Многослойная изоляция

Ключевой продукт в области материаловедения для управления температурным режимом космических кораблей и криогеники

Крупный план многослойной изоляции спутника. Видны пластиковые слои с металлическим покрытием и сетчатый сепаратор.

Многослойная изоляция ( MLI ) представляет собой теплоизоляцию, состоящую из нескольких слоев тонких листов, и часто используется в космических кораблях и криогенике . ^[1] MLI , также называемая суперизоляцией, является одним из основных элементов тепловой конструкции космического корабля , предназначенным в первую очередь для уменьшения потерь тепла за счет теплового излучения . В своей базовой форме он не обеспечивает существенной изоляции от других тепловых потерь, таких как теплопроводность или конвекция . Поэтому его обычно используют на спутниках и в других устройствах в вакууме , где проводимость и конвекция гораздо менее значительны, а доминирует излучение. MLI придает многим спутникам и другим космическим зондам вид покрытых золотой фольгой, что является эффектом слоя каптона янтарного цвета , нанесенного на серебряно- алюминизированный майлар .

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

Функция и дизайн

Золотые области — это одеяла MLI на марсианском разведывательном орбитальном аппарате.

Принцип, лежащий в основе MLI, заключается в радиационном балансе. Чтобы понять, почему это работает, начните с конкретного примера — представьте себе квадратный метр поверхности в космическом пространстве с фиксированной температурой 300 К (27 °C; 80 °F) и коэффициентом излучения 1, обращенный от солнце или другие источники тепла. Согласно закону Стефана-Больцмана , эта поверхность будет излучать 460 Вт. Теперь представьте, что вы разместили тонкий (но непрозрачный) слой на расстоянии 1 см (0,4 дюйма) от пластины, также с коэффициентом излучения 1. Этот новый слой будет остывать до тех пор, пока он не станет холодным. излучая по 230 Вт с каждой стороны, и в этот момент все находится в равновесии. Новый слой получает 460 Вт от исходной пластины. 230 Вт излучается обратно в исходную пластину, а 230 Вт — в пространство. Исходная поверхность по-прежнему излучает 460 Вт, но получает обратно 230 Вт от новых слоев, что дает чистые потери в 230 Вт. Таким образом, в целом потери на излучение от поверхности сократились вдвое за счет добавления дополнительного слоя.

Сверхпроводящий ограничитель тока повреждения, покрытый слоем MLI.

MLI, закрывающий тепловой экран зонда Гюйгенс

Можно добавить больше слоев, чтобы еще больше уменьшить потери. Одеяло можно дополнительно улучшить, сделав его внешние поверхности высокоотражающими для теплового излучения , что снижает как поглощение, так и излучение. Производительность пакета слоев можно оценить 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 ${\displaystyle \Delta T}$

${\displaystyle Q=UA\Delta T.}$

Теоретически коэффициент теплопередачи между двумя слоями с коэффициентами черноты и при абсолютных температурах и в вакууме равен ${\displaystyle \epsilon _{1}}$ ${\displaystyle \epsilon _{2}}$ ${\displaystyle T_{1}}$ ${\displaystyle T_{2}}$

${\displaystyle U=\sigma (T_{1}^{2}+T_{2}^{2})(T_{1}+T_{2}){\frac {1}{1/\epsilon _{1}+1/\epsilon _{2}-1}},}$

где Wm ⁻² K ⁻⁴ — постоянная Стефана-Больцмана. Если разница температур не слишком велика ( , то стопка из N слоев с одинаковым коэффициентом излучения с обеих сторон будет иметь общий коэффициент теплопередачи ${\displaystyle \sigma =5.7\times 10^{-8}}$ ${\displaystyle |\Delta T|<<(T_{1}+T_{2})/2}$ ${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle U=4\sigma T^{3}{\frac {1}{(N-1)(2/\epsilon -1)}},}$

где – средняя температура слоев. Очевидно, что увеличение количества слоев и уменьшение коэффициента излучения снижают коэффициент теплопередачи, что эквивалентно более высокому значению изоляции. В космосе, где видимая внешняя температура может достигать 3 К ( космическое фоновое излучение ), точное значение U другое. ${\displaystyle T=(T_{1}+T_{2})/2}$

Обе стороны этих листов MLI покрыты алюминием, с более толстым внешним слоем (слева), белой прокладкой из сетки (посередине) и более тонким внутренним слоем (справа), который также сморщен для обеспечения дополнительного разделения между слоями. Листы перфорированы для обеспечения прохода воздуха во время запуска.

Слои MLI могут располагаться сколь угодно близко друг к другу, при условии, что они не находятся в термическом контакте. Разделительное пространство должно быть минимальным, что и является функцией очень тонкой ткани или полиэфирной «фаты», как показано на фотографии. Для уменьшения веса и толщины покрытия внутренние слои делают очень тонкими, но они должны быть непрозрачны для теплового излучения. Поскольку им не требуется большая структурная прочность, эти внутренние слои обычно изготавливаются из очень тонкого пластика толщиной около 6 мкм ( 1/4 мил), такого как майлар или каптон , покрытый с одной или обеих сторон тонким слоем металла. , обычно серебро или алюминий . ^[4] Для компактности слои располагаются как можно ближе друг к другу, но не соприкасаясь, поскольку теплопроводность между слоями должна быть незначительной или отсутствовать. Типичное изоляционное одеяло имеет 40 или более слоев. ^[4] Слои могут быть тиснеными или гофрированными, поэтому они соприкасаются только в нескольких точках или разделяются тонкой тканевой сеткой или сеткой , как показано на рисунке выше. Внешние слои должны быть более прочными и часто представляют собой более толстый и прочный пластик, армированный более прочным материалом, например стекловолокном.

В спутниковых приложениях MLI будет заполнен эфиром во время запуска. Когда ракета поднимается, этот воздух должен иметь возможность выйти, не повредив одеяло. Для этого могут потребоваться отверстия или перфорация в слоях ^[5] , хотя это снижает их эффективность. ^[6]

В криогенике MLI является наиболее эффективным видом изоляции. ^[7] Поэтому он обычно используется в резервуарах для сжиженного газа (например , СПГ , 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 (0,79 дюйма) ^[8] и вес около 12 кг/м ² (2,5 фунта/кв. фута). ^[9]

Методы, как правило, различаются у разных производителей: некоторые одеяла MLI изготавливаются в основном с использованием швейной технологии. Слои разрезаются, складываются друг на друга и сшиваются по краям.

Другие более поздние методы включают использование компьютерного проектирования и компьютерной технологии производства для сварки точного контура окончательной формы бланкета с помощью ультразвуковой сварки на «пакете» (последний набор слоев перед добавлением внешней «оболочки»). рукой.)

Швы и щели в изоляции являются причиной большей части утечки тепла через одеяла MLI. Разрабатывается новый метод использования булавок для бирок из полиэфирэфиркетона (PEEK) (аналогично пластиковым крючкам, используемым для прикрепления ценников к одежде) для фиксации слоев пленки на месте вместо сшивания для улучшения тепловых характеристик. ^[6]

Дополнительные свойства

Космический корабль также может использовать MLI в качестве первой линии защиты от воздействия пыли. Обычно это означает размещение его на расстоянии примерно сантиметра от изолируемой поверхности. Также 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 образовывать заряд и дугу, вызывающую радиопомехи. Поскольку обычная конструкция обеспечивает как электрическую, так и тепловую изоляцию, в этих случаях могут использоваться алюминиевые прокладки вместо тканевой сетки в местах сшивания одеял.

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

Смотрите также

• Цистерна с жидким водородом , на которую нанесена многослойная изоляция.
• Подсистема термоконтроля

Рекомендации

1. «Использование одеял MLI в условиях плохого вакуума». Meyer Tool & Mfg . Проверено 25 ноября 2020 г.
2. "Завернутый MLI | Quest Thermal Group" . www.questthermal.com . Проверено 25 ноября 2020 г.
3. «Высокотемпературный MLI выводит характеристики вакуумной изоляции на новый уровень» . Усовершенствованная вакуумная изоляция для применения в диапазоне температур от -270°C до 1000°C . 31 июля 2019 г. Проверено 25 ноября 2020 г.
4. Savage, Крис Дж. (2003). «Тепловой контроль космических аппаратов». У Питера В. Фортескью; Джон Старк; Грэм Суинерд (ред.). Системотехника космических аппаратов (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. стр. 378–379. ISBN 978-0-470-85102-9.
5. «Перфорация». Данмор . Проверено 27 апреля 2014 г.
6. Рюта Хатакенака; Такеши Миякита; Хироюки Сугита (14–18 июля 2013 г.). «Тепловые характеристики и практическая польза одеяла MLI с пластиковыми штифтами для использования в космосе». 43-я Международная конференция по экологическим системам 2013: Вейл, Колорадо, США, 14-18 июля 2013 г. п. 2432. дои : 10.2514/6.2013-3503. ISBN 978-1-62748-896-9.
7. Криогенные изоляционные системы (Отчет). Январь 1999 года.
8. Маццоне, Л.; Рэтклифф, Г.; Риубланд, Дж. М.; Вандони, Г. (21 ноября 2002 г.). Измерения многослойной изоляции при высокой граничной температуре простым некалориметрическим методом (PDF) (Отчет). Европейская организация ядерных исследований . Проверено 23 ноября 2022 г.
9. "Дом - Фрако-Терм" . 8 мая 2020 г.

Внешние ссылки

• «Хорошо, как золото: спутники покрыты золотой фольгой?». Национальная служба экологических спутников, данных и информации . 8 января 2016. Архивировано из оригинала 24 октября 2016 года . Проверено 24 октября 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 космического корабля от JPL
• «Кассини надевает тепловой плащ» (пресс-релиз). Лаборатория реактивного движения НАСА . 3 января 1997 г. Архивировано из оригинала 4 сентября 2007 г. Проверено 8 января 2009 г.
• Типичная специализированная статья об испытаниях MLI Кассини.
• Применение многослойной изоляции (MLI)
• Рекомендации по многослойным изоляционным материалам — публикация НАСА от 1999 г. https://ntrs.nasa.gov/citations/19990047691
• Типы и свойства MLI