или из ее сплавов с толщиной порядка 5…10 мкм, и прокладку 6, выполненную, например, из высокотемпературного штапельного кварцевого волокна толщиной порядка 50 мкм. Цилиндрический внутренний формоустойчивый экран 2 выполнен из высокотемпературного металла, например, из нержавеющей стали с толщиной порядка 100 мкм, цилиндрический наружный формоустойчивый экран 4 выполнен из материала с более высоким тепловым сопротивлением, чем нержавеющая сталь, например, из титановой фольги толщиной порядка 100 мкм. В цилиндрическом внутреннем формоустойчивом экране 2 и двухслойном комплекте полос 1 по их центру и перпендикулярно оси симметрии ЭВТИ образованы два сквозных отверстия 7, в которые вставлены и зафиксированы скруткой скобы 8 из материала с минимальной теплопроводностью, например, из проволоки из высокотемпературных молибден-рениевого или вольфрам-рениевого сплавов. Диаметр сквозных отверстий 7 и диаметр скобы 8 подбирают из условия обеспечения минимально возможного зазора между ними, что позволяет фиксировать слои полос на скобах с практически постоянным зазором между слоями, при этом скобы 8 охватывают кромку цилиндрического внутреннего формоустойчивого экрана 2 и все слои двухслойного комплекта полос 1 со стороны входной части ракетного двигателя 3. Два сквозных отверстия 7 образованы за счет совмещения при навивке двух отверстий, выполненных в цилиндрическом внутреннем формоустойчивом экране 2 в радиально противоположных направлениях, с отверстиями 9, выполненными по центру по всей длине двухслойного комплекта полос 1 с переменным, постоянно увеличивающимся расстоянием между ними для обеспечения одинакового зазора между слоями. При этом расстояние  между первыми двумя отверстиями в двухслойном комплекте полос 1 до навивки равно расстоянию полуокружности между двумя отверстиями в цилиндрическом внутреннем формоустойчивом экране 2. В случае применения ЭВТИ для двигателей большего типоразмера количество сквозных отверстий 7 может быть более двух.
Изготовление ЭВТИ осуществляют следующим образом:
На цилиндрический внутренний формоустойчивый экран 2 навивают двухслойный комплект полос 1, предварительно совместив первые два отверстия 9 с двумя отверстиями на внутреннем формоустойчивом экране 2, и далее послойно совмещают в процессе навивки все отверстия 9 до образования двух сквозных отверстий 7. В сквозные отверстия 7 вставляются скобы 8 таким образом, что они охватывают кромку цилиндрического внутреннего формоустойчивого экрана 2 и все слои двухслойного комплекта полос 1 со стороны входной части ракетного двигателя 3. После установки и фиксирования скоб 8 формирование ЭВТИ завершается помещением ее в цилиндрический внешний формоустойчивый экран 4. Полностью сформированная ЭВТИ устанавливается над изолируемой поверхностью ракетного двигателя малой тяги 3.
Заявляемая конструкция экранно-вакуумной теплоизоляции успешно прошла циклы наземных экспериментальных отработок с температурным воздействием порядка 1000°С и показала высокие и стабильные теплоизоляционные характеристики.