В машиностроении теплозащитный экран — это компонент, предназначенный для защиты объекта или человека-оператора от ожогов или перегрева путем рассеивания, отражения и/или поглощения тепла. Этот термин чаще всего используется в отношении управления теплом отработавших газов и систем рассеивания тепла трения. Теплозащитные экраны чаще всего используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Принципы работы
Тепловые экраны защищают конструкции от экстремальных температур и температурных градиентов с помощью двух основных механизмов. Теплоизоляция и радиационное охлаждение , соответственно, изолируют базовую конструкцию от высоких температур внешней поверхности, одновременно излучая тепло наружу посредством теплового излучения . Для достижения хорошей функциональности от теплового экрана требуются три атрибута: низкая теплопроводность (высокое тепловое сопротивление ), высокая излучательная способность и хорошая термическая стабильность (огнеупорность). [1] Пористая керамика с высокоэмиссионными покрытиями (HEC) часто используется для решения этих трех задач благодаря хорошей термической стабильности керамики, теплоизоляции пористых материалов и хорошим эффектам радиационного охлаждения , предлагаемым HEC.
Использует
Автомобильный
Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, [2] тепловые экраны используются на большинстве двигателей для защиты компонентов и кузова от теплового повреждения. Помимо защиты, эффективные тепловые экраны могут дать преимущество в производительности за счет снижения температуры в моторном отсеке, тем самым снижая температуру воздуха, поступающего в двигатель. [3] Тепловые экраны сильно различаются по цене, но большинство из них легко устанавливаются, обычно с помощью зажимов из нержавеющей стали, высокотемпературной ленты или специально разработанных металлических кабельных стяжек. Существует три основных типа автомобильных тепловых экранов:
Пример стального теплозащитного экрана на двигателе BMW серии EЖесткие тепловые экраны до недавнего времени обычно изготавливались из цельной стали, [4] но теперь часто изготавливаются из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие тепловые экраны изготавливаются из алюминия, золота или композита, причем большинство примеров включают керамическое покрытие для обеспечения теплового барьера , что улучшает теплоизоляцию.
Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого или золотого листа, который чаще всего продается либо плоским, либо в рулоне. Эти теплозащитные экраны часто гнутся вручную установщиком. Высокопроизводительные гибкие теплозащитные экраны иногда включают в себя дополнительные элементы, такие как керамическая изоляция, нанесенная с помощью плазменного напыления . Другая распространенная тактика в гибких теплозащитных экранах — использование экзотических композитных материалов для улучшения теплоизоляции и снижения веса. Эти новейшие продукты широко распространены в топовых автогонках, таких как Формула-1 .
Пример алюминиевого теплозащитного экрана на Toyota Celica ST205Текстильные тепловые экраны (также известные как тепловые обмотки) используются для изоляции различных компонентов выхлопной системы, удерживая тепло, выделяемое выхлопными газами, внутри выхлопной трубы, а не позволяя огромному теплу от этих компонентов излучаться в отсек двигателя. Такие обмотки наиболее распространены в выхлопных трубах мотоциклов.
Тепловые экраны часто устанавливаются как любителями, так и профессионалами на этапе оптимизации настройки двигателя . Тепловые экраны также используются для охлаждения вентиляционных отверстий крепления двигателя. Когда транспортное средство движется на высокой скорости, достаточно набегающего воздуха для охлаждения подкапотного моторного отсека, но когда транспортное средство движется на более низкой скорости или поднимается по уклону, необходимо изолировать тепло двигателя, чтобы оно передавалось другим частям вокруг него, например, креплениям двигателя. С помощью надлежащего термического анализа и использования тепловых экранов вентиляционные отверстия крепления двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик. [5]
Самолеты
Некоторые самолеты на высокой скорости, такие как Concorde и SR-71 Blackbird , должны быть спроектированы с учетом аналогичного, но более низкого перегрева, который происходит в космических кораблях. В случае Concorde алюминиевый нос может достигать максимальной рабочей температуры 127 °C (что на 180 °C выше, чем температура окружающего воздуха снаружи, которая ниже нуля); металлургические последствия, связанные с пиковой температурой, были существенным фактором при определении максимальной скорости самолета.
Недавно были разработаны новые материалы, которые могут превзойти RCC . Прототип SHARP ( Slender Hypervelocity Aerothermodynamic Research P robe ) основан на сверхвысокотемпературной керамике, такой как диборид циркония (ZrB 2 ) и диборид гафния (HfB 2 ). [6] Система тепловой защиты на основе этих материалов позволит достичь скорости в 7 Маха на уровне моря, 11 Маха на высоте 35000 метров и существенных улучшений для транспортных средств, рассчитанных на гиперзвуковую скорость . Используемые материалы обладают характеристиками тепловой защиты 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 дополнительных усилений и очень эффективны в повторном излучении поглощенного тепла. В 2001 году НАСА финансировало (и впоследствии прекратило) программу исследований и разработок для тестирования этой системы защиты через Университет Монтаны. [7] [8]
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 ракеты, чтобы замедлить их. Побочным эффектом этого метода возвращения в атмосферу является аэродинамический нагрев , который может быть крайне разрушительным для конструкции незащищенного или неисправного космического корабля. [10] Аэродинамический тепловой экран состоит из защитного слоя специальных материалов для рассеивания тепла. Используются два основных типа аэродинамического теплового экрана:
Абляционный тепловой экран состоит из слоя пластиковой смолы, внешняя поверхность которой нагревается до состояния газа, который затем уносит тепло путем конвекции . Такие экраны использовались на космических кораблях Восток , Восход , Меркурий , Джемини и Аполлон , а в настоящее время используются на космических кораблях SpaceX Dragon 2 , Orion и Союз .
Советский Восток-1 , первый пилотируемый космический корабль, использовал абляционную теплозащиту, изготовленную из асбестовой ткани в смоле. [11] Последующие миссии Mercury и Gemini использовали стекловолокно в смоле, в то время как космический корабль Apollo использовал смолу, армированную кварцевым волокном. [12] Первое использование сверхлегкого аблятора (SLA) для космических целей было для Viking Landers в 1976 году. [12] SLA также будет использоваться для миссии Pathfinder . [12] Фенольные импрегнированные углеродные аблаторы (PICA) использовались для миссии Stardust, запущенной в 1999 году. [12]
Теплозащитный экран с термическим поглощением использует изоляционный материал для поглощения и отвода тепла от конструкции космического корабля. Этот тип использовался на космическом челноке с намерением повторно использовать экран с минимальным ремонтом между запусками. [13] Теплозащитный экран на космическом челноке состоял из керамических или композитных плиток на большей части поверхности корабля, с армированным углеродно-углеродным материалом в точках наибольшей тепловой нагрузки (носовая часть и передние кромки крыла). [14] Это защищало орбитальный аппарат, когда он достигал температуры 1648 градусов по Цельсию во время входа в атмосферу. [15] Советский космический самолет, известный как Буран , также использовал плитки TPS, которые похожи на американские челноки. При этом Буран также использовал керамическую плитку на дне орбитального аппарата и углеродно-углеродную на носовом обтекателе. [16]
Много проблем возникло с плитками, используемыми на Space Shuttle, в то время как незначительные повреждения теплового экрана были довольно обычным явлением. Серьезные повреждения теплового экрана едва не привели к уничтожению Space Shuttle Atlantis в 1988 году и привели к потере Columbia в 2003 году. [17] [18] [19]
С возможными надувными тепловыми экранами, разработанными США (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) [20] и Китаем [21] , одноразовые ракеты, такие как Space Launch System, считаются модернизированными такими тепловыми экранами для спасения дорогостоящих двигателей, что, возможно, значительно сократит стоимость запусков. [22] 10 ноября 2022 года LOFTID был запущен с помощью ракеты Atlas V , а затем отсоединен для повторного входа в атмосферу. [23] Внешний слой теплового экрана состоял из керамики на основе карбида кремния. [24] Восстановленный LOFTID имел минимальные повреждения. [23]
Пассивное охлаждение
Пассивные охлаждаемые протекторы используются для защиты космических кораблей во время входа в атмосферу для поглощения пиков тепла и последующего излучения тепла в атмосферу. Ранние версии включали значительное количество металлов, таких как титан , бериллий и медь . Это значительно увеличивало массу корабля. Системы поглощения тепла и абляционные системы стали предпочтительными.
В современных транспортных средствах пассивное охлаждение можно найти в виде армированного углерод-углеродного материала вместо металла. Этот материал составляет систему тепловой защиты носа и передних кромок космического челнока и был предложен для транспортного средства X-33 . Углерод является самым тугоплавким материалом, известным с температурой сублимации (для графита ) 3825 °C. Эти характеристики делают его материалом, особенно подходящим для пассивного охлаждения , но с недостатком в виде очень высокой стоимости и хрупкости. Некоторые космические аппараты также используют тепловой экран (в традиционном автомобильном смысле) для защиты топливных баков и оборудования от тепла, выделяемого большим ракетным двигателем . Такие экраны использовались на служебном модуле Apollo и посадочной ступени лунного модуля . Солнечный зонд Parker , предназначенный для входа в корону Солнца, испытывает температуру поверхности 2500 °F. [25] Чтобы выдержать эту температуру без повреждения своего корпуса или инструментов, космический аппарат использует тепловой экран с использованием углерод-углеродной керамики со слоем углеродной пены между ними. [26] Зонд был запущен в космос 18 августа 2018 года. [27]
Военный
Теплозащитные экраны часто прикрепляются к полуавтоматическим или автоматическим винтовкам и ружьям в качестве кожухов ствола , чтобы защитить руки пользователя от жара, вызванного быстрой последовательной стрельбой. Их также часто прикрепляли к помповым боевым ружьям, позволяя солдату держать ствол, используя штык. [ необходима цитата ]
Промышленность
Тепловые экраны используются в металлургической промышленности для защиты конструкционной стали здания или другого оборудования от высокой температуры находящегося поблизости жидкого металла. [ необходима ссылка ]
^ Шао, Гаофэн и др. (2019). «Улучшенная стойкость к окислению высокоэмиссионных покрытий на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Corrosion Science . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . Bibcode : 2019Corro.146..233S. doi : 10.1016/j.corsci.2018.11.006. S2CID 118927116. Архивировано из оригинала 01.10.2021 . Получено 11.01.2019 .
^ Карли, Ларри (2017-06-01). «Умерение тепла лошадиных сил: поддержание прохлады с помощью аксессуаров для обработки тепла». Журнал Engine Builder . Получено 26.08.2023 .
^ diandra, dr (2012-04-23). "Канзас: температура и лошадиная сила". Скорость строительства . Получено 2023-08-26 .
^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-09-14 . Получено 2016-01-13 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
^ Фаренхольц, Уильям Г.; Вучина, Эрик Дж.; Ли, Уильям Э.; Чжоу, Яньчунь, ред. (2014). «Сверхвысокотемпературная керамика: материалы для экстремальных условий эксплуатации». doi : 10.1002/9781118700853. ISBN9781118700853.
^ "Copia archiviata" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2005 г. . Получено 9 апреля 2006 г. .
^ домашняя страница резкой структуры w слева Архивировано 16 октября 2015 г. на Wayback Machine
^ "Бобков В. Космический корабль "Восток"". epizodsspace.airbase.ru . Проверено 22 марта 2024 г.
^ abcd Venkatapathy, Ethiraj (2019-10-21). «Аблаторы — от Apollo до будущих миссий на Луну, Марс и дальше». Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства .
^ Хейл, Уэйн; Лейн, Хелен В.; Соединенные Штаты, ред. (2010). Крылья на орбите: научное и инженерное наследие космического челнока, 1971-2010. NASA/SP. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. ISBN978-0-16-086846-7. OCLC 698332185.
^ Meechan, CJ; Miles, F.; Ledsome, C.; Fraser, DO; Whitehouse, D. (1984). «Система космических челноков [и обсуждение]». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Серия A, Математические и физические науки . 312 (1519): 89–102. doi :10.1098/rsta.1984.0053. ISSN 0080-4614. JSTOR 37389.
^ Хейл, Уэйн; Лейн, Хелен В.; Соединенные Штаты, ред. (2010). Крылья на орбите: научное и инженерное наследие космического челнока, 1971-2010. NASA/SP. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. ISBN978-0-16-086846-7. OCLC 698332185.
^ Кондрашов, EK (2023). «Термотактические неорганические и полимерные покрытия для космического самолета «Буран». Polymer Science, Series D. 16 ( 2): 396–400. doi :10.1134/S1995421223020120. ISSN 1995-4212.
^ Лейнбах, Майкл Д.; Уорд, Джонатан Х. (2020). Возвращение Колумбии домой: нерассказанная правдивая история о потерянном космическом шаттле и ее экипаже . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Arcade Publishing. стр. 229–234. ISBN9781948924610.
^ Лейнбах, Майкл Д.; Уорд, Джонатан Х. (2020). Возвращение Колумбии домой: нерассказанная правдивая история о потерянном космическом шаттле и ее экипаже . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Arcade Publishing. стр. 229–234. ISBN9781948924610.
^ Эванс, Бен (9 декабря 2018 г.). «'Dying All Tensed-Up': 30 Years Since the Troubled Secret Mission of STS-27». AmericaSpace . Архивировано из оригинала 6 января 2021 г.
^ Мардер, Дженни (3 июля 2019 г.). «Надувной замедлитель приземлится на спутнике JPSS-2». NOAA . Архивировано из оригинала 1 октября 2021 г. Получено 30 октября 2019 г.
↑ Редакционная коллегия Синьхуа (5 мая 2020 г.). ""胖五"家族迎新 送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 фокусе: экипаж нового поколения космический корабль и другие яркие моменты первого полета Long March 5B)". Новости Синьхуа (на китайском языке). Архивировано из оригинала 7 августа 2020 года . Проверено 29 октября 2020 г.
^ Билл Д'Зио (7 мая 2020 г.). «Являются ли надувные космические технологии Китая экономией в 400 миллионов долларов для SLS НАСА?». westeastspace.com . Архивировано из оригинала 10 мая 2020 г. Получено 29 октября 2020 г.
^ ab "Жар идет! Демонстрация безупречного теплового щита НАСА прошла испытание - НАСА". 2023-11-17 . Получено 2024-04-20 .
^ "NASA Inflatable Heat Shield находит силу в гибкости - NASA". 2022-10-25 . Получено 2024-04-20 .
^ "На солнечном зонде Parker NASA установлен новейший тепловой экран - NASA". 2018-07-05 . Получено 2024-04-30 .
