способ тепловой защиты летательного аппарата и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ тепловой защиты летательного аппарата, заключающийся в использовании пористой оболочки теплозащитного экрана и охлаждающей текучей среды, которую подают в жидкой фазе в полость между внутренней поверхностью пористой оболочки теплозащитного экрана и корпусом летательного аппарата с возможностью испарения и выхода пара в атмосферу через поры упомянутой оболочки для поддержания заданного диапазона температуры всей внешней поверхности секций упомянутой оболочки, отличающийся тем, что охлаждающую текучую среду подают из форсунок в секции внутренней поверхности упомянутой оболочки путем набрызгивания в жидкой фазе для испарения и выхода пара только в атмосферу через поры упомянутой оболочки, контролируют датчиками температуру внешней поверхности секций упомянутой оболочки, регулируют дискретно расход упомянутой среды через каждую из форсунок на соответствующую секцию в зависимости от температуры внешней поверхности секции упомянутой оболочки.

2. Устройство тепловой защиты летательного аппарата, содержащее пористую оболочку теплозащитного экрана из твердого материала, установленную на расстоянии от корпуса летательного аппарата с образованием полости, предназначенной для подачи через магистрали в жидкой фазе охлаждающей текучей среды с возможностью испарения и выхода пара в атмосферу через поры упомянутой оболочки для поддержания заданного диапазона температуры всей поверхности секций упомянутой оболочки, отличающееся тем, что оно снабжено форсунками, установленными в упомянутой полости на концах упомянутых магистралей так, что струи охлаждающей среды во всем диапазоне расходов брызгают по внутренней поверхности оболочки, и контрольной аппаратурой магистрали подачи охлаждающей среды в жидкой фазе, включающей датчики температуры внешней поверхности оболочки, датчики расхода охлаждающей среды через форсунки, электроклапаны для управления подачей охлаждающей среды через форсунки, блок обработки сигналов от датчиков температуры и датчиков расхода, предназначенный для управления упомянутыми электроклапанами, при этом внешняя поверхность пористой оболочки выполнена гофрированной.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к авиационной и космической технике, а более конкретно к способам и средствам тепловой защиты летательных аппаратов.

Известен способ тепловой защиты летательного аппарата с теплозащитным экраном, заключающийся в том, что охлаждающую текучую среду подают в жидкой фазе в теплозащитный экран с пористой внешней оболочкой с возможностью ее испарения в теплозащитном экране при достижении внешней пористой оболочкой температуры испарения охлаждающей среды и выхода пара в окружающую атмосферу через поры оболочки (см., например, патент США 5330124, кл. 244-117А, 244-158А, 165-110, 1994 г.)

Из того же источника известно устройство тепловой защиты летательного аппарата, содержащее теплозащитный экран, выполненный в виде наружной пористой оболочки из твердого материала с тепловоспринимающей поверхностью, отстоящей от корпуса летательного аппарата на некотором расстоянии с образованием полости, заполняемой охлаждающей средой и сообщенной с источником охлаждающей среды в жидкой фазе с помощью магистралей с системой подачи, контрольной и регулирующей аппаратурой.

Однако указанные способ и устройство имеют ряд недостатков, например, температура защищаемой поверхности не контролируется, а лишь ограничивается снизу температурой кипения охлаждающей среды в жидком состоянии, не контролируется непосредственно вывод жидкой фазы в теплозащитный экран, система теплообмена достаточно инерционна и не приспособлена к резким изменениям внешнего теплового потока в широких пределах, имеет место потеря рабочей среды при перестройке на другой расходно-тепловой режим.

Задачей данных изобретений является повышение эффективности тепловой защиты летательного аппарата и расширение арсенала технических средств с достижением технического результата в виде расширения диапазона устанавливаемых допустимых температур на поверхности летательного аппарата, улучшения контролируемости охлаждающего процесса, экономии и удобства использования охлаждающих средств.

Данная задача решается тем, что в способе тепловой защиты летательного аппарата с теплозащитным экраном, заключающемся в том, что охлаждающую текучую среду подают в жидкой фазе в теплозащитный экран с пористой внешней оболочкой с возможностью ее испарения в теплозащитном экране при достижении внешней пористой оболочкой температуры испарения охлаждающей среды и выхода пара в окружающую атмосферу через поры оболочки. В соответствии с изобретением охлаждающую среду испаряют на внутренней стороне наружной оболочки теплозащитного экрана путем набрызгивания охлаждающей среды в жидкой фазе непосредственно на внутреннюю поверхность наружной оболочки теплозащитного экрана с обеспечением выхода пара только в окружающую атмосферу через поры в поверхности наружной оболочки теплозащитного экрана, регулируют дискретно подачу охлаждающей среды в жидкой фазе через форсунки в зависимости от показаний датчиков температуры, поддерживают на внешней поверхности теплозащитного экрана строго заданную температуру в течение заданного времени, строго контролируют температуру наружной поверхности пористой оболочки, обеспечивают температуру наружной поверхности пористой оболочки путем изменения расхода охлаждающей среды через форсунки теплозащитного экрана.

Данная задача решается также тем, что в устройстве тепловой защиты летательного аппарата, содержащем теплозащитный экран, выполненный в виде наружной пористой оболочки из твердого материала с тепловоспринимающей поверхностью, отстоящей от корпуса летательного аппарата на некотором расстоянии с образованием полости, заполняемой капельной охлаждающей средой, разделенной на отдельные секции, каждая из которых сообщается с источником охлаждающей среды в жидкой фазе с помощью магистралей системы подачи, контрольной и регулирующей аппаратурой.

В соответствии с изобретением наружная пористая оболочка выполнена гофрированной, на концах магистралей подачи охлаждающей среды в жидкой фазе, выходящих в полость между наружной пористой оболочкой и корпусом летательного аппарата, установлены форсунки так, что струи рабочей охлаждающей среды, выходящие из них во всем диапазоне расходных режимов, бьют по внутренней поверхности наружной пористой оболочки, наружная пористая оболочка выполнена в виде секций для обеспечения одинаковых температур при различном падающем внешнем тепловом потоке на каждую секцию, источник охлаждающей среды в жидкой фазе выполнен в виде баллона с аммиаком, пористая оболочка выполнена с относительной площадью пор с учетом температуры на внешней поверхности, контрольная аппаратура магистрали подачи охлаждающей среды в жидкой фазе включает в себя датчики температуры, укрепленные на внутренней поверхности внешней пористой оболочки, датчики расхода напрыскиваемой на внутреннюю поверхность наружной пористой оболочки подаваемой охлаждающей среды в жидкой фазе, которые соединены с блоком обработки соответствующих поступающих сигналов и с блоком управления, формирующим управляющие сигналы на электроклапаны, управляющие дискретной подачей охлаждающей жидкой среды через форсунки.

Изобретения поясняются более подробно на примере теплозащитного экрана для летательного аппарата, находящегося на околоземной орбите под воздействием солнечного теплового потока, использующего в качестве охлаждающей текучей среды аммиак, хранящийся в баллоне при нормальной температуре, с привлечением фигур, где на фиг.1 показано устройство тепловой защиты летательного аппарата с теплозащитным экраном, на фиг.2 - поле рабочих параметров теплозащитного экрана. Температура теплозащитного экрана может поддерживаться при таком способе в диапазоне от 190 до 270 К.

Устройство тепловой защиты летательного аппарата содержит тепловой экран 1, выполненный в виде наружной пористой оболочки 2 из твердого материала с тепловоспринимающей поверхностью 3, отстоящей от корпуса 4 летательного аппарата на некотором расстоянии с образованием полости 5 под охлаждающую среду 6 (или ее пар). Наружная пористая оболочка выполнена в виде секций 7 для обеспечения одинаковых температур при различном падающем внешнем тепловом потоке на каждую секцию. Наружная пористая оболочка выполнена гофрированной или кратерообразной. Каждая секция 7 пористой оболочки сообщена с источником 8 охлаждающей среды в жидкой фазе с помощью магистралей 9 с системой подачи. Магистрали снабжены контрольной регулирующей аппаратурой. На концах магистралей подачи охлаждающей среды в жидкой фазе, выходящих в полость между наружной пористой оболочкой и корпусом летательного аппарата, установлены форсунки 10. Форсунки установлены так, чтобы струи рабочей охлаждающей среды, выходящие из них, при любом расходе били по внутренней поверхности наружной пористой оболочки, то есть направлены строго на внутреннюю поверхность и обязательно достигают ее, а расстояние или глубина полости 5 должна быть именно такой, чтобы все капли струй долетали до внутренней поверхности пористой оболочки. Источник охлаждающей среды в жидкой фазе выполнен в виде баллона, заполненного аммиаком, хранящимся при нормальной температуре, и самоподдерживающего внутри себя давление, равное давлению насыщенных паров при температуре хранения. Пористая оболочка выполнена с четко определенной относительной площадью пор 11 для возможности установления определенного диапазона требуемой температуры на всей внешней поверхности. Контрольная аппаратура магистрали подачи охлаждающей среды в жидкой фазе включает в себя датчики 12 температуры, укрепленные на внутренней поверхности внешней пористой оболочки, датчик 12 расхода напрыскиваемой на внутреннюю поверхность наружной пористой оболочки охлаждающей среды в жидкой фазе, датчик 14 ориентации (в данном примере присутствует на ЛА), соединенный с блоком 15 обработки соответствующих поступающих сигналов, соединенным с блоком 16 управления, формирующим управляющие сигналы на электроклапаны 17, управляющие дискретной подачей охлаждающей среды в жидкой фазе через форсунки 10.

Способ тепловой защиты летательного аппарата в виде теплового экрана реализуется следующим образом.

По управляющему сигналу при необходимости установления или поддержания необходимой температуры на корпусе летательного аппарата охлаждающую среду - жидкий аммиак подают в жидкой фазе от источника охлаждающей среды - баллона с аммиаком 8 по магистралям 9 через электроклапаны 17 к полости 5. Далее жидкий аммиак через форсунки 10 напрыскивается на внутреннюю поверхность наружной пористой оболочки, естественно, в той секции, откуда поступил сигнал по температуре. Жидкая охлаждающая среда, попав на "горячую" поверхность в виде капель, испаряется и через поры в наружной пористой оболочке выходит наружу - в атмосферу. При этом происходит охлаждение пористой наружной оболочки, что значительно снижает собственное тепловое излучение летательного аппарата, а вместе с тем и охлаждение корпуса летательного аппарата. На фиг.2 показано поле рабочих параметров теплозащитного экрана. По оси Y представлен диапазон поддерживаемых на поверхности пористой наружной оболочки температур в зависимости от расхода аммиака на 1 м² площади теплозащитного экрана при различных наперед заданных площадях отверстий для выхода пара, приходящихся на 1 м² площади теплозащитного экрана.