Многослойная изоляция

Многослойная изоляция от спутника крупным планом. Видны слои пластика с металлическим покрытием и разделитель холста .

Многослойная изоляция ( MLI ) - это теплоизоляция, состоящая из нескольких слоев тонких листов, которая часто используется на космических кораблях и в криогенной технике . Также называемый суперизоляцией, ^[1] MLI является одним из основных элементов тепловой конструкции космического корабля , в первую очередь предназначенным для уменьшения потерь тепла за счет теплового излучения . В своей основной форме он не обеспечивает значительную изоляцию от других тепловых потерь, таких как теплопроводность или конвекция . Поэтому он обычно используется на спутниках и в других приложениях в вакууме.где проводимость и конвекция гораздо менее значительны, а излучение преобладает. МУУ дает много спутников и другим космическим зондам внешнему виду покрываются золотой фольгой , которая является эффектом янтарного цвета Kapton слоя , нанесенным поверх серебро алюминизированного майлара .

Для применений, не связанных с космическими кораблями, MLI работает только как часть системы вакуумной изоляции. ^[1] Для использования в криогенной технике обернутый MLI может быть установлен внутри кольцевого пространства труб с вакуумной рубашкой. ^[2] MLI также можно комбинировать с современной вакуумной изоляцией для использования в высокотемпературных условиях. ^[3]

Функции и дизайн [ править ]

Золотые области - это одеяла MLI на орбитальном аппарате Mars Reconnaissance Orbiter.

Принцип MLI - это радиационный баланс. Чтобы понять, почему это работает, начните с конкретного примера - представьте квадратный метр поверхности в космическом пространстве, поддерживаемой при фиксированной температуре 300 К и коэффициентом излучения 1, обращенной в сторону от солнца или других источников тепла. Из закона Стефана – Больцмана, эта поверхность будет излучать 460 Вт. Теперь представьте, что вы размещаете тонкий (но непрозрачный) слой на расстоянии 1 см от пластины, также с коэффициентом излучения 1. Этот новый слой будет охлаждаться до тех пор, пока он не будет излучать 230 Вт с каждой стороны, после чего все в равновесии. Новый слой получает 460 Вт от исходной пластины. 230 Вт излучается обратно на исходную пластину, а 230 Вт - в космос. Исходная поверхность по-прежнему излучает 460 Вт, но получает обратно 230 Вт от новых слоев с чистыми потерями 230 Вт. Таким образом, в целом потери на излучение с поверхности были уменьшены вдвое за счет добавления дополнительного слоя.

Сверхпроводящий ограничитель тока повреждения, покрытый одеялом MLI

МУУ покрытия тепловой экран из зонда Гюйгенс

Можно добавить больше слоев, чтобы еще больше уменьшить потери. Одеяло можно дополнительно улучшить, сделав внешние поверхности сильно отражающими тепловое излучение , что снизит как поглощение, так и излучение. Производительность пакета слоев может быть определена количественно с точки зрения его общего коэффициента теплопередачи U , который определяет скорость лучистого теплового потока Q между двумя параллельными поверхностями с разницей температур и площадью A как $\Delta T$

Q=UA\Delta T.

Теоретически коэффициент теплопередачи между двумя слоями с коэффициентами излучения и в вакууме равен $\epsilon _{1}$ $\epsilon _{2}$

U=A\sigma T^{4}{\frac {1}{1/\epsilon _{1}+1/\epsilon _{2}-1}},

где T - среднее значение температур (в K) двух слоев, а Wm ⁻² K ⁻⁴ - постоянная Стефана-Больцмана. Если каждый слой имеет одинаковый коэффициент излучения с обеих сторон, то стопка из N слоев, помещенная между двумя поверхностями с высокой излучательной способностью, будет иметь общий коэффициент теплопередачи. $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ $\epsilon$

U=A\sigma T^{4}{\frac {1}{N(2/\epsilon -1)+1}}.

Очевидно, что увеличение количества слоев и уменьшение коэффициента излучения снижает коэффициент теплопередачи, что эквивалентно более высокому значению изоляции. В этом уравнении предполагается, что разница температур мала по сравнению с абсолютной температурой. В космосе, где видимая внешняя температура может составлять 3 К ( космическое фоновое излучение ), точное значение U отличается.

Алюминиевое покрытие с обеих сторон этих листов MLI с более толстым внешним слоем (слева), белой сетчатой прокладкой (в центре) и более тонким внутренним слоем (справа), который также смят, чтобы обеспечить дополнительное разделение между слоями. Листы перфорированы для обеспечения прохода воздуха во время запуска.

Слои MLI могут быть сколь угодно близко друг к другу, если они не находятся в тепловом контакте. Пространство для разделения должно быть минимальным, что является функцией очень тонкой холста или полиэфирной фаты для невесты, как показано на фотографии. Чтобы уменьшить вес и толщину одеяла, внутренние слои делают очень тонкими, но они должны быть непрозрачными для теплового излучения. Поскольку им не требуется особая структурная прочность, эти внутренние слои обычно изготавливаются из очень тонкого пластика толщиной около 6 мкм (1/4 мил), такого как майлар или каптон , покрытые с одной или обеих сторон тонким слоем металла. , обычно серебро или алюминий . ^[4] Для обеспечения компактности слои располагаются как можно ближе друг к другу, но без соприкосновения, поскольку между слоями должна быть небольшая теплопроводность или ее не должно быть вообще. Типичное изоляционное одеяло состоит из 40 или более слоев. ^[4] Слои могут быть рельефными или гофрированными, так что они соприкасаются только в нескольких точках, или разделены тонкой тканевой сеткой или холстом , что можно увидеть на рисунке выше. Наружные слои должны быть более прочными, часто из более толстого и прочного пластика, армированного более прочным холстом, например, стекловолокном.

В спутниковых приложениях MLI будет полон воздуха во время запуска. Когда ракета поднимается, этот воздух должен улетучиваться, не повредив одеяло. Для этого могут потребоваться отверстия или перфорация в слоях ^[5], даже если это снижает их эффективность. ^[6]

В криогенной технике MLI - самый эффективный вид изоляции. ^[7] Поэтому он обычно используется в резервуарах для сжиженного газа (например, LNG , LN 2 , LH 2 , LO 2 ), криостатах , криогенных трубопроводах и сверхпроводящих устройствах . Кроме того, он ценится за компактные размеры и вес. Одеяло, состоящее из 40 слоев MLI, имеет толщину около 20 мм ^[8] и вес около 1,2 кг / м ² . ^[9]

Методы, как правило, различаются у разных производителей, при этом некоторые одеяла MLI изготавливаются в основном с использованием швейной технологии. Слои нарезаются, накладываются друг на друга и сшиваются по краям.

Другие более современные методы включают использование компьютерного проектирования и технологии автоматизированного производства для приваривания точного контура окончательной формы офсетного полотна с помощью ультразвуковой сварки к «пачке» (последний набор слоев перед добавлением внешней «оболочки». рукой.)

Швы и щели в изоляции ответственны за большую часть утечки тепла через одеяла MLI. Разрабатывается новый метод использования булавок для ярлыков из полиэфирэфиркетона (PEEK) (аналогично пластмассовым крючкам, используемым для прикрепления ценников к одежде) для фиксации слоев пленки на месте вместо шитья для улучшения тепловых характеристик. ^[6]

Дополнительные свойства [ править ]

Космический аппарат также может использовать MLI в качестве первой линии защиты от ударов пыли. Обычно это означает расстояние примерно в см от изолируемой поверхности. Кроме того, один или несколько слоев могут быть заменены механически прочным материалом, например бета-тканью .

В большинстве случаев изолирующие слои должны быть заземлены, чтобы они не могли накапливать заряд и дугу, вызывающие радиопомехи. Поскольку обычная конструкция обеспечивает как электрическую, так и тепловую изоляцию, эти применения могут включать алюминиевые прокладки вместо тканевого холста в местах сшивания одеял.

Использование аналогичных материалов, однослойная изоляция и двухслойная изоляция (SLI и DLI соответственно) также являются обычным явлением на космических кораблях.

См. Также [ править ]

Цистерна для жидкого водорода , на которую нанесена многослойная изоляция.
Подсистема терморегулирования

Ссылки [ править ]

^ a b «Использование одеял MLI в условиях плохого вакуума» . Meyer Tool & Mfg . Проверено 25 ноября 2020 .
^ "Wrapped MLI | Quest Thermal Group" . www.questthermal.com . Проверено 25 ноября 2020 .
^ «Высокотемпературный MLI выводит характеристики вакуумной изоляции на новый уровень» . Расширенная вакуумная изоляция для приложений от -270 ° C до 1000 ° C . 2019-07-31 . Проверено 25 ноября 2020 .
^ a b Сэвидж, Крис Дж. (2003). «Тепловое управление космическим аппаратом» . В Питере У. Фортескью; Джон Старк; Грэм Суинерд (ред.). Системотехника космических аппаратов (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. С. 378–379. ISBN 978-0-470-85102-9.
^ "Перфорация" . Данмор . Проверено 27 апреля 2014 года .
^ a b Рюта Хатакенака; Такеши Миякита; Хироюки Сугита (14–18 июля 2013 г.). «Тепловые характеристики и практическая полезность одеяла MLI с использованием пластиковых штифтов для использования в космосе». Сорок третья Международная конференция по экологической системе 2013: Вейл, Колорадо, США, 14-18 июля 2013 года . п. 2432. DOI : 10,2514 / 6.2013-3503 . ISBN 978-1-62748-896-9.
^ https://ntrs.nasa.gov/citations/19990053342
^ http://cds.cern.ch/record/593269/files/lhc-2002-018.pdf
^ https://www.frakoterm.com/en/commercial-offer/multi-layer-insulation-mli

Внешние ссылки [ править ]

«Как золото: спутники покрыты золотой фольгой?» . Национальный экологический спутник, данные и информационная служба . 8 января 2016 г.
Справочник по спутниковому тепловому контролю / под ред. Дэвид Гилмор. ISBN 1-884989-00-4 . В частности, глава 5 « Изоляция » Мартина Донабедяна и Дэвида Гилмора.
Учебное пособие по контролю температуры космических аппаратов JPL
«Кассини надевает тепловую мантию» (пресс-релиз). Лаборатория реактивного движения НАСА . 1997-01-03. Архивировано из оригинала на 2007-09-04 . Проверено 8 января 2009 .
Типичная специализированная статья о тестах Cassini MLI
Применение многослойной изоляции (MLI)
Рекомендации по многослойным изоляционным материалам - публикация НАСА от 1999 г. https://ntrs.nasa.gov/citations/19990047691
Типы и свойства MLI

[:0-1] «Использование одеял MLI в условиях плохого вакуума» . Meyer Tool & Mfg . Проверено 25 ноября 2020 .

[2] "Wrapped MLI | Quest Thermal Group" . www.questthermal.com . Проверено 25 ноября 2020 .

[3] «Высокотемпературный MLI выводит характеристики вакуумной изоляции на новый уровень» . Расширенная вакуумная изоляция для приложений от -270 ° C до 1000 ° C . 2019-07-31 . Проверено 25 ноября 2020 .

[Savage-4] Сэвидж, Крис Дж. (2003). «Тепловое управление космическим аппаратом» . В Питере У. Фортескью; Джон Старк; Грэм Суинерд (ред.). Системотехника космических аппаратов (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. С. 378–379. ISBN 978-0-470-85102-9.

[5] "Перфорация" . Данмор . Проверено 27 апреля 2014 года .

[hatakenaka-6] Рюта Хатакенака; Такеши Миякита; Хироюки Сугита (14–18 июля 2013 г.). «Тепловые характеристики и практическая полезность одеяла MLI с использованием пластиковых штифтов для использования в космосе». Сорок третья Международная конференция по экологической системе 2013: Вейл, Колорадо, США, 14-18 июля 2013 года . п. 2432. DOI : 10,2514 / 6.2013-3503 . ISBN 978-1-62748-896-9.

[7] ttps://ntrs.nasa.gov/citations/19990053342

[8] ttp://cds.cern.ch/record/593269/files/lhc-2002-018.pdf

[9] ttps://www.frakoterm.com/en/commercial-offer/multi-layer-insulation-mli

[1]