защитное покрытие космического аппарата от механических воздействий, способ создания защитного покрытия космического аппарата от механических воздействий и устройство для создания такого покрытия в космосе

Формула изобретения

1. Защитное покрытие космического аппарата от механических воздействий, содержащее прослойку из пористого материала, отличающееся тем, что указанная прослойка заполнена водяным льдом или водо-ледяной смесью.

2. Способ создания защитного покрытия космического аппарата от механических воздействий, включающий использование прослойки из пористого материала, отличающийся тем, что после выхода космического аппарата в космос указанную прослойку заполняют водой, прогревая до температуры, большей температуры замерзания воды, и контролируя количество воды в пористом материале прослойки, а после заполнения этого пористого материала водой ее подачу и прогрев прекращают.

3. Устройство для создания защитного покрытия космического аппарата в космосе, содержащее прослойку из пористого материала, отличающееся тем, что оно включает в себя источник воды и насос, соединенный трубопроводами с источником воды и указанной прослойкой, а также размещенные в указанной прослойке нагреватели, датчики температуры и количества воды, подключенные к блоку автоматики, управляющему работой нагревателей и насоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космической технике и может использоваться для защиты космических аппаратов (КА) от механических повреждений. Наиболее целесообразно использовать его при долговременных орбитальных полетах вокруг Земли.

Известно, что значительный вред КА, в частности орбитальным станциям (ОС), длительное время находящимся на орбите, наносят микрометеориты и мелкие техногенные частицы космического мусора (КМ), находящиеся на околоземных орбитах. При этом количество таких частиц в "ближнем" космосе стремительно возрастает, а "самоочищение" орбит практически не происходит. И если крупные объекты (фрагменты разрушенных КА) поддаются учету и по результатам наблюдений с Земли и ОС составляются их каталоги, то мелкие частицы КМ увидеть заранее очень сложно, что затрудняет выполнение маневра уклонения КА. Скорость же таких частиц бывает намного больше, чем у крупных фрагментов.

Таким образом, "проникающая" способность мелких частиц сравнительно высока, а повреждения, нанесенные ими, обнаружить достаточно сложно. В связи с этим все большую актуальность приобретает разработка защитных покрытий КА либо их защитных экранов. Обычно подобные защитные покрытия выполняются из листового материала с высокой прочностью (металлы, композиты) [1] (аналог). Требование минимального удельного веса таких покрытий (т.е. веса единицы площади) затрудняет использование сплошной защиты от мелких высокоскоростных частиц. Кроме того, прочные сплошные покрытия имеют склонность к образованию при ударе микротрещин. Кинетическая энергия частицы идет в этом случае на механическое разрушение материала и формирование в нем ударных волн (которые способствуют образованию трещин и отколов). Кроме того, поскольку сплошное защитное покрытие имеет большой вес, оно требует значительных затрат топлива для вывода на орбиту. Изготовление такого покрытия идет в наземных условиях, а его эксплуатация ограничивается восстановлением полученных повреждений, что в условиях космического полета достаточно сложно не только из-за необходимости выходить в космос, но и из-за сложности в обнаружении микропробоин в корпусе КА.

В связи с этим широкое распространение получили многослойные покрытия (или экраны) с различными физико-механическими свойствами отдельных слоев. В этом случае слои покрытия могут выполняться из металлической сетки или неметаллов, имеющих сравнительно низкую прочность, однако большую способность к деформации. За счет различия в прочностных и деформационных характеристиках слоев "пакета" происходит быстрое затухание ударных волн, генерируемых при столкновении с частицей, уменьшаются отколы. В случае многослойного покрытия больше энергии уходит не на растрескивание и разрушение материала, а на его деформацию. За счет этого многослойное покрытие позволяет заметно снизить удельный вес защитного слоя без ухудшения его баллистического предела защиты. Технология изготовления таких покрытий примерно такая же, как и покрытий сплошных: изготавливаются они обычно в наземных условиях одновременно с изготовлением самого КА.

В последнее время в состав многослойных покрытий включают прослойки из пористых материалов (пористый алюминий, войлок, стеклоткань и т.п.). Такие прослойки оказывают демпфирующее влияние на работу прочных слоев "пакета", предотвращают возникновение отколов и трещин в материале его слоев [2] (прототип). В таких покрытиях еще большая часть кинетической энергии частицы расходуется на деформацию. Недостатком такого решения является его низкая эффективность для защиты от мелких частиц КМ, размер которых соизмерим с размером пор материала. Такая частица взаимодействует с пористым материалом как со сплошным веществом, поэтому использование пористых материалов для мелких частиц неэффективно.

В качестве примера активной защиты поверхности КА в условиях полета можно рассматривать способ и устройство для тепловой защиты спускаемых КА с помощью охлаждаемых газообразных или жидких теплоносителей [4]. В этом случае нагреваемая извне оболочка спускаемого КА охлаждается изнутри потоком циркулирующей жидкости или газа. Циркуляция их обуславливается работой насоса либо вентилятора, при этом, если теплоносителем является жидкость, для повышения эффективности охлаждения допускается ее испарение.

Данное техническое решение используется исключительно для тепловой защиты КА и не допускает повреждений его оболочки. Использование таких технических решений для силовой защиты КА в космосе невозможно, поскольку повреждение покрытия приводит к его полному разрушению.

Задачей предлагаемого решения является разработка такого защитного покрытия (или экрана) КА, которое, имея небольшой удельный вес, было бы эффективным для защиты от механических повреждений мелкими высокоскоростными частицами. Кроме того, необходимо разработать способ создания такого защитного покрытия в условиях полета, а также устройство, позволяющее создать такое покрытие по мере надобности, в космосе.

Задача решается тем, что в защитном покрытии КА от механических воздействий, содержащем прослойку из пористого материала, последний заполняют водным льдом либо водо-ледяной смесью.

Способ создания такого защитного покрытия космического аппарата от механических воздействий заключается в том, что после выхода КА в космос прослойку из пористого материала его защитного покрытия начинают заполнять водой, одновременно прогревая ее до температуры, большей температуры замерзания воды, и контролируя ее количество в пористом материале, а после заполнения пористого материала водой подачу ее в пористый материал прекращают вместе с ее подогревом.

Устройство для создания защитного покрытия КА в космосе, включающего прослойку из пористого материала, включает в себя источник воды и насос, соединенный трубопроводами с источником воды и прослойкой из пористого материала защитного покрытия, а также нагреватели, датчики температуры и количества воды, размещенные в прослойке из пористого материала и подключенные к блоку автоматики, управляющему работой нагревателей и насоса.

Техническим результатом предложенного решения является повышение защитных характеристик многослойного покрытия для мелких высокоскоростных частиц, а также возможность хранить воду не внутри, а снаружи КА, т.е. увеличить его внутренний объем. Кроме того, формировать такое покрытие можно в условиях полета из запасов воды, уже имеющихся на борту КА, что не требует дополнительных затрат топлива при выводе КА на орбиту.

Суть предлагаемого решения заключается в следующем. При взаимодействии частицы с защитным покрытием ее энергия расходуется главным образом на механическое разрушение материала покрытия и его деформацию. Если покрытие сплошное, то энергия частицы уходит в основном на разрушение материала, если многослойное - значительная доля энергии расходуется на деформацию отдельных слоев "пакета".

В предлагаемом же решении энергия частицы будет расходоваться в основном на плавление льда и испарение воды, поскольку прочностные характеристики льда невысоки. Наиболее энергоемким при этом является процесс испарения, и в первом приближении теплотой на плавление льда можно пренебречь. Температура же кипения воды пренебрежимо мала по сравнению с температурой испарения металлов или композиционных материалов, используемых в обычных защитных покрытиях. Таким образом, частица, проникнув в лед, не будет его разрушать, а ее энергия уйдет на испарение воды.

При этом большая удельная теплота испарения воды делает такую защиту довольно эффективной для мелких высокопористых частиц. Например, частицы, имеющие массу 1 г и летящие со скоростью ˜7 км/с, имеют кинетическую энергию ˜25 кДж. Если считать, что, двигаясь в массиве льда, она будет "прожигать" в нем канал с сечением, равным своему миделевому сечению (˜1 см²), то из условия равенства кинетической энергии частиц теплоте, затраченной на испарение воды в объеме канала, проделанного частицей, можно оценить глубину проникновения частицы в лед. В рассматриваемом случае эта величина не превышает 10 см. Для частиц с меньшей массой эта величина еще меньше.

Затраты энергии на механическое разрушение льда приведут лишь к уменьшению глубины проникновения.

Суть устройства, предназначенного для формирования в космосе описанного выше защитного покрытия КА, заключается в том, что защита аппарата не сводится к его пассивному покрытию защитным материалом перед полетом, а обеспечивается "активной" системой, работающей в условиях космического полета и сочетающей защитные функции с хранением воды на наружной поверхности аппарата.

Суть способа эксплуатации этого устройства заключается в том, что защита КА обеспечивается уже в процессе полета за счет воды, имеющейся (или вырабатываемой) на борту КА. Воду перекачивают изнутри КА в его внешнюю оболочку, поддерживая ее в жидком состоянии (нагреванием) до конца процесса. Защита аппарата, таким образом, не требует дополнительных затрат топлива при выводе его на орбиту. Использование принципа "внешнего" хранения воды на борту КА при этом допускает и потребление воды внутри аппарата.

Структура предлагаемого защитного покрытия и схема устройства для его формирования в условиях космического полета приведены на чертеже, где обозначено:

1 - защитное покрытие КА;

2 - прослойка из пористого материала;

3 - корпус КА (фрагмент);

4 - насос;

5 - источник воды;

6 - соединительные трубопроводы;

7 - блок автоматики;

8 - датчики количества воды;

9 - нагреватель;

10 - датчики температуры.

Прослойка из пористого материала (2) защитного покрытия КА (1) соединена трубопроводом (6) с насосом (4), который в свою очередь трубопроводом (6) соединен с источником воды (5). Управление работой насоса (4) осуществляется от блока автоматики (7), который также управляет и работой нагревателя (9), размещенного в прослойке из пористого материала (2) защитного покрытия КА (1). Вместе с нагревателем (9) там же установлены датчики температуры (10) и количества воды (8). Сигналы этих датчиков поступают в блок автоматики (7), управляющий работой насоса (4) и нагревателя (9).

Работает данная схема следующим образом. До выхода КА на орбиту вода хранится внутри аппарата, а прослойка из пористого материала (2) защитного покрытия (1) остается незаполненной. При выходе на орбиту, на активном участке траектории эта прослойка играет роль теплоизоляции.

После выхода в космос, при появлении метеоритной опасности, вода из источника воды (5) насосом (4) перекачивается по соединительным трубопроводам (6) в прослойку из пористого материала (2), входящую в состав защитного покрытия (1). При этом производится прогревание воды в прослойке нагревателем (9), с тем чтобы предотвратить ее преждевременное замерзание и обеспечить равномерное заполнение прослойки из пористого материала водой. Контроль температуры в прослойке из пористого материала (2) контролируется датчиками температуры (10), а количество воды, перекаченной в прослойку из пористого материала (2), фиксируется датчиками количества воды (8).

Выходные сигналы всех датчиков поступают в блок автоматики (7), который управляет работой нагревателя (9) и насоса (4). После заполнения прослойки из пористого материала (2) водой, по сигналу датчиков количества воды (8), говорящему о заполнении материала водой, отключаются насос (4) и нагреватель (9), чем обеспечивается замерзание воды в пористом материале (внешняя поверхность КА, особенно не освещенная Солнцем, имеет криогенную температуру). Процесс замерзания воды контролируется теми же датчиками температуры (10).

Таким образом, после выхода КА на орбиту вода (или ее часть), хранящаяся на его борту, переводится во "внешнее" хранение в виде льда (или водо-ледяной смеси с освещенной стороны). При этом освобождается внутренний объем аппарата, который можно использовать для других целей.

В качестве источника воды на чертеже изображена обычная емкость, однако таким источником может служить также электрохимический генератор, который используется на перспективных КА в качестве источника электроэнергии [3].

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить следующие положительные эффекты:

- появляется возможность в условиях космического полета создать эффективную защиту КА от микрометеоритов и мелкого техногенного мусора;

- сокращаются затраты топлива при выводе КА на орбиту;

- увеличивается свободный внутренний объем КА, что особенно ценно во время длительных полетов в космосе.

Список литературы

1. "Защита служебного модуля МКС от метеоритных и техногенных частиц". А.В.Горбенко и др. "Космонавтика и ракетостроение" №18, 2000 г.

2. "Некоторые вопросы экранной защиты гермооболочек модулей долговременных орбитальных станций от воздействия частиц космического мусора". А.С.Скалкин, "Космонавтика и ракетостроение" №18, 2000 г.

3. Н.В.Коровин. "Электрохимические генераторы". М.: Энергия, 1974 г.

4. "Способ теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления КА без входа в плотные слои атмосферы". Заявка №3303688, В 64 G 1/58, ФРГ, 1984 г.