В технике тепловой экран — это компонент, предназначенный для защиты объекта или человека-оператора от ожогов или перегрева путем рассеивания, отражения и/или поглощения тепла. Этот термин чаще всего используется в отношении управления теплом выхлопных газов и систем рассеивания тепла от трения. Тепловые экраны чаще всего используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Тепловые экраны защищают конструкции от экстремальных температур и температурных градиентов с помощью двух основных механизмов. Теплоизоляция и радиационное охлаждение соответственно изолируют нижележащую конструкцию от высоких температур внешней поверхности, одновременно излучая тепло наружу посредством теплового излучения . Для достижения хорошей функциональности теплозащитному экрану необходимы три атрибута: низкая теплопроводность (высокое термическое сопротивление ), высокая излучательная способность и хорошая термическая стабильность (огнеупорность). [ 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 хорошему эффекту радиационного охлаждения, обеспечиваемому HEC.
Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, [ 2 ] 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 в моторном отсеке и, следовательно, снижения температуры воздуха, поступающего в двигатель. [ 3 ] Теплозащитные экраны сильно различаются по цене, но большинство из них легко монтируются, обычно с помощью зажимов из нержавеющей стали, термостойкой ленты или специально разработанных металлических кабельных стяжек. Существует три основных типа автомобильных теплозащитных экранов:
Пример стального теплозащитного экрана на двигателе BMW E серии. До недавнего времени жесткие теплозащитные экраны обычно изготавливались из твердой стали. [ 4 ] но сейчас часто изготавливаются из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие теплозащитные экраны изготавливаются из алюминия, золота или композитных материалов, причем большинство примеров включает керамическое покрытие, обеспечивающее тепловой барьер , улучшающий теплоизоляцию.
Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого или золотого листа, чаще всего продается в плоском виде или в рулоне. Эти теплозащитные экраны часто сгибаются установщиком вручную. Высокоэффективные гибкие теплозащитные экраны иногда включают в себя дополнительные элементы, такие как керамическая изоляция, наносимая плазменным напылением . Другая распространенная тактика создания гибких теплозащитных экранов — использование экзотических композитных материалов для улучшения теплоизоляции и снижения веса. Эти новейшие продукты широко распространены в ведущих автоспортах, таких как Формула 1 .
Пример алюминиевого теплозащитного экрана на Toyota Celica ST205. Текстильные тепловые экраны (также известные как тепловые обертки) используются для изоляции различных компонентов выхлопной системы, удерживая тепло, выделяемое выхлопными газами, внутри выхлопной трубы, а не позволяя огромному теплу от этих компонентов излучаться в моторный отсек. Эти накладки чаще всего используются в выхлопных трубах мотоциклов.
Тепловые экраны часто устанавливаются как любителями, так и профессиональными специалистами на этапе оптимизации настройки двигателя . Тепловые экраны также используются для охлаждения вентиляционных отверстий опор двигателя. Когда автомобиль движется на более высокой скорости, набегающего воздуха достаточно для охлаждения подкапотного моторного отсека, но когда автомобиль движется на более низких скоростях или поднимается по уклону, необходимо изолировать тепло двигателя, чтобы оно передавалось другим частям вокруг. это, например, подушки двигателя. С помощью надлежащего термического анализа и использования тепловых экранов вентиляционные отверстия опор двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик. [ 5 ]
Некоторые самолеты высокоскоростные , такие как Concorde и SR-71 Blackbird , должны быть спроектированы с учетом перегрева, аналогичного, но меньшего, чем тот, который происходит в космических кораблях. В случае Concorde алюминиевый носок может достигать максимальной рабочей температуры 127 °C (что на 180 °C выше, чем окружающий воздух снаружи, температура которого ниже нуля); металлургические последствия, связанные с пиковой температурой, были существенным фактором при определении максимальной скорости самолета.
Недавно были разработаны новые материалы, которые могут превосходить RCC . Прототип SHARP ( Hypervelocity такой erothermodynamic A ( ) и диборид гафния Research Probe 2 ) основан на керамике, как диборид циркония (ZrB 2 HfB сверхвысокотемпературной ). [ 6 ] Система теплозащиты на основе этих материалов позволила бы достичь скорости 7 Маха на уровне моря, 11 Маха на высоте 35 000 метров и существенно улучшить транспортные средства, рассчитанные на гиперзвуковую скорость . Используемые материалы обладают теплозащитными характеристиками в диапазоне температур от 0°С до +2000°С, с температурой плавления более 3500°С. Они также структурно более устойчивы, чем RCC, поэтому не требуют дополнительного усиления и очень эффективно повторно излучают поглощенное тепло. В 2001 году НАСА профинансировало (а впоследствии прекратило) программу исследований и разработок по тестированию этой системы защиты в Университете Монтаны. [ 7 ] [ 8 ]
Космические корабли , которые приземляются на планеты с атмосферой , такие как Земля , Марс и Венера , в настоящее время делают это, входя в атмосферу на высоких скоростях, в зависимости от сопротивления воздуха , а не от мощности ракеты, замедляющей их. Побочным эффектом этого метода входа в атмосферу является аэродинамический нагрев , который может оказаться весьма разрушительным для конструкции незащищенного или неисправного космического корабля. [ 10 ] Аэродинамический теплозащитный экран состоит из защитного слоя из специальных материалов, рассеивающего тепло. Использовались два основных типа аэродинамического теплового экрана:
Советский «Восток-1» , первый космический корабль с экипажем, использовал абляционную теплозащиту, изготовленную из асбестовой ткани в смоле. [ 11 ] В последующих миссиях «Меркурий» и «Близнецы» в смоле использовалось стекловолокно, а в космическом корабле «Аполлон» — смола, армированная кварцевым волокном. [ 12 ] Впервые сверхлегкий аблятор (SLA) был использован в космических кораблях на посадочных модулях «Викинг» в 1976 году. [ 12 ] SLA также будет использоваться для миссии Pathfinder . [ 12 ] Углеродные абляторы, пропитанные фенольной смолой (PICA), использовались в миссии Stardust, запущенной в 1999 году. [ 12 ]
Тепловой экран с термическим поглощением использует изоляционный материал для поглощения и излучения тепла от конструкции космического корабля. Этот тип использовался на космическом шаттле с намерением повторно использовать щит с минимальным ремонтом между запусками. [ 13 ] Тепловой экран космического корабля состоял из керамических или композитных плиток на большей части поверхности корабля с армированным углеродно-углеродным материалом в точках наибольшей тепловой нагрузки (носовая часть и передние кромки крыла). [ 14 ] Это защитило орбитальный аппарат, когда во время входа в атмосферу он достиг температуры 1648 градусов по Цельсию. [ 15 ] Советский космический самолет, известный как « Буран» , также использовал плитки TPS, аналогичные американским «Шаттлам». У «Бурана» также используется керамическая плитка на нижней части орбитального аппарата и углеродно-углеродная плитка на носовом обтекателе. [ 16 ]
Множество проблем возникало с плитками, использованными на космическом шаттле, тогда как незначительные повреждения теплозащитного экрана были обычным явлением. Серьезное повреждение теплового экрана едва не привело к разрушению космического корабля «Атлантис» в 1988 году и к гибели «Колумбии» в 2003 году. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
С возможными надувными тепловыми экранами , разработанными в США (Надувной замедлитель для летных испытаний на низкой околоземной орбите - LOFTID) [ 20 ] и Китай, [ 21 ] Считается, что одноразовые ракеты, такие как система космического запуска, будут оснащены такими тепловыми экранами, чтобы спасти дорогие двигатели, что, возможно, значительно снизит затраты на запуски. [ 22 ] 10 ноября 2022 года LOFTID был запущен с помощью ракеты Atlas V , а затем отделился, чтобы снова войти в атмосферу. [ 23 ] Внешний слой теплозащитного экрана состоял из карбидокремниевой керамики. [ 24 ] У восстановленного LOFTID были минимальные повреждения. [ 23 ]
Пассивные охлаждаемые протекторы используются для защиты космических кораблей во время входа в атмосферу для поглощения пиков тепла и последующего излучения тепла в атмосферу. Ранние версии включали значительное количество металлов, таких как титан , бериллий и медь . Это значительно увеличило массу автомобиля. Предпочтительными стали системы поглощения тепла и абляционные системы.
В современных автомобилях пассивное охлаждение можно встретить в виде армированного углеродно-углеродного материала вместо металла. Этот материал составляет систему теплозащиты носовой части и передних кромок космического корабля "Шаттл" и был предложен для корабля Х-33 . Углерод — наиболее тугоплавкий из известных материалов с температурой сублимации (для графита ) 3825 °С. Эти характеристики делают его материалом, особенно подходящим для пассивного охлаждения , но его недостатком является то, что он очень дорогой и хрупкий. Некоторые космические корабли также используют тепловой экран (в общепринятом автомобильном понимании) для защиты топливных баков и оборудования от тепла, выделяемого большим ракетным двигателем . Такие щиты использовались на ступени спуска служебного модуля «Аполлон» и лунного модуля . Солнечный зонд Паркер , предназначенный для входа в солнечную корону, испытывает температуру поверхности 2500 °F. [ 25 ] Чтобы выдержать такую температуру без повреждения корпуса и приборов, космический корабль использует тепловой экран из углеродно-углеродной керамики со слоем углеродной пены между ними. [ 26 ] Зонд был запущен в космос 18 августа 2018 года. [ 27 ]
Тепловые экраны часто прикрепляются к полуавтоматическим или автоматическим винтовкам и ружьям в качестве кожухов ствола , чтобы защитить руки пользователя от тепла, вызванного быстрыми последовательными выстрелами. Их также часто прикрепляли к помповым боевым ружьям, позволяя солдату захватывать ствол штыком. [ нужна ссылка ]
Тепловые экраны используются в металлургической промышленности для защиты конструкционной стали здания или другого оборудования от высокой температуры близлежащего жидкого металла. [ нужна ссылка ]
^ Фаренгольц, Уильям Дж; Вучина, Эрик Дж; Ли, Уильям Э; Чжоу, Яньчунь, ред. (2014). «Сверхвысокотемпературная керамика: материалы для применения в экстремальных условиях». дои : 10.1002/9781118700853 . ISBN 9781118700853 .
^ Лейнбах, Майкл Д.; Уорд, Джонатан Х. (2020). Возвращение Колумбии домой: нерассказанная правдивая история пропавшего космического корабля и ее команды . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Arcade Publishing. стр. 229–234. ISBN 9781948924610 .
^ Лейнбах, Майкл Д.; Уорд, Джонатан Х. (2020). Возвращение Колумбии домой: нерассказанная правдивая история пропавшего космического корабля и ее команды . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Arcade Publishing. стр. 229–234. ISBN 9781948924610 .
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: a625ab2445e508e203527667a1c90391__1718115960 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a6/91/a625ab2445e508e203527667a1c90391.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Heat shield - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
