В технике тепловой 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 выхлопных газов и систем рассеивания тепла от трения. Тепловые экраны чаще всего используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Тепловые экраны защищают конструкции от экстремальных температур и температурных градиентов с помощью двух основных механизмов. Теплоизоляция и радиационное охлаждение соответственно изолируют нижележащую конструкцию от высоких температур внешней поверхности, одновременно излучая тепло наружу посредством теплового излучения . Для достижения хорошей функциональности теплозащитному экрану необходимы три атрибута: низкая теплопроводность (высокое термическое сопротивление ), высокая излучательная способность и хорошая термическая стабильность (огнеупорность). [1] Пористая керамика с покрытиями с высокой излучательной способностью (HEC) часто используется для решения этих трех характеристик благодаря хорошей термической стабильности керамики, теплоизоляции пористых материалов и хорошему эффекту радиационного охлаждения, обеспечиваемому HEC.
Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, [2] на большинстве двигателей используются тепловые экраны для защиты компонентов и кузова от тепловых повреждений. Помимо защиты, эффективные тепловые экраны могут повысить производительность за счет снижения температуры в моторном отсеке и, следовательно, снижения температуры воздуха, поступающего в двигатель. [3] Цена теплозащитных экранов сильно различается, но большинство из них легко монтируются, обычно с помощью зажимов из нержавеющей стали, термостойкой ленты или специально разработанных металлических кабельных стяжек. Существует три основных типа автомобильных теплозащитных экранов:
Тепловые экраны часто устанавливаются как любителями, так и профессиональными специалистами на этапе оптимизации настройки двигателя . Тепловые экраны также используются для охлаждения вентиляционных отверстий опор двигателя. Когда автомобиль движется на более высокой скорости, набегающего воздуха достаточно для охлаждения подкапотного моторного отсека, но когда автомобиль движется на более низких скоростях или поднимается по уклону, необходимо изолировать тепло двигателя, чтобы оно передавалось другим частям вокруг. это, например, подушки двигателя. С помощью надлежащего термического анализа и использования тепловых экранов вентиляционные отверстия опор двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик. [5]
Некоторые высокоскоростные самолеты , такие как Concorde и SR-71 Blackbird , должны быть спроектированы с учетом перегрева, аналогичного, но меньшего, чем тот, который происходит в космических кораблях. В случае Concorde алюминиевая носовая часть может достигать максимальной рабочей температуры 127 °C (что на 180 °C выше, чем окружающий воздух снаружи, температура которого ниже нуля); металлургические последствия, связанные с пиковой температурой, были существенным фактором при определении максимальной скорости самолета.
Недавно были разработаны новые материалы, которые могут превосходить RCC . Прототип SHARP ( Hypervelocity A erothermodynamic Research Probe ) основан на сверхвысокотемпературной керамике, такой как диборид циркония (ZrB 2 ) и диборид гафния (HfB 2 ) . [6] Система теплозащиты на основе этих материалов позволила бы достичь скорости числа Маха 7 на уровне моря, 11 Маха на высоте 35000 метров и существенно улучшить возможности транспортных средств, рассчитанных на гиперзвуковую скорость . Используемые материалы обладают теплозащитными характеристиками в диапазоне температур от 0°С до +2000°С, с температурой плавления более 3500°С. Они также структурно более устойчивы, чем RCC, поэтому не требуют дополнительного усиления и очень эффективно повторно излучают поглощенное тепло. В 2001 году НАСА профинансировало (а впоследствии прекратило) программу исследований и разработок по тестированию этой системы защиты в Университете Монтаны. [7] [8]
Европейская комиссия профинансировала исследовательский проект C3HARME в рамках программы NMP-19-2015 Рамочных программ исследований и технологических разработок в 2016 году (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и испытаний нового класса сверхтугоплавкой керамики. матричные композиты , армированные волокнами карбида кремния и углеродными волокнами , пригодными для применения в тяжелых условиях аэрокосмической промышленности. [9]
Космические корабли , которые приземляются на планеты с атмосферой , такие 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, замедляющей их. Побочным эффектом этого метода входа в атмосферу является аэродинамический нагрев , который может оказаться весьма разрушительным для конструкции незащищенного или неисправного космического корабля. [10] Аэродинамический теплозащитный экран состоит из защитного слоя из специальных материалов для рассеивания тепла. Использовались два основных типа аэродинамического теплового экрана:
Учитывая возможные надувные тепловые экраны, разработанные в США (надувной замедлитель для летных испытаний на низкой околоземной орбите - LOFTID) [13] и Китаем, [14] одноразовые ракеты, такие как система космического запуска , считаются модернизированными такими тепловыми экранами для спасти дорогие двигатели, возможно, значительно снизив затраты на запуски. [15]
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 увеличило массу автомобиля. Предпочтительными стали системы поглощения тепла и абляционные системы.
В современных автомобилях пассивное охлаждение можно встретить в виде армированного углеродно-углеродного материала вместо металла. Этот материал составляет систему теплозащиты носовой части и передних кромок космического корабля "Шаттл" и был предложен для корабля Х-33 . Углерод — наиболее тугоплавкий из известных материалов с температурой сублимации (для графита ) 3825 °С. Эти характеристики делают его материалом, особенно подходящим для пассивного охлаждения , но его недостатком является то, что он очень дорогой и хрупкий. Некоторые космические корабли также используют тепловой экран (в общепринятом автомобильном понимании) для защиты топливных баков и оборудования от тепла, выделяемого большим ракетным двигателем . Такие щиты использовались на ступени спуска служебного модуля «Аполлон» и лунного модуля .
Тепловые экраны часто прикрепляются к полуавтоматическим или автоматическим винтовкам и ружьям в качестве кожухов ствола , чтобы защитить руки пользователя от тепла, вызванного быстрыми последовательными выстрелами. Их также часто прикрепляли к помповым боевым ружьям, позволяя солдату захватывать ствол штыком. [ нужна цитата ]
Тепловые экраны используются в металлургической промышленности для защиты конструкционной стали здания или другого оборудования от высокой температуры близлежащего жидкого металла. [ нужна цитата ]
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )