Исследование влияния пористой структуры на теплопроводность материала гибридной оболочки космического модуля

Язык труда и переводы:
УДК:
629.786.2
Дата публикации:
17 января 2022, 01:21
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Резник Сергей Васильевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрено строительство орбитальных станций с модулями большого объема. Ключевое значение при создании таких модулей имеет обеспечение заданного теплового режима оболочки и ее герметичность. Показано, что в процессе развертывания может происходить перестроение микроструктуры конструкционных и теплоизоляционных материалов, входящих в состав многослойной оболочки. Частью методики разработки структуры гибридной оболочки надувного космического модуля является исследование теплофизических характеристик конструкционных и теплоизоляционных материалов с перестраиваемой микроструктурой. Сделан вывод о влиянии пористой структуры на теплопроводность материала.
Ключевые слова:
космический модуль, надувная оболочка, теплопроводность, эксперимент, пористая структура, пенополиуретан
Основной текст труда

В ближайшие годы в ходе освоения космического пространства потребуются конструкции большого объема (более 100 м3), предназначенные для размещения персонала, технологического и энергетического оборудования, складирования продуктов питания, компонентов ракетного топлива, рабочих сред, организации оздоровительной деятельности, выращивания сельскохозяйственной продукции и т. д. В числе магистральных научно-технических решений в этой области выделяются трансформируемые конструкции с многофункциональной надувной оболочкой. В известных проектах надувная оболочка выполняется многослойной [1].

В ракетно-космической технике нашли применение пористые материалы, такие как пенополиуретаны. В работе исследуемый материал используется в качестве проставок между слоев баллистической защиты из арамидной ткани оболочки гипотетического надувного модуля [2]. В составе оболочки материал выполняет как функцию гашения энергии осколков, так и функцию теплоизолятора.

При доставке в космос оболочка должна компактно укладываться под обтекатель, а ее отдельные слои должны обладать необходимой гибкостью и допускать автоматическое бездефектное развертывание. В частном случае материал оболочки используется в условиях, когда он подвергается воздействию внешней нагрузки. Например, на этапах развертывания надувной оболочки модуля орбитальной станции в космосе — довольно длительный процесс, при котором материал находится в разной степени сжатия. При разработке структурной концепции и определении параметров надувной оболочки модуля важно знать, как характеристики материала, в частности теплофизические, зависят от приложенного давления.

Известные марки пенополиуретанов имеют плотность от 15 до 100 кг/м3 и пригодны для работы в интервале температур от +150 °С до –180 °С. Они обладают сравнительно низкой теплопроводностью 0,01–0,03 Вт/(м·К), однако при приложении нагрузки они уплотняются и их термическое сопротивление изменяется. Так же, в процессе сжатия, изменяется геометрия пор пористого материала, что вносит вклад в процесс теплообмена в слое материала [3].

Для исследования влияния пористой структуры материала на его теплопроводность выбран комбинированный подход, сочетающий визуальную регистрацию изменения геометрии пор под переменной сжимающей нагрузкой и экспериментальное исследование теплопроводности материала, с нагревом его под воздействием точной нагрузки на образец, контролем толщины, и, следовательно, плотности сжимаемого материала [4]. 

Наблюдение за изменением пористой структуры материала под действием сжимающей нагрузки производится с помощью оптического микроскопа с использованием программного обеспечения для цифровой визуализации и измерений геометрических параметров пор.

Для экспериментального исследования зависимости тепловых свойств теплоизолятора от изменения плотности при последовательном сжатии в условиях нагрева выбран прибор, который оснащен опцией переменной нагрузки и может быть использован для измерения эффекта с помощью регистрации теплового потока изоляционного материала в зависимости от давления плиты. Сжатие образца в большинстве случаев приводит к изменению теплопроводности, данные, полученные из серии измерений, дают кривую зависимости теплового сопротивления от приложенного давления [5]. 

В результате анализа и сопоставления полученных данных сделан вывод о влиянии пористой структуры на теплопроводность материала. Полученные данные представляют ценность при разработке структурной концепции и облика гибридной оболочки космического модуля с учетом особенностей развертываемой конструкции.

Литература
  1. Ramazanova R.D., Alifanov M.О. Promising manned spacecraft for a long-duration flight with a flexible inflatable shell // Journal of Space Safety Engineering. 2021. Vol. 8. Issue 4. Рp. 259–265. DOI: 10.1016/j.jsse.2021.08.008
  2. Хамиц И.И., Филиппов И.М., Бурылов Л.С., Медведев Н.Г., Чернецова А.А., Зарубин В.С., Фельдштейн В.А., Буслов Е.П., Ли А.А., Горбунов Ю.В. Трансформируемые крупногабаритные конструкции для перспективных пилотируемых комплексов // Космическая техника и технологии. 2016. Вып. 2 (13). С. 23–33.
  3. Gama N.V., Ferreira A., Barros-Timmons A. Polyurethane Foams: Past, Present, and Future // Materials. 2018. Vol. 11 (10). DOI: 10.3390/ma11101841
  4. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. Л.: Изд-во Энергия, 1974. 264 с.
  5. ГОСТ 7076–99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. М.: Госстрой России, 2000. 27 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.