Тепловой экран

Компонент для защиты от чрезмерного нагрева.

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.

Принципы работы

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.

Использование

Автомобильная промышленность

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] Теплозащитные экраны сильно различаются по цене, 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:

• 

  Пример стального теплозащитного экрана на двигателе BMW E серии.

  До недавнего времени жесткие теплозащитные экраны обычно изготавливались из твердой стали ^[4] , но теперь их часто изготавливают из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие теплозащитные экраны изготавливаются из алюминия, золота или композитных материалов, причем большинство примеров включает керамическое покрытие, обеспечивающее тепловой барьер , улучшающий теплоизоляцию.
• Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого или золотого листа, чаще всего продается в плоском виде или в рулоне. Эти тепловые экраны часто сгибаются установщиком вручную. Высокоэффективные гибкие теплозащитные экраны иногда включают в себя дополнительные элементы, такие как керамическая изоляция, наносимая посредством плазменного напыления . Другая распространенная тактика создания гибких теплозащитных экранов — использование экзотических композитных материалов для улучшения теплоизоляции и снижения веса. Эти новейшие продукты широко распространены в ведущих автоспортах, таких как Формула 1 .

• 

  Пример алюминиевого теплозащитного экрана на Toyota Celica ST205.

  Текстильные тепловые экраны (также известные как тепловые обертки) 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 моторный отсек. Эти накладки чаще всего используются в выхлопных трубах мотоциклов.

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 теплозащитных экранов вентиляционные отверстия опор двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик. ^[5]

Самолет

Некоторые высокоскоростные самолеты , такие как Concorde и SR-71 Blackbird , должны быть спроектированы с учетом перегрева, аналогичного, но более низкого, 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 позволит достичь скорости числа Маха 7 на уровне моря, 11 Маха на высоте 35000 метров и существенно улучшить транспортные средства, рассчитанные 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]

Космический корабль

Абляционный теплозащитный экран капсулы Аполлона-12 (после использования) на выставке в Центре авиации и космонавтики Вирджинии.

Аэродинамический тепловой экран с термической пропиткой, используемый на космическом шаттле.

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:

• Абляционный теплозащитный экран состоит из слоя пластиковой смолы, внешняя поверхность которого нагревается до газа, который затем уносит тепло конвекцией . Такие щиты использовались на космических кораблях «Восток» , «Восход» , «Меркурий» , «Джемини» и «Аполлон» , а в настоящее время используются на космических кораблях SpaceX Dragon 2 , «Орион» и «Союз» .
  • Советский «Восток-1» , первый космический корабль с экипажем, использовал абляционную теплозащиту, изготовленную из асбестовой ткани в смоле. ^[11] В последующих миссиях «Меркурий» и «Джемини» в качестве смолы использовалось стекловолокно, а в космическом корабле «Аполлон» использовалась смола, армированная кварцевым волокном. ^[12] Впервые сверхлёгкий аблятор (SLA) был использован для космических кораблей на посадочных модулях «Викинг» в 1976 году. ^[12] SLA также будет использоваться в миссии «Патфайндер» . ^[12] Углеродные абляторы с фенольной пропиткой (PICA) использовались в миссии Stardust, запущенной в 1999 году. ^[12]
• Тепловой экран с термическим поглощением использует изоляционный материал для поглощения и излучения тепла от конструкции космического корабля. Этот тип использовался на космическом шаттле с намерением повторно использовать щит с минимальным ремонтом между запусками. ^[13] Тепловой экран космического корабля состоял из керамических или композитных плиток, покрывающих большую часть поверхности корабля, с усиленным углеродно-углеродным материалом в точках наибольшей тепловой нагрузки (носовая часть и передние кромки крыла). ^[14] Это защитило орбитальный аппарат, когда во время входа в атмосферу он достиг температуры 1648 градусов по Цельсию. ^[15] Советский космический самолет, известный как «Буран» , также использовал плитки TPS, похожие на американские шаттлы. У «Бурана» также используется керамическая плитка на нижней части орбитального аппарата и углеродно-углеродная плитка на носовом обтекателе. ^[16]
  • Множество проблем возникало с плитками, использованными на космическом шаттле, тогда как незначительные повреждения теплозащитного экрана были в некоторой степени обычным явлением. Серьезное повреждение теплового щита едва не привело к разрушению космического корабля «Атлантис» в 1988 году и к гибели «Колумбии» в 2003 году. ^{[17] [18] [19]}

Учитывая возможные надувные тепловые экраны, разработанные в США (надувной замедлитель для летных испытаний на низкой околоземной орбите - LOFTID) ^[20] и Китаем, ^[21] одноразовые ракеты, такие как система космического запуска, считаются модернизированными такими тепловыми экранами для спасти дорогие двигатели, возможно, значительно снизив затраты на запуски. ^[22] 10 ноября 2022 года LOFTID был запущен с помощью ракеты Atlas V , а затем отделился, чтобы снова войти в атмосферу. ^[23] Внешний слой теплового экрана состоял из керамики из карбида кремния. ^[24] Найденный 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 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 . Солнечный зонд Паркер , предназначенный для входа в солнечную корону, испытывает температуру поверхности 2500 °F. ^[25] Чтобы выдержать такую ​​температуру без повреждения корпуса и приборов, космический корабль использует тепловой экран из углеродно-углеродной керамики со слоем углеродной пены между ними. ^[26] Зонд был запущен в космос 18 августа 2018 года. ^[27]

Военный

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 ]}

Промышленность

Тепловые экраны используются в металлургической промышленности для защиты конструкционной стали здания или другого оборудования от высокой температуры близлежащего жидкого металла. ^{[ нужна цитата ]}

Смотрите также

• Аэрошелл
• Вход в атмосферу
• АВКОАТ
• вспучивающийся
• Старлайт
• Солнцезащитный козырек (JWST)

Рекомендации

1. Шао, Гаофэн; и другие. (2019). «Повышение стойкости к окислению высокоэмиссионных покрытий на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Коррозионная наука . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . Бибкод : 2019Corro.146..233S. doi :10.1016/j.corsci.2018.11.006. S2CID  118927116. Архивировано из оригинала 1 октября 2021 г. Проверено 11 января 2019 г.
2. Карли, Ларри (1 июня 2017 г.). «Умерение мощности лошадиных сил: сохранение хладнокровия с помощью аксессуаров для обогрева». Журнал «Двигателестроитель» . Проверено 26 августа 2023 г.
3. Диандра, доктор (23 апреля 2012 г.). «Канзас: температура и мощность». Скорость строительства . Проверено 26 августа 2023 г.
4. Маркетинг, Элмелин (23 мая 2022 г.). «Эволюция автомобильной теплоизоляции». ООО "Элмелин" . Проверено 26 августа 2023 г.
5. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 14 сентября 2016 г. Проверено 13 января 2016 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
6. Фаренгольц, Уильям Дж; Вучина, Эрик Дж; Ли, Уильям Э; Чжоу, Яньчунь, ред. (2014). «Сверхвысокотемпературная керамика: материалы для применения в экстремальных условиях». дои : 10.1002/9781118700853. ISBN 9781118700853.
7. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2005 года . Проверено 9 апреля 2006 г.
8. домашняя страница острой структуры слева. Архивировано 16 октября 2015 г. в Wayback Machine.
9. ​ c3harme.eu . Архивировано из оригинала 06 августа 2020 г. Проверено 27 марта 2018 г.
10. «Динамика атмосферного возврата». Архивировано из оригинала 8 июля 2018 г. Проверено 23 августа 2016 г.
11. "Бобков В. Космический корабль "Восток"". epizodsspace.airbase.ru . Проверено 22 марта 2024 г.
12. Венкатапати, Этирадж (21 октября 2019 г.). «Аблаторы - от Аполлона до будущих миссий на Луну, Марс и за их пределы». Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства .
13. Хейл, Уэйн; Лейн, Хелен В.; США, ред. (2010). Крылья на орбите: научное и инженерное наследие космического корабля, 1971-2010 гг. НАСА/СП. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. ISBN 978-0-16-086846-7. ОСЛК  698332185.
14. Мичан, CJ; Майлз, Ф.; Ледсом, К.; Фрейзер, DO; Уайтхаус, Д. (1984). «Система космических кораблей [и обсуждение]». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 312 (1519): 89–102. дои : 10.1098/rsta.1984.0053. ISSN  0080-4614. JSTOR  37389.
15. Хейл, Уэйн; Лейн, Хелен В.; США, ред. (2010). Крылья на орбите: научное и инженерное наследие космического корабля, 1971-2010 гг. НАСА/СП. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. ISBN 978-0-16-086846-7. ОСЛК  698332185.
16. Кондрашов, ЕК (2023). «Термотактические неорганические и полимерные покрытия для космического самолета Буран». Наука о полимерах, серия D. 16 (2): 396–400. дои : 10.1134/S1995421223020120. ISSN  1995-4212.
17. Лейнбах, Майкл Д.; Уорд, Джонатан Х. (2020). Возвращение Колумбии домой: нерассказанная правдивая история пропавшего космического корабля и ее команды . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Arcade Publishing. стр. 229–234. ISBN 9781948924610.
18. Лейнбах, Майкл Д.; Уорд, Джонатан Х. (2020). Возвращение Колумбии домой: нерассказанная правдивая история пропавшего космического корабля и ее команды . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Arcade Publishing. стр. 229–234. ISBN 9781948924610.
19. Эванс, Бен (9 декабря 2018 г.). «'Умирать в напряжении': 30 лет со дня тревожной секретной миссии STS-27». АмерикаКосмос . Архивировано из оригинала 6 января 2021 года.
20. Мардер, Дженни (3 июля 2019 г.). «Надувной замедлитель полетит на спутнике JPSS-2». НОАА . Архивировано из оригинала 1 октября 2021 года . Проверено 30 октября 2019 г.
21. 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 центре внимания: пилотируемый космический корабль нового поколения и другие важные моменты дева Великого похода 5B полет)". Новости Синьхуа (на китайском языке). Архивировано из оригинала 7 августа 2020 года . Проверено 29 октября 2020 г.
22. Билл Д'Зио (7 мая 2020 г.). «Является ли китайская надувная космическая технология экономией средств НАСА SLS на 400 миллионов долларов?». www.westeastspace.com . Архивировано из оригинала 10 мая 2020 года . Проверено 29 октября 2020 г.
23. «Жара началась! «Безупречная» демонстрация теплового экрана НАСА прошла испытание - НАСА» . 17.11.2023 . Проверено 20 апреля 2024 г.
24. «Надувной тепловой экран НАСА находит силу в гибкости - НАСА» . 25 октября 2022 г. Проверено 20 апреля 2024 г.
25. «Новейший тепловой экран, установленный на солнечном зонде НАСА Паркер - НАСА» . 05.07.2018 . Проверено 30 апреля 2024 г.
26. Гросси, Стефано. «Теплозащитный экран солнечного зонда Parker». Ультрамет . Проверено 30 апреля 2024 г.
27. "Солнечный зонд Паркер - Наука НАСА" . science.nasa.gov . Проверено 30 апреля 2024 г.