Демпфирующий фитилящий материал на основе термостойких синтетических волокон

Введение

Известна конструкция воздушно-космического летательного аппарата (ВКЛА), где на внешнюю поверхность обшивки устанавливается специальный материал «Термосорб», представляющий собой водосодержащий гель, заключенный в пластмассовый контейнер, предназначенный для уменьшения аэродинамического нагрева обшивки ВКЛА путем отвода от него тепла в процессе фазовых переходов воды, т. е. предохраняет воду от испарения при хранении, а при воздействии повышенной температуры расплавляется, обеспечивая отвод образующихся паров. Отвод образующегося водяного пара в атмосферу осуществляется посредством канала, созданного защитным барьером и открытой поверхностью материала «Термосорб». Использование дополнительного отвода тепла от силовой конструкции в процессе фазовых переходов воды в данном материале позволяет уменьшить требуемую толщину внешней тепловой защиты. Это необходимо, например, для ВКЛА с большой продолжительностью полета или использующих траекторию с высоким уровнем аэродинамического нагрева, что требует существенного увеличения толщины, а следовательно, и массы тепловой защиты и исключает возможность применения подобной конструкции на малоразмерных ВКЛА, так как требуемая толщина теплозащитных материалов (ТЗМ) становится соизмеримой, а для определенных траекторий даже больше теоретических обводов тонкопрофильных крыльев, подобных ВКЛА [1–3].

Недостатком устройства является то, что канал для отвода пара находится между внешней тепловой защитой и обшивкой ВКЛА, поэтому необходимо использовать в конструкции защитный барьер. В противном случае проникновение пара в слой внешней изоляции, представляющей обычно дисперсный материал, может привести не только к ухудшению теплофизических характеристик изоляции, но и ее разрушению при полете на больших высотах вследствие замерзания влаги [4].

Другим недостатком устройства является использование для охлаждения обшивки самого материала «Термосорб», конструктивные особенности которого ставят перед необходимостью его частой замены, что в рассматриваемом устройстве связано с демонтажем конструкции, а это существенно затрудняет возможность использования подобного устройства для охлаждения значительных по площади элементов обшивки ВКЛА [5, 6].

Таким образом, возникла проблема создания промежуточного компенсирующего слоя (демпфера), способного нивелировать напряжение между ТЗМ и металлической поверхностью и предотвратить растрескивание волокнистого материала, а также упростить конструкцию ВКЛА.

Материалы и методы

Цель может быть достигнута с помощью введения в конструкцию ВКЛА комбинированной тепловой защиты, содержащей обшивку 1; внешнюю тепловую защиту 2, выполненную из кварцевых плиток с внешним радиационным покрытием и прилегающей к ним подложки-компенсатора 5, установленной на обшивке; на внутренних поверхностях отсеков, образованных обшивкой и силовым набором, установлен капиллярно-пористый материал 4; верхняя поверхность в зоне упомянутых отсеков снабжена пароотводящими штуцерами 3, один торец которых выполнен заподлицо с поверхностью внешней тепловой защиты, а другой – с открытой поверхностью капиллярно-пористого материала (рис. 1).

Рисунок 1. Схематичное изображение фрагмента конструкции воздушно-космического летательного аппарата: 1 – обшивка; 2 – внешняя тепловая защита; 3 – пароотводящий штуцер; 4 – капиллярно-пористый материал; 5 – подложка-компенсатор

Увлажнение капиллярно-пористого материала осуществляется дозированной подачей жидкого хладагента (дистиллированной воды) через штуцеры [7, 8].

Базовыми требованиями к подложке-компенсатору являются низкая плотность, упругость, гибкость и термостойкость. Основой для создания такого материала выбраны термостойкие синтетические волокна типа ароматических полиамидов. В табл. 1 приведены характеристики термостойких синтетических волокон различных марок [9].

Разработан иглопробивной материал марки АТМ-15 на основе таких синтетических волокон, как фенилон и терлон, свойства которого приведены в табл. 2 [10].

Таблица 1

Основные характеристики термостойких полимерных волокон

Таблица 2

Физико-механические свойства материала АТМ-15

Иглопробивной материал АТМ-15 интенсивно впитывает влагу и воду. Это свойство использовано для модификации материала в принципиально противоположном направлении. Для применения в конструкциях, в которых материал работает в открытой атмосфере, он должен быть влаго-водостойким, для чего его пропитывают гидрофобным составом, в частности кремнийорганической эмульсией марки КЭ-37. Свойства гидрофобного материала, которому была присвоена марка АТМ-15ПК, приведены в табл. 3 [11, 12].

Таблица 3

Свойства материала АТМ-15ПК

Из данных табл. 2 и 3 видно, что влагопоглощение материала АТМ-15ПК в 10 раз ниже по сравнению с влагопоглощением материала АТМ-15. Это свойство является чрезвычайно важным при эксплуатации ТЗМ в специфических климатических условиях – при температурах от -60 до +60°С и влажности 98%.

С другой стороны, высокое значение водопоглощения послужило основанием создания нового вида теплоизолирующего материала, способного сорбировать воду с последующим испарением с целью поглощения тепла, т. е. «активной теплоизоляции». Материал такого типа применяется для отвода тепла и поддержания комнатной температуры при работе приборов и оборудования [13].

Материал марки АТМ-15 является хорошим сорбентом, в котором вода равномерно распределяется и удерживается во всем объеме при возникающих перегрузках и свободно испаряется при повышенных температурах (фитилящий материал).

Результаты

Проведено испытание при одностороннем нагреве (рис. 2) нагревательными элементами 4 образца ТЗМ, состоящего из плитки ТЗМК 1 и нетканого иглопробивного полотна (ИПП) 2, к которому посредством фитилящего материала АТМ-15 3 подводилась вода 6, с замером температур с помощью термопар 5, установленных в трех точках по сечению испытываемого материала.

Рисунок 2. Схематичное изображение испытания при одностороннем нагреве образца теплозащитного материала: 1 – плитка ТЗМК; 2 – иглопробивное полотно; 3 – фитилящий материал АТМ-15; 4 – нагревательные элементы; 5 – термопары; 6 – емкость с водой

Рис. 3. Показания термопар во время испытания теплозащитного материала (ТЗМ) без фитилящего материала АТМ-15 (а – пассивная теплозащита) и с фитилящим материалом АТМ-15 (б – активная теплозащита): ▲ – температура на поверхности ТЗМ; ■ – температура между ТЗМК и иглопробивным полотном; ● – температура под ТЗМ

 На рис. 3, а приведены показания термопар при испытании ТЗМ без использования фитилящего материала АТМ-15 (пассивная теплозащита). Для сравнения на рис. 3, б приведены показания термопар при испытании ТЗМ с фитилящим материалом АТМ-15, посредством которого в процессе испытания к нетканому ИПП (активная теплозащита) поступает вода.

Обсуждение и заключения

При испытании теплозащитных материалов экспериментально выявлено, что при одностороннем нагреве плитки до 1450°С при непрерывном фитилении и испарении воды в слое иглопробивного полотна температура под образцом теплозащитного материала не превышает 175°С, тогда как при отсутствии подачи воды посредством фитилящего материала температура под образцом такого материала достигала ~500°С. Таким образом, доказана эффективность применения фитилящего демпфирующего материала [14].

В последнее время разработки в данной области ведутся в основном с использованием керамических высокотермостойких волокон. Например, для теплоизоляции металлических корпусов камер сгорания газотурбинных двигателей разработан градиентный керамический волокнистый материал с рабочей температурой 1650°С, который представляет собой плитку с необходимым градиентом плотности, а также имеет жесткий керамический слой с одной стороны и мягкий упругий слой непропитанных связующим волокон с другой. Обеспечение в волокнистом материале слоя, не содержащего золь-гель связующего, способствует повышению упругости и демпфирующих свойств материала. Кроме того, мягкий волокнистый слой легко может принимать форму изолируемой конструкции, заполняя все неровности и шероховатости, что способствует повышению тепловых свойств изделия [1].