Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Абляционного теплозащитного экран предназначен для защиты объекта от перегрева путем рассеивания, отражая, поглощая тепло, или просто постепенно гореть и отпасть от самолета, потянув за избыточное тепло с ним. Этот термин чаще всего используется в отношении управления теплом выхлопных газов и систем отвода тепла за счет трения.

Принципы работы [ править ]

Теплозащитные экраны защищают конструкции от экстремальных температур и температурных градиентов с помощью двух основных механизмов. Теплоизоляция и радиационное охлаждение , которые соответственно изолируют нижележащую структуру от высоких температур внешней поверхности, при этом отводя тепло наружу за счет теплового излучения . Для достижения хорошей функциональностью три атрибута , требуемых от теплового экрана являются низкая теплопроводность (высокая термостойкость ), высокой излучательной способностью и хорошей термической стабильностью (рефрактерности). [1]Пористая керамика с покрытиями с высоким коэффициентом излучения (HEC) часто используется для решения этих трех характеристик благодаря хорошей термостойкости керамики, теплоизоляции пористых материалов и хорошему эффекту радиационного охлаждения, обеспечиваемому HEC.

Использует [ редактировать ]

Автомобильная промышленность [ править ]

Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, на большинстве двигателей используются тепловые экраны для защиты компонентов и кузова от теплового повреждения. Помимо защиты, эффективные тепловые экраны могут повысить производительность за счет снижения температуры под капотом и, следовательно, снижения температуры на впуске. Теплозащитные экраны сильно различаются по цене, но большинство из них легко устанавливаются, обычно с помощью зажимов из нержавеющей стали или высокотемпературной ленты. Существует два основных типа автомобильного теплозащитного экрана:

  • Жесткий теплозащитный экран до недавнего времени изготавливали из твердой стали, но теперь часто из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие теплозащитные экраны изготавливаются из алюминиевого листа или других композитов с керамическим термобарьерным покрытием для улучшения теплоизоляции.
  • Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого листа, продается в плоском виде или в рулоне, и сгибается вручную монтажником. Гибкие теплозащитные экраны с высокими эксплуатационными характеристиками иногда включают дополнительные элементы, например керамическую изоляцию, нанесенную с помощью плазменного напыления . Эти новейшие продукты являются обычным явлением в топовом автоспорте, таком как Формула 1 .
  • Текстильные теплозащитные экраны, используемые для различных компонентов, таких как выхлопная система, турбонагнетатель, сажевый фильтр или другие компоненты выхлопной системы.

В результате тепловой экран часто устанавливается как любительским, так и профессиональным персоналом на этапе настройки двигателя .

Теплозащитные экраны также используются для охлаждения вентиляционных отверстий опоры двигателя. Когда автомобиль движется на более высокой скорости, набегающего воздуха достаточно для охлаждения моторного отсека под капотом, но когда автомобиль движется на более низких скоростях или поднимается по уклону, возникает необходимость изолировать тепло двигателя, чтобы передать его другим частям вокруг него. , например, подвески двигателя. С помощью надлежащего термического анализа и использования теплозащитных экранов вентиляционные отверстия опоры двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик. [2]

Самолет [ править ]

Некоторые летательные аппараты с высокой скоростью, такие как Concorde и SR-71 Blackbird , должны быть спроектированы с учетом аналогичного, но меньшего перегрева, чем у космических кораблей. В случае Concorde алюминиевая носовая часть может достигать максимальной рабочей температуры 127 ° C (что на 180 ° C выше, чем температура окружающего воздуха ниже нуля); металлургические последствия, связанные с пиковыми температурами, были важным фактором при определении максимальной скорости самолета.

Недавно были разработаны новые материалы, которые могут превосходить RCC . Прототип SHARP ( S кредитор Н ypervelocity erothermodynamic R сследования Р халата) основан на ультра-высокотемпературной керамики , таких как цирконий диборид (ZrB 2 ) и гафний (диборид HfB 2 ). [3] Система тепловой защиты на основе этих материалов позволила бы достичь скорости 7 Маха на уровне моря, 11 Маха на высоте 35000 метров и значительно улучшить транспортные средства, рассчитанные на гиперзвуковую скорость.. Используемые материалы обладают характеристиками теплозащиты в диапазоне температур от 0 ° C до + 2000 ° C, с температурой плавления более 3500 ° C. Они также структурно более устойчивы, чем RCC, поэтому не требуют дополнительного армирования и очень эффективны при повторном излучении поглощенного тепла. НАСА профинансировало (и впоследствии прекратило) программу исследований и разработок в 2001 году для тестирования этой системы защиты в Университете Монтаны. [4] [5]

Европейская комиссия финансирует исследовательский проект, C3HARME, под NMP-19-2015 зову рамочные программы по научным исследованиям и технологическому развитию в 2016 году ( все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и тестирования нового класса ультра-огнеупорной керамики матричные композиты, армированные волокнами карбида кремния и углеродными волокнами, подходящие для применения в тяжелых аэрокосмических условиях. [6]

Космический корабль [ править ]

Основные статьи: Вход в атмосферу § Системы термозащиты и Aeroshell
См. Также: Вход в атмосферу и многоразовая система запуска.
Абляционный тепловой экран капсулы Аполлона-12 (после использования) на выставке в Центре авиации и космонавтики Вирджинии
Тепловой аэродинамический тепловой экран, используемый на космическом корабле "Шаттл".

Космические корабли, которые приземляются на планете с атмосферой , такой как Земля , Марс и Венера , в настоящее время делают это, входя в атмосферу на высоких скоростях, в зависимости от сопротивления воздуха, а не от мощности ракет, чтобы замедлить их. Побочным эффектом этого метода возвращения в атмосферу является аэродинамический нагрев , который может быть очень разрушительным для конструкции незащищенного или неисправного космического корабля. [7] Аэродинамический тепловой экран состоит из защитного слоя из специальных материалов для рассеивания тепла. Используются два основных типа аэродинамического теплозащитного экрана:

  • Абляционный теплозащитный экран состоит из слоя пластиковой смолы, наружная поверхность которой нагреваются в газ, который затем переносит тепло вдали от конвекции . Такие щиты использовались на космических кораблях Меркурий , Близнецы , Аполлон и Орион и используются в SpaceX Dragon 2 .
  • Тепловой замочить теплозащитный экран использует изолирующий материал , чтобы поглощать и излучать тепло от конструкции космического аппарата. Этот тип использовался на космическом шаттле , состоящем из керамических или композитных плиток на большей части поверхности транспортного средства с усиленным углерод-углеродным материалом на самых высоких точках тепловой нагрузки (носовая часть и передние кромки крыла). Повреждение этого материала на крыле привело к катастрофе космического корабля "Колумбия" в 2003 году .

С возможными надувными теплозащитными экранами , разработанными США (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) [8] и Китаем [9], одноразовые ракеты, такие как Space Launch System , считаются модернизированными такими теплозащитными экранами для спасти дорогие двигатели, возможно, значительно сократив затраты на запуски. [10]

Пассивное охлаждение [ править ]

Защитные устройства с пассивным охлаждением используются для защиты космических кораблей во время входа в атмосферу для поглощения пиков тепла и последующего излучения накопленного тепла в атмосферу. Ранние версии включали значительное количество металлов, таких как титан , бериллий и медь . Это значительно увеличило массу машины. Предпочтение отдается теплопоглощающим и абляционным системам.

Конструкция капсулы Mercury (показана с башней) первоначально предусматривала использование системы тепловой защиты с пассивным охлаждением, но позже была преобразована в абляционный экран.

Однако в современных автомобилях они встречаются, но вместо металла используется армированный углерод-углеродный материал. Этот материал составляет систему тепловой защиты носовой части и передней кромки космического челнока и был предложен для корабля Х-33 . Углерод - самый тугоплавкий из известных материалов с температурой сублимации (для графита ) 3825 ° C. Эти характеристики делают этот материал особенно подходящим для пассивного охлаждения, но с тем недостатком, что он очень дорогой и хрупкий. Некоторые космические аппараты также используют тепловой экран (в обычном автомобильном смысле) для защиты топливных баков и оборудования от тепла, производимого большим ракетным двигателем . Такие щиты использовались на Аполлоне.Ступень спуска служебного и лунного модулей .

Промышленность [ править ]

Теплозащитные экраны часто прикрепляются к полуавтоматическим или автоматическим винтовкам и дробовикам в качестве кожухов стволов , чтобы защитить руки пользователя от тепла, вызываемого быстрой последовательностью выстрелов. Их также часто прикрепляли к помповым боевым ружьям, позволяя солдату хвататься за ствол при использовании штыка. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Aeroshell
  • Вход в атмосферу
  • AVCOAT
  • Вспучивающийся
  • Starlite
  • Солнцезащитный козырек (JWST)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Шао, Гаофэн; и другие. (2019). «Повышенная стойкость к окислению покрытий с высоким коэффициентом излучения на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Коррозионная наука . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . DOI : 10.1016 / j.corsci.2018.11.006 .
  2. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 14 сентября 2016 года . Проверено 13 января 2016 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  3. ^ "Сверхвысокотемпературная керамика: материалы для экстремальных условий окружающей среды". DOI : 10.1002 / 9781118700853 .
  4. ^ "Copia archiviata" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 15 декабря 2005 года . Проверено 9 апреля 2006 года .
  5. ^ Домашняя страница Sharp Structure w left Архивировано 16 октября 2015 года в Wayback Machine.
  6. ^ "c³harme" . c3harme.eu .
  7. ^ "Динамика атмосферной ренты" .
  8. ↑ Мардер, Дженни (3 июля 2019 г.). «Надувной замедлитель покорится на спутнике JPSS-2» . NOAA . Проверено 30 октября 2019 года .
  9. ^ Xinhua редакция (5 мая 2020). " "胖 五 "家族 迎新 新一代 载人 飞船 试验 船 升空 —— 长征 五号 B 运载火箭 首飞 三大 看点 (Семейство LM5 в центре внимания: пилотируемые космические корабли нового поколения и другие изюминки Великого марша 5B) полет) » . Новости Синьхуа (на китайском языке).
  10. ↑ Билл Д'Зио (7 мая 2020 г.). «Являются ли китайские надувные космические технологии экономией на 400 миллионов долларов для SLS НАСА?» . westeastspace.com . Проверено 29 октября 2020 года .