Тепловой экран - Heat shield

А тепловой экран предназначен для защиты объекта от перегрева путем рассеивания, отражения или простого поглощения тепла. Этот термин чаще всего используется в отношении управление вытяжным теплом и системам отвода тепла за счет трения.

Принцип работы

Теплозащитные экраны защищают конструкции от экстремальных температур и температурных градиентов с помощью двух основных механизмов. Теплоизоляция и радиационное охлаждение, которые соответственно изолируют нижележащую структуру от высоких температур внешней поверхности, при этом выделяя тепло наружу через тепловое излучение. Для достижения хорошей функциональности три характеристики теплозащитного экрана являются низкими. теплопроводность (высоко термическое сопротивление ), высоко излучательная способность и хорошая термическая стабильность (рефрактерность).[1] Пористая керамика с покрытиями с высокой излучательной способностью (HEC) часто используется для решения этих трех характеристик благодаря хорошей термической стабильности керамики, теплоизоляции пористых материалов и хорошей радиационное охлаждение эффекты, предлагаемые HEC.

Использует

Автомобильная промышленность

Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, на большинстве двигателей используются тепловые экраны для защиты компонентов и кузова от теплового повреждения. Помимо защиты, эффективные тепловые экраны могут повысить производительность за счет снижения температуры под капотом и, следовательно, снижения температуры на входе. Теплозащитные экраны сильно различаются по цене, но большинство из них легко устанавливаются, обычно с помощью зажимов из нержавеющей стали или высокотемпературной ленты. Существует два основных типа автомобильного теплозащитного экрана:

  • Жесткий теплозащитный экран до недавнего времени изготавливали из твердой стали, но теперь часто из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие теплозащитные экраны изготавливаются из алюминиевого листа или других композитов с керамическим термобарьерным покрытием для улучшения теплоизоляции.
  • Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого листа, продается в плоском виде или в рулоне и сгибается вручную монтажником. Высокопроизводительные гибкие теплозащитные экраны иногда включают дополнительные элементы, например керамическую изоляцию плазменное напыление. Эти новейшие продукты широко используются в топовом автоспорте, таком как Формула 1.
  • Текстильные теплозащитные экраны, используемые для различных компонентов, таких как выхлопная система, турбонагнетатель, DPF или другие компоненты выхлопной системы.

В результате тепловой экран часто устанавливается как любителями, так и профессионалами во время фазы тюнинг двигателя.

Теплозащитные экраны также используются для охлаждения вентиляционных отверстий опоры двигателя. Когда автомобиль движется на более высокой скорости, набегающего воздуха достаточно для охлаждения моторного отсека под капотом, но когда автомобиль движется на более низких скоростях или поднимается по уклону, возникает необходимость изолировать тепло от двигателя, чтобы передать его другим частям вокруг него. , например Крепления двигателя. С помощью надлежащего термического анализа и использования теплозащитных экранов вентиляционные отверстия опоры двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик.[2]

Самолет

Немного самолет на высокой скорости, например Конкорд и SR-71 Блэкберд, должны быть спроектированы с учетом аналогичного, но меньшего перегрева, чем в космическом корабле. В случае Concorde алюминиевая носовая часть может достигать максимальной рабочей температуры 127 ° C (что на 180 ° C выше, чем температура окружающего воздуха ниже нуля); Металлургические последствия, связанные с пиковыми температурами, были важным фактором при определении максимальной скорости самолета.

Недавно были разработаны новые материалы, которые могут превосходить RCC. Прототип ОСТРЫЙ (Sкредитор ЧАСсверхскорость Аэротермодинамический рesearch пхалат) основан на сверхвысокотемпературная керамика такие как диборид циркония (ZrB2) и диборид гафния (HfB2).[3] Система тепловой защиты на основе этих материалов позволила бы достичь скорости число Маха 7 на уровне моря, 11 Махов на высоте 35000 метров и значительные улучшения для транспортных средств, предназначенных для гиперзвуковая скорость. Используемые материалы обладают характеристиками теплозащиты в диапазоне температур от 0 ° C до + 2000 ° C, с температурой плавления более 3500 ° C. Они также конструктивно более устойчивы, чем RCC, поэтому не требуют дополнительных укреплений и очень эффективны при повторном излучении поглощенного тепла. НАСА профинансировал (а впоследствии прекратил) программу исследований и разработок в 2001 году для тестирования этой системы защиты в Университете Монтаны.[4][5]

В Европейская комиссия профинансировал исследовательский проект C3HARME в рамках проекта NMP-19-2015 от Рамочные программы исследований и технологического развития в 2016 году (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и испытаний нового класса ультра-огнеупорные керамические матричные композитные армированный волокнами карбида кремния и углеродные волокна подходит для применения в суровых условиях аэрокосмической отрасли.[6]

Космический корабль

Основные статьи: Вход в атмосферу § Системы термозащиты, и Aeroshell
Смотрите также: Вход в атмосферу и Многоразовая система запуска
Аполлон-12 абляционный тепловой экран капсулы (после использования) на дисплее в Авиационно-космический центр Вирджинии
Тепловой аэродинамический тепловой экран, используемый на космическом шаттле.

Космический корабль что приземлиться на планета с атмосфера, Такие как земной шар, Марс, и Венера, в настоящее время делают это, входя в атмосферу на высоких скоростях, в зависимости от сопротивление воздуха вместо ракетной мощности, чтобы их замедлить. Побочным эффектом этого метода возвращения в атмосферу является аэродинамический обогрев, которые могут быть очень разрушительными для конструкции незащищенного или неисправного космического корабля.[7] Аэродинамический тепловой экран состоит из защитного слоя из специальных материалов для отвода тепла. Используются два основных типа аэродинамического теплозащитного экрана:

С возможностью надувания тепловые экраны, разработанный в США (надувной замедлитель для летных испытаний на низкой околоземной орбите - LOFTID)[8] и Китай,[9] одноразовые ракеты, такие как Система космического запуска считаются оснащенными такими теплозащитными экранами для спасения дорогостоящих двигателей, что может значительно снизить затраты на запуски.[10]

Пассивное охлаждение

Пассивные охлаждаемые протекторы используются для защиты космических кораблей во время вход в атмосферу для поглощения пиков тепла и последующего излучения накопленного тепла в атмосферу. Ранние версии включали значительное количество металлов, таких как титан, бериллий и медь. Это значительно увеличило массу машины. Предпочтительными стали системы поглощения тепла и абляционные системы.

В Меркурий конструкция капсулы (показана с башней) первоначально предусматривала использование системы тепловой защиты с пассивным охлаждением, но позже была преобразована в абляционный экран

Однако в современных автомобилях их можно встретить, но вместо металлических, армированный углерод-углерод материал используется. Этот материал составляет систему тепловой защиты носовой части и передней кромки космического челнока и был предложен для транспортного средства. Х-33. Углерод самый тугоплавкий из известных материалов с температурой сублимации (для графит ) 3825 ° С. Эти характеристики делают этот материал особенно подходящим для пассивного охлаждения, но с тем недостатком, что он очень дорогой и хрупкий. Некоторые космические аппараты также используют тепловой экран (в общепринятом автомобильном смысле) для защиты топливных баков и оборудования от тепла, выделяемого большим количеством тепла. ракетный двигатель. Такие щиты использовались на Аполлоне. Сервисный модуль и Лунный модуль этап спуска.

Промышленность

Тепловые экраны часто прикрепляются к полуавтоматический или же автоматический винтовки и ружья как кожухи ствола для защиты рук пользователя от тепла, вызываемого быстрой последовательностью выстрелов. Их также часто прикрепляли к помповым боевым ружьям, позволяя солдату хвататься за ствол, используя штык.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шао, Гаофэн; и другие. (2019). «Повышенная стойкость к окислению покрытий с высоким коэффициентом излучения на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Наука о коррозии. 146: 233–246. arXiv:1902.03943. Дои:10.1016 / j.corsci.2018.11.006.
  2. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-09-14. Получено 2016-01-13.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  3. ^ «Сверхвысокотемпературная керамика: материалы для экстремальных условий окружающей среды». Дои:10.1002/9781118700853.
  4. ^ «Копия архива» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 15 декабря 2005 г.. Получено 9 апреля 2006.
  5. ^ домашняя страница четкой структуры w слева В архиве 16 октября 2015 г. Wayback Machine
  6. ^ "c³harme". c3harme.eu.
  7. ^ «Динамика атмосферной ренты».
  8. ^ Мардер, Дженни (3 июля 2019 г.). "Надувной замедлитель покорится на спутнике JPSS-2". NOAA. Получено 30 октября 2019.
  9. ^ Редакционная коллегия Синьхуа (5 мая 2020 г.). ""胖 五 "家族 迎新 送 新一代 载人 飞船 试验 船 升空 —— 长征 五号 B 运载火箭 首飞 三大 看点 (В центре внимания семейство LM5: пилотируемые космические корабли нового поколения и другое яркое событие первого полета Long March 5B) ". Новости Синьхуа (на китайском языке).
  10. ^ Билл Д'Зио (7 мая 2020 г.). «Являются ли китайские надувные космические технологии экономией на 400 миллионов долларов для SLS НАСА?». westeastspace.com. Получено 29 октября 2020.