CC BY
19
УДК 662.998
А.С. Беспалов1, В.В. Кузьмин1, Бабашов1
ДЕМПФИРУЮЩИЙ ФИТИЛЯЩИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ТЕРМОСТОЙКИХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Большинство разработанных за последние годы теплозащитных материалов (ТЗМ) на основе высокотермостойких неорганических волокон (кварцевых, кремнеземных, на основе оксида алюминия и др.) имеют, как правило, жесткую волокнистую структуру. При креплении такого материала на изолируемую металлическую поверхность корпуса летательного аппарата возможно растрескивание материала при перепаде температур вследствие резкого различия по температурному коэффициенту линейного расширения в системе «металл-волокнистый материал».
Для решения данной проблемы можно использовать промежуточный компенсирующий слой (демпфер), способный нивелировать напряжение между ТЗМ и металлической поверхностью и предотвратить растрескивание волокнистого материала.
Ключевые слова: волокнистая структура, термостойкость, упругий, гибкий, теплоизоляционный, термосорбирующий материал, деформационная устойчивость, демпфирующий слой.
The majority of the heat-proofing materials developed for last years (HPM) on a basis of high-heat-resistant inorganic fibers (quartz, silica, on basis of aluminum oxide et al.) have, as a rule, a rigid fibrous structure. When fastening of such material on an isolated metal surface of an aircraft a cracking of material is probable at difference of temperatures owing to a sharp
difference on thermal coefficient of linear expansion (TCLE) in the system «metal- fibrous material».
For a solution of the problem it is possible to use an intermediate compensating layer (damper), capable to level a pressure between HPM and a metal surface and to prevent a cracking of fibrous material.
Keywords: fibrous structurel, heat-resistance, elastic, flexible, heat-insulating, thermosorb-ing material, deformation stability, damping layer.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Известна конструкция воздушно-космического летательного аппарата (ВКЛА), где на внешнюю поверхность обшивки устанавливается специальный материал «Тер-мосорб», 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 суще-
ственного 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).
Рис. 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].
Таблица 1
Основные характеристики термостойких полимерных волокон_
Характеристики Значения характеристик волокон
фенилон терлон арамид свм
Предел прочности при разрыве, Н/текс - 0,8-1,0 0,45-0,5 1,5-2,0
Удлинение при разрыве, % 20-25 8-10 6-8 3-3,5
Плотность, кг/м3 1380 1460 1410-1460 1450
Усадка в воде, % 1,5 1,0 - 3,7
Кислородный индекс, % 28-29 29-30 38 28-30
Температура разложения, °С 330-370 500 700 500
Разработан иглопробивной материал марки АТМ-15 на основе таких синтетических волокон, как фенилон и терлон, свойства которого приведены в табл. 2 [10].
Таблица 2
Физико-механические свойства материала АТМ-15_
Свойства Значения свойств
Толщина, мм 5,3±0,2
Поверхностная плотность, г/м2 610±15
Разрывная нагрузка, Н:
по длине 250
по ширине 300
Влагопоглощение (ф=65%), % 6,0
Водопоглощение, % 600
Предел прочности при отрыве, МПа 0,25
Рабочий диапазон температур, °С -130 - +300
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 Аг ГМ-15ПК
Свойства Значения свойств
Толщина, мм 4±0,1
Объемная плотность, г/см3 0,15±0,01
Предел прочности при растяжении, МПа:
по длине 2,2
по ширине 2,03
Предел прочности при отрыве, МПа 0,13
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К), при 20°С 0,067
Влагопоглощение (ф=65%), % 0,5
Горючесть Трудносгорающий
Температура эксплуатации, °С -130 - +300
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 (ИНН) 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.
ооооооо
4
Рис. 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
а) б)
1600
1200-
О
ев
а
<о С
800-
н 400-
10
20
30
40
0
10 20 30 40 50 60 70
Продолжительность испытаний, мин
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
1
0
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 ИНН (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].
ЛИТЕРАТУРА
1. Кириенко Т.А., Балинова Ю.А. Физико-химические свойства многокомпонентных растворов для керамических материалов, содержащих поливиниловый спирт //Авиационные материалы и технологии. 2014. №1. C. 34-38.
2. Каблов E.H., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С. С. Перспективные высокотемпературные ке-
рамические композиционные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 20-24.
3. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологии их переработки на пе-
риод до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
4. Кондратов Э.К., Кузьмин В.В., Минаков В.Т., Пономарева Е.А. Нетканые материалы на основе термостойких полимерных волокон и межплиточные уплотнения //Труды ВИАМ. 2013. №7. Ст. 05 (viam-works.ru).
5. Щетанов Б.В., Балинова Ю.А., Люлюкина Г.Ю., Соловьева Е.П. Структура и свойства непрерыв-
ных поликристаллических волокон а-А120з //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 13-17.
6. Ивахненко Ю.А., Кузьмин В.В., Беспалов A.C. Состояние и перспективы развития теплозвукоизо-
ляционных пожаробезопасных материалов //Проблемы безопасности полетов. 2014. №7. С. 27-30.
7. Солнцев С.С. Высокотемпературные композиционные материалы и покрытия на основе стекла и керамики для авиакосмической техники //Российский химический журнал. 2010. T. LIV. №1. C. 25-33.
8. Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г., Зимичев A.M., Тинякова Е.В. Высокотемпературные теплоизоля-
ционные и теплозащитные материалы на основе волокон тугоплавких соединений //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 380-386.
9. Щетанов Б.В. Материал плитки для внешнего высокотемпературного теплозащитного покрытия орбитального корабля «Буран» //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 41-50.
10. Луговой A.A., Бабашов В.Г., Карпов Ю.В. Температуропроводность градиентного теплоизоляционного материала //Труды ВИАМ. 2014 №2. Ст. 02 (viam-works.ru).
11. Каблов E.H., Гращенков Д.В., Исаева Н.В.и др. Высокотемпературные конструкционные композиционные материалы на основе стекла и керамики для перспективных изделий авиационной техники //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 7-11.
12. Каблов E.H., Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Балинова Ю.А. Перспективные армирующие высокотемпературные волокна для металлических и керамических композиционных материалов //Труды ВИАМ. 2013. № 2. Ст. 05 (viam-works.ru).
13. Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г. Теплозащитные материалы //Российский химический журнал. 2010. T. LIV. №1. С. 25-33.
14. Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия-Буран» /Под общ. ред. E.H. Каблова. М.: Фонд «Наука и жизнь». 2013. 128 с.
