Д Бородай - Дослідження оптичних характеристик антиерозійного покриття теплозахисних плиток оболонки космічного корабля буран - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ

Серія фізична. 2007. Вип.40. С.64-70

VISNYKLVIV UNIV. Ser.Physic. 2007. N40. P.64-70

УДК 535.34:629.7

PACS number(s): 42.25, 42.68, 07.87

ДОСЛІДЖЕННЯ ОПТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТИЕРОЗІЙНОГО ПОКРИТТЯ ТЕПЛОЗАХИСНИХ ПЛИТОК ОБОЛОНКИ КОСМІЧНОГО КОРАБЛЯ „БУРАН"

Д. Бородай

Хмельницький національний університет Кафедра фізики вул. Інститутська, 11, 29016 Хмельницький, Україна e-mail: centr@mailhub.tup.km.ua

Досліджено температурну залежність оптичних властивостей теплозахисних плівок типу ЕВС-6 орбітального корабля „Буран". На зовнішню поверхню цих плиток нанесено лакове ерозійно стійке покриття ТПФ і ФП-5182. Оптичні характеристики плиток визначені в діапазоні хвиль Х = 0,3 -1,1 мкм за температури 20°-1 000° С. Визначе­но, що на оптичні характеристики плиток теплозахисної ізоляції впливає антиерозійне лакове покриття в інтервалі температур до 400°- 450° С. У разі високих температур нагріву 600°-1 000° С значення оптичних коефіцієнтів плиток залежить від лакового покриття і метеорологічних чинників.

Ключові слова: теплозахисна ізоляція „Бурана", орбітальний корабель, оптичні характеристики, антиерозійне покриття, ступінь чорноти.

Оскільки теплоізоляція орбітального корабля працює в зоні дії високотемпературного повітряного потоку, під час його запуску в космос і спуску з орбіти, то вона повинна бути ерозійно стійка проти вітру, дощу, граду, піску, вологи. Тому теплозахисну плитку зовні покривають ерозійно стійким покриттям. З метою забезпечення вологоізоляції поверхня плитки теплозахисного матеріалу покривається лаковою плівкою [1]. Усе це змінює оптичні властивості теплозахисних покриттів. Однак матеріали, з яких виготовлена теплозахисна плитка, повинні мати відповідні оптичні характеристики для ефективного перевипромінювання тепла, отриманого його покриттям [2].

У праці [3] досліджено температурну залежність оптичних характеристик теплозахисних плиток типу ЕВЧ-4М1У-3 і ЕВС-6, на зовнішню поверхню яких не була нанесена вологоізоляція. У цій статті досліджено температурну залежність оптичних і терморадіаційних властивостей теплозахисних плиток типу ЕВС-6, на зовнішню поверхню яких нанесено лакове антиерозійне   покриття. Ці плитки

© Бородай Д., 2007перешкоджають перегріву через сонячне випромінювання верхньої частини орбітального корабля [2].

За методикою, описаною в [3], виміряно спектральні коефіцієнти відбивання за направленого опромінення зразків при різних кутах падіння пучка, в області

довжин хвиль X = 0,3-1,1 нм і діапазоні температур T = 20° -1000° С. Спектраль­ний напівсферичний ступінь чорноти eX визначали через спектральні коефіцієнти

зразків під час їх дифузного опромінення, які обчислювали методом кутових коефіцієнтів [4] за коефіцієнтами відбивання за спрямованого опромінення.

Зразок № 1 є теплозахисною конструкцією (плиткою) з білим покриттям типу ЕВС-6 і серцевиною з матеріалу ТЗМК-10 на основі супертонкого, чистого кварцового волокна. На зовнішню поверхню теплозахисної плитки нанесено по три шари лакового покриття ТФП і ФП-5182. Крім цього, цей зразок піддавався дії метеорологічних чинників (сонячне опромінення, волога (дощ), вітер, пил) протягом місяця, а після відпалювання за температури 200° С протягом восьми годин.

0.3 -

0.4

0.3

0.2

0.1

нагріті зразки

№2

■» 1 -20ЧС -я-2 -25&°С

-> З -400ЧС ч-4-ШЧС — 5-9004;

о стиглі зразки

№2

-и- 6 -250<С 7-40D4C

г-тк

№0 -11 - 20 °С

---

2

300 380

469

540

620 700

6.7 8

S.5

340     1020 ' L1QQ X

Рис. 1. Залежність eX від температури нагріву

Спектральну залежність eX для цього зразка показано на рис. 1, крива 10. Як свідчать експерименти, значення eX для зразка № 1 значно перевищують eX при

T = 200° С порівняно зі зразком № 0 (плиток ЕВС-6), на поверхню якого не було нанесено лакового покриття і він не підпадав під дію метеорологічних чинників [3]. Особливо це виявляється в області довжин хвиль X = 340 - 600 нм. Наприклад, для зразка № 1 при X = 380 нм єх більше у 2,3 раза, при X = 500 нм - у 2 рази, при X = 600 нм - у 1,5 раза, при X = 840 нм - у 1,3 раза, ніж для зразка № 0.

Зразок № 2, який має таке ж покриття, як і зразок 1, зазнав такі ж метеорологічні випробування, але не відпалювався. Залежність спектрального ступеня чорноти від довжини хвилі для зразка № 2 показано на рис. 1, криві 1, 2, 3, 4, 5 відповідають температурам нагріву 20°, 250°, 400°, 600°, 900° С. Криві 6, 7, 8,

9 побудовані відповідно для зразків, нагрітих до температур 250°, 400°, 600°, 900° С, а потім витриманих не менше 12 годин при 20° С (остиглих зразків). На рис. 1 крива 11 відтворює спектральну залежність eX зразка № 0 за температури 20° С.

Порівняння кривих 1 і 11 дає підстави оцінити вплив лакового покриття на оптичні властивості теплозахисної плитки. Максимум кривих 1, 11 відповідають X = 380 нм при Т = 20° С. При цьому числові значення eX max значно відрізняються

між собою. Зокрема для кривої 1 eXmax = 0,46 , а для кривої 11 - eXmax = 0,24. Зі

збільшенням довжини хвилі значення спектрального ступеня чорноти монотонно зменшується до eX и 0,20 (крива 1), eX и 0,15 (крива 11). Значення eX отримані з виміряних спектральних оптичних характеристик зразків. Це свідчить про те, що лакове покриття при Т = 20° С впливає на оптичні й терморадіаційні характеристики теплозахисних плиток, а саме, збільшується величина спектрального коефіцієнта поглинання aX і ступеня чорноти eX. Порівняння

результатів досліджень цієї роботи і [3] свідчать, що зазначена закономірність eX і

aX зберігається до температури 200° С. Для зразка № 2 за температури Т = 250° C

простежують зміну кольору поверхні, вона із білої стає світло-коричневою. Лак на поверхні плавиться, перетворюючись у клейку масу.

Наведені на рис. 1 криві 1, 2, 3, 10 свідчать, що з підвищенням температури нагріву від 20° до 400° С значення eX збільшуються в області довжин хвиль X = 340 - 660 нм, а при X = 700 -1100 нм - збігаються із точністю до похибки вимірювань. Однак, за температури нагріву 250° С значення eX зразка № 2 відрізняються незначно від eX , при Т = 400° у всьому дослідженому інтервалі довжин хвиль (рис. 1, криві 2 і 3).

За 400° С лак на поверхні зразка стає менш в'язким і розтікається по його поверхні. Починається вигорання і утворення на поверхні зразка коричневих плям. Порівняння числових значень eX кривих 1 та 11, рис. 1 та таблиці зразків № 2 і № 0 свідчать, що їх величини суттєво відрізняються між собою в інтервалі температур T = 20° - 400° С. Зокрема при T = 400° і X = 380 нм значення eX для зразка № 2 більше у 3,41 раза, X = 520 нм - у 3 рази, X = 600 нм - 1,8 раза, X = 1000 нм - 1,7 раза ніж для зразка № 0.

Отже, антиерозійне лакове покриття теплозахисної плитки збільшує спектральний ступінь чорноти за температури нагріву її до 400° С. У процесі проведених досліджень визначено спад eX покриття за температури більшій ніж

400° С. Це пов' язано з тим, що лакове покриття починає вигорати.

За температури нагріву 600° С (рис. 1, крива 4) спектральний ступінь чорнот значно знижується порівняно зі значеннями eX для T = 20° С, T = 250° С, Т = 400°С (рис. 1, криві 1, 2, 3). В короткохвильовій частині спектра X = 340 - 500 нм eX

приймає значення в межах 0,212-0,161, а в довгохвильовій - 0,143 при T = 600° С. Зниження значень eX зразка № 2 за Т = 600°С пояснюють тим, що за цієї температури лакове покриття повністю вигорає і поверхня зразка набуває білого кольору. Таке явище простежують у разі першого спуску космічного корабля зорбіти в зонах, де температура перевищує Т = 450°С [5]. Дані таблиці свідчать, що значення єх для зразків № 2 і № 0 незначно відрізняються за Т = 600° С.

Таблиця

Значення єх теплозахисних плиток типу ЕВС-6

Зразок №

Т=250°С

Т= 400°С

 

X, нм

X, нм

 

380

520

680

1000

380

520

680

1 000

0

0,260

0,177

0,162

0,136

0,181

0,138

0,140

0,113

2

0,621

0,419

0,250

0,207

0,614

0,425

0,265

0,191

3

0,432

0,245

0,199

0,157

0,672

0,515

0,344

0,284

Зразок №

Т=600°С

Т= 900°С

 

X, нм

X, нм

 

380

520

680

1000

380

520

680

1 000

0

0,171

0,131

0,122

0,112

0,161

0,126

0,117

0,111

2

0,212

0,162

0,161

0,143

0,169

0,126

0,120

0,120

3

0,210

0,137

0,143

0,118

0,190

0,122

0,133

0,116

З підвищенням температури до 900-1 000° С спектральний ступінь чорноти зразка № 2 зменшується, але незначно порівняно із значеннями єх за Т = 600° С (рис. 1, криві 4, 5). У разі цих температур простежують подальше відбілювання зразка і дані таблиці свідчать, що числові значення єх для зразків № 2 і № 0

збігаються з точністю до похибки вимірювань.

Нагрівання теплозахисних матеріалів спричинює структурні перетворення, що зумовлює й відповідні зміни в їх оптичних спектрах відбивання і поглинання. Порівняння спектральних оптичних коефіцієнтів для нагрітих і застиглих зразків дає змогу оцінити оборотність оптичних характеристик зразка. Для зразка № 2 в інтервалі X = 740 -1100 нм за Т = 250 - 400° С простежують оборотність оптичних спектрів, оскільки відповідні криві 6, 7 дуже близькі до кривої 1 (рис. 1). Вище температури нагріву T = 400° простежують деяку їх необоротність у всьому дослідженому інтервалі довжин хвиль, особливо помітну за T = 600° -1000° С. При цьому збігаються числові значення єх для нагрітого і застиглого зразка (рис. 1, криві 4 і 5, 7 і 9).

У процесі проведених досліджень визначено, що значення єх для зразків № 1 і № 2 при T = 200° С збігаються з точністю до похибки вимірювань. Це свідчить

про те, що відпалювання зразка № 1 при T = 200° С протягом восьми годин не впливає на його оптичні характеристики.

Рис. 3. Залежність єх від температури нагрівання для зразка № 3

Зразок № 3 має такі ж характеристики, що і зразок № 2, крім цього він забруднений землею, але не піддавався дії метеорологічних чинників. Значення єх і їх залежність від температури показані на рис 2. Криві 1-5 відповідають температурам нагріву 20°, 250°, 400°, 600°, 900° С. Криві 6-9 побудовані для зразків, нагрітих до 250°, 400°, 600°, 900° С, а потім витриманих не менше 12 годин при 20° С. За температури 20° С спектральний ступінь чорноти має максимум в області 380 нм (крива 1), який досягає значення 0,485. В області більших довжин хвиль єх має менші значення, тобто зі збільшенням довжини хвилі єх має тенденцію до зменшення. При цьому значення єх при Т = 20° С для зразків № 2 і № 3 у спектральному інтервалі X = 340 -1100 нм відрізняються незначно (рис. 1, 2, крива 1). Однак, значення єх для зразка № 3 значно більші при цій же температурі і в цьому ж інтервалі довжин хвиль порівняно із єх зразка № 0 (рис. 2,

крива 1 , крива 11 ). Отже при Т = 20° забруднення землею мало впливає на оптичні властивості зразка, а лакове покриття суттєво змінює його оптичні характеристики.

В інтервалі температур нагріву 100°-150° С значення єх зразка № 3 мало відрізняються від єх за температурі 20° С. При 250° С величина єх незначно зменшується в короткохвильовій області, в середній області спектра (X = 460-540 нм) значення збігаються, а в довгохвильовій - знову зменшується порівняно з єх за Т = 20° С (рис. 2, криві 1, 2). За цієї температури лак починає плавитись, утворюються темно-коричневі плями. Порівняння кривих 2, рис. 1 та 2 свідчать, що єх за T = 250° С для зразка № 3 значно менша, ніж для зразка № 2. Однак, значення єх зразка № 3 більше майже в 1,5 раза порівняно із єх зразка № 0 (табл.). Зменшення єх за цих умов пов'язане з виділенням хімічних продуктів, що забарвлюють зразок у темно-коричневий колір.

Зі збільшенням температури до 400° С спектральний ступінь чорноти єх зразка № 3 значно зростає у всьому дослідженому інтервалі довжин хвиль (рис. 2, крива 3). Із даних таблиці і кривих 3, рис. 1 та 2 простежуємо, що при T = 400° С значення єх зразка № 3 більші, ніж зразка № 2 і особливо вони значно більші порівняно зі зразком № 0.

Нагрівання зразка № 3 до 600° С спричинює до зниження спектрального ступеня чорноти у всьому дослідженому інтервалі довжин хвиль (рис. 2, крива 4). Якісний хід цієї залежності зразка № 3 подібний до тої, яку простежували для зразка № 2 (рис. 1 та 2, крива 4). Однак, чисельні значення єх для зразка № 3 набувають меншої величини при всіх довжинах хвиль. За подальшого збільшення температури до 900°-1 000° С відбуваються невеликі зміни єх, порівняно із значеннями за 600° С (криві 4, 5, рис. 2). В інтервалі температур 600°-1 000°С значення єх зразка № 3 наближається до єх зразка № 0 (табл.1). Для зразка № 3 простежено повну необоротність оптичних спектрів за остигання, тобто збіг кривих 6-9 застиглих зразків з відповідними кривими 2-5 нагрітих зразків (рис. 2).

Із порівняння кривих 1-5, рис. 1 та 2 видно, що забруднення землею поверхні теплозахисної плитки веде до зміни єх і особливо за температури 400° С. За вищих температур вплив забруднення зникає. Наведені на рис. 1 та 2 криві спектрального ступеня чорноти свідчать, що окрім діапазону X = 340 - 620 нм значення єх мало змінюється із довжиною хвилі.

Отже, як видно із дослідження зразків № 0-3 на оптичні характеристики плиток теплозахисної ізоляції орбітального корабля впливає антиерозійне (лакове) покриття, забруднення землею в інтервалі до температур 400°-450° С. Суттєво, що при високих температурах нагріву (600-1 000° С) значення оптичних коефіцієнтів майже не залежить від зазначених і метеорологічних чинників.

Одержано експериментальні дані стосовно впливу антиерозійного покриття на оптичні характеристики теплозахисних плиток, які дають змогу прогнозувати оптичні властивості теплозахисної ізоляції космічного корабля. Результати досліджень можуть бути застосовані у разі проектуванні елементів теплозахисної ізоляції орбітальних кораблів багаторазового використання.

1. Лозино-Лозинский Г.Е., Воинов Л.П., Скороделов В.А. Летные эксперименты по программе "Космос", проведенные в обеспечение создания ОК "Буран". Доклад (ИИЕТ РАН 30 марта 1992 г).

2. Лозино-Лозинский Г.Е., Братухин А.Г. Авиционно-космические системы МАИ. Москва, 1997.

3. Бородай Д.М., Коломієць І.Д., Бородай М.В. // Тез. Допов. Всеукраїнської конференції теоретичної та експериментальної фізики "Еврика - 2003". Л.,

2003.

4. Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике. М.: Госэнергоиздат, 1962.

5. Гофин М.Я. Структура теплозащиты орбитального космического корабля многократного использования. В кн.: Авиационно-космические системы. М.:

МАИ, 1997. С. 136-144.

THE INVESTIGATION OF OPTICAL CHARACTERISTICS OF EROSION RESISTANT COATING OF INSULATING TILES OF BURAN'S SHELL

D. Boroday

Hmelnitsky National University, Phisic Department Institutska str11., UA-29016Khmelnitsky, Ukraine Phone: (0382) 72-80-76 Fax(03822) 2-32-65 e-mail: centr@mailhub.tup.km.ua

Investigations are conducted on temperature dependence of optical characteristics of erosion resistant coating which is on the insulating tile of EVS-6 type orbital ship Buran. Optical characteristics of erosion preventing are investigated in waves length X = 0,3-0,1 mkm and temperature T = 20°-1 000° C. Erosion resistant coating in temperature interval from 400° C to 450° C influence the optical characteristics of the insulating tiles. Values of optical coefficients of the tile are independent from the coating and meteorological factors at high temperatures of 600°-1 000° C.

Key words: heat protection isolation, orbital spaceship, optical characteristics, erosion resistant coating, emissitivity factor.

Стаття надійшла до редколегії 31.05.2005 Прийнята до друку 26.02.2007

Страницы:
1 


Похожие статьи

Д Бородай - Дослідження оптичних характеристик антиерозійного покриття теплозахисних плиток оболонки космічного корабля буран