Изоляция космических кораблей

Міністерство освіти і науки України

Український державний хіміко – технологічний університет

Кафедра ХТКС Реферат

з дисципліни “Основи наукових досліджень “

Тема: Високотемпературна ізоляція

для космічних кораблів

 

Виконав:

студ. гр. 3-ТК-64 Гурський Є.А.

Перевірила:

доцент Смакота Н.П.

Дніпропетровськ 2001

Зміст

Вступ -------------------------------------------------------------------3 1. Види високотемпературної ізоляції, призначення. Умови служби-----------------------------------------------------4

2.Сировинні матеріали для виготовлення високотемпературної ізоляції-----------------------------------10

3.Особливості технології виробництва високотемпературної ізоляції-----------------------------------14

 

Висновок--------------------------------------------------------------18

Література ----------------------------------------------------------19

Вступ

 

Високотемпературна ізоляція для космічних кораблів та надзвукової авіації представляє собою зазвичай багатошаровий композиційний матеріал, що може протистояти тривалій дії підвищених температур (більше 1000 ºС), витримувати дію підвищеного та низького (вакуум) тиску та має ще ряд подібних властивостей. Матеріал отримують із оксидів, таких бескисневих з’єднань, як нітрид кремнію, борид кремнію, карбід кремнію та багато інших, схожих по своїм якостям з’єднань. Для отримання таких матеріалів застосовуються дуже дорогі технології виробництва, що не в останню чергу впливає на кінцеву вартість отриманих виробів. Подальша досконалість технології виготовлення та хімічного складу дозволить знизити вартість високотемпературної кераміки, а також покращити ряд властивостей, котрі необхідні для подальшого використання цього матеріалу в космічній галузі при тому, що вона тільки розвивається та має великі перспективи на майбутнє завдяки потрібності людини в дослідженні космічного простору.

Взагалі, високотемпературна кераміка – це так званий підклас спеціальної кераміки, виробництво якої безперервно поширюється завдяки вимогам новітніх технологій, таких як виробництво теплових машин, електронних та оптичних пристроїв, аерокосмічної галузі, ріжучих інструментів та інших. За цією сферою діяльності слідкує Національний інститут стандартів та технологій, метою чого є досягнення кращого розуміння критичних параметрів матеріалів – мікроструктури та хімії, котрі контролюють властивості спеціальної кераміки та її експлуатаційні характеристики; розвинення методів вимірювання, стандартів та накопичення даних, необхідних для управління цими параметрами, з тим щоб промисловість могла надійно та ефективно виробляти конкурентноспроможну продукцію високої якості при більш низьких цінах. Завдяки цьому об’єм продаж спеціальної кераміки на внутрішньому ринку в 1990 році склав приблизно 53,6 млрд. доларів та досяг 59,2 млрд. доларів у 2000 році.[1].

1.  Види високотемпературної ізоляції, призначення. Умови служби

Високотемпературна ізоляція призначена для захисту поверхні об’єктів (в нашому випадку— поверхні космічних кораблів) від різноманітної дії навколишнього середовища, в якому перебуває той чи інший об’єкт.

Високотемпературна ізоляція може бути різних видів в залежності від її призначення.

Так, наприклад, композиційний матеріал може застосовуватись для передньої кромки надзвукових літаків для захисту від тертя повітря об поверхню апарата. Матеріал має склад: 20 об.% ZrB₂—SiC, зміцнений безперестанним волокном, отриманим методом хімічного осадження на вуглецеве волокно SiC—ПК з послідуючим нанесенням 30 об.% покриття з аморфного вуглецю товщиною 2—3 мкм, діаметром 140 мкм. Композиційний матеріал має густину 3,12 г/см³, модуль пружності 173 ГПа, поріг міцності на розтяг при температурах 1000 та 1200 ºС дорівнює 441 та 200 МПа, та володіє високою стійкістю при високих температурах.[2].

Одним із матеріалів, призначених для захисту космічних кораблів при вході в густі шари атмосфери є 6- шаровий еластичний ізолюючий композиційний матеріал. Зовнішній шар цього матеріалу представляє собою лист товщиною 0,065 см із SiC- волокон діаметром 9 мкм з теплопровідністю 0,644 Вт/(м·К). Послідуючий шар складався з корундового матеріалу товщиною 2,305 см з теплопровідністю 0,15 Вт/(м·К) та складеного з волокон діаметром 3 мкм, декілька шарів з волокон алюмоборосилікатного скла з діаметром волокон 3 мкм, алюмінізованої поліамідної плівки, шару волокон з алюмоборосилікатного скла товщиною 0,109 см та діаметром волокон 3 мкм та покриття з SiC товщиною 0,036 см. Теплоізоляційні властивості композиційного матеріалу, при імітуванні входу корабля в атмосферу після політу, дослідили шляхом нагріву в дуговій плазмі та встановили ефективність композиційного матеріалу при густині енергетичного потоку до 31 Вт/см². Наведені аналітичні моделі термічних характеристик композиційного матеріалу, результати випробувань. При товщині композиційного матеріалу 2,61 см та густині 0,174 г/см³, його теплопровідність при 670 К склала 0,055 Вт/(м·К), а величина питомої теплоємкості при 1078К— 1,54·10³ Дж/(кг·К).[3]. Такі матеріали мають можливість використання також для створення та забезпечення надзвукових полетів, високоефективних турбінних двигунів, розробки сучасних ракетних систем.

Одним із нових теплоізолюючих матеріалів є система термічного захисту “ТОРНАТ”, яка складається із зовнішнього керамічного композиційного матеріалу, з’єднаного високоміцним жорстким ізолятором, котрий, в свою чергу, з’єднується з поверхнею апарату. Між зовнішнім шаром та жорстким ізолятором поміщують гнучкий ізолятор малої густини. Система володіє значним опором удару часток малих енергій, витримує температуру на поверхні до 1700ºС.[4]. Зазвичай, теплоізолюючі матеріали для космічних кораблів – це вироби багатократного використання з кремнезему, вкритих глазур’ю на основі карбіду кремнію, що дозволяє оптимізувати відвід тепла від поверхні космічного корабля в кордонах 650-1260ºС. Така ізоляція вкриває близько 80% поверхні космічного корабля. Для порівняння: композиційний матеріал на основі Si₃N₄ з введенням 20 об. % нитковидних кристалів SiC, виготовлений горизонтальним ізостатичним пресуванням без спікаючих добавок володіє доброю структурною стабільністю при температурах навіть до 2000ºС, але деякі властивості (розтріскування та інші) не дають можливості використовувати цей матеріал окремо, а використання його в поєднанні з іншими матеріалами знижує теплостійкість захисного матеріалу в цілому. В ракетній техніці можуть застосовуватись графіто-епоксидні матеріали в сумісності зі скловолокном, котрі мають нижчі властивості, аніж матеріали на основі карбідів, але достатні для їх експлуатації.

Як в авіації, так і в космічній техніці усі деталі повинні мати порівняно невелику масу. Це стосується також і ізоляційних матеріалів, тому нелегко виробити такий матеріал, котрий мав би наряду з високими механічними та теплоізоляційними характеристиками невелику масу та мати невелику вартість. Так, наприклад, фірма PNL (США) розробила керамічний матеріал з тканих металевих та керамічних ниток. Міцність матеріалу порівняна з міцністю сталі A1, хоча їх питома маса складає 0,1 маси металів. Матеріал назначений для довгострокової експлуатації в космосі та його вартість склала близько 11250 доларів за 1 кг. Для запобігання виробів від ударів метеоритів передбачені багатошарові екрани. У композиційних матеріалів з вуглецевою матрицею, армованою волокнами вуглецю низька густина, підвищена механічна міцність при дуже високих температурах та висока стійкість до окислення. Вартість таких композиційних матеріалів склала 5000—45000 доларів за один кілограм.[5].