КОРПУС ЗАЩИЩЕННОГО БОРТОВОГО НАКОПИТЕЛЯ ИНФОРМАЦИИ

Изобретение относится к средствам защиты бортовых накопителей полетной информации (НПИ) летательных аппаратов (ЛА) - самолетов и вертолетов от воздействия внешних разрушающих факторов: механических ударов, перегрузок, вибрации, статических давлений, а также факторов пожара и агрессивных жидкостей. Устройство может быть также использовано для защиты ценной информации и материалов на космических спускаемых аппаратах, на автомобильном, железнодорожном и морском транспорте.

Устройство состоит из внутреннего герметичного контейнера, в котором создан вакуум, а защищаемый объект удерживается в центре контейнера четырьмя и более коническими пружинами; наружного корпуса из жаропрочного сплава, перфорированного дренажными отверстиями, снаружи покрытого слоем теплоизоляционного биморфного теплозащитного покрытия (известный композиционный материал), а с внутренней - термопластичной полимерной пленкой. Между внутренним контейнером и наружным корпусом контейнера располагается слой льда, в котором находится промежуточный сетчатый корпус с прикрепленной к нему пористой тканью с ворсом, например мехом, а также слой упругого пористо-волокнистого материала, герметично отделенный от слоя льда металлической фольгой с наружной светоотражающей поверхностью.

Устройство обеспечивает защиту НПИ в соответствии с требованиями пункта п. 6.2.11 ОСТ 1 01080-95 и международными требованиями TSO («Technical Standart Order», TSO-C124a, Washington, DC; 8/1/96) к бортовым защищенным накопителям полетной информации.

Известно устройство для защиты микроэлектронного оборудования (патент RU 2042294, опубликован 20.06.1995 г.), выполненное в виде герметичного контейнера с расположенными в нем монтажными платами с охлаждаемыми полупроводниками, в который подается диэлектрическая жидкость, нагреваемая до кипения, пары которой, охлажденные конденсатором, расположенным в верхней части контейнера, конденсируются на стенках контейнера и, стекая по ним, охлаждают полупроводники.

Недостатком данного устройства является то, что он может работать только в стационарных условиях совместно с системами подачи диэлектрической жидкости, ее подогрева и охлаждения, что исключает ее автономную работу при происшествиях на транспорте.

Известно устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости при эксплуатации космического объекта (патент RU 2413661, опубликован 10.03.2011 г.), которое содержит герметичную экранно-вакуумную теплоизоляцию из мягкого неметаллического материала. Вакуум в оболочке образуется путем сообщения полости с космическим пространством посредством системы клапанов.

Недостатком данного устройства является отсутствие жесткого корпуса, что делает его неприменимым в условиях атмосферного давления.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является семейство устройств для защиты объектов от внешних разрушающих факторов: механических ударов, перегрузок, вибровоздействий, статических давлений, а также огневых факторов (патенты: RU 2269168, опубликован 27.01.2006; RU 2269169, опубликован 27.01.2006; RU 2269170, опубликован 27.01.2006; RU 2273895, опубликован 10.04.2006; RU 2281230, опубликован 10.08.2006), состоящих из последовательно расположенных в глубь защитных слоев: наружного, промежуточного и внутреннего, а также биморфного теплозащитного покрытия на внешней поверхности наружного слоя. Наружный ударожаропрочный слой перфорирован сквозными дренажными отверстиями, диаметр каждого из которых не превышает половины толщины наружного ударожаропрочного слоя, через которые дросселируется водяной пар, образующийся при термическом разложении кристаллогидратов, из которых состоит внутренний слой, предварительно проходящий через промежуточный слой, предназначенный для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта, выполняющий функции теплоизолятора за счет низкой теплопроводности огнеупорного сухого пористого материала. Для повышения эффективности тепловой защиты внутренний слой с обеих сторон покрывают металлическими теплоотражающими прокладками.

Недостатками данного семейства устройств являются:

- большая масса наружного ударожаропрочного слоя, так как он имеет наибольшие размеры и воспринимает все механические нагрузки на себя;

- водяной пар, проходя через промежуточный слой, заполняет поры пористо-волокнистого материала слоя и тем самым увеличивает его теплопроводность;

- защищаемый объект переносит большие перегрузки, так как при прочном наружном корпусе, деформация которого незначительна, тормозной путь составляет только сумму деформаций корпуса устройства и поверхности, с которой соударяется устройство.

Заявляемым устройством решается задача защиты НПИ в соответствии с требованиями пункта п. 6.2.11 ОСТ 1 01080-95 и международными требованиями TSO («Technical Standart Order», TSO-C124a, Washington, DC; 8/1/96) к бортовым защищенным НПИ.

Выполнение поставленной задачи достигается следующими техническими решениями:

1. Защищаемый объект - НПИ - в жестком корпусе 1 (фиг. 1) посредством четырех и более конических пружин 3 удерживается в центре ударопрочного герметичного корпуса 2 контейнера, изготовленного из жаропрочного коррозионностойкого сплава, состоящего из двух половин, соединенных между собой. В ударопрочный герметичный корпус 2 контейнера вмонтирован герметичный разъем 4 из огнестойкого диэлектрического прочного материала, к которому герметично подсоединен кабель, и штуцер с обратным клапаном 5 для откачки воздуха. Уровень вакуума установлен по пределу допустимости для НПИ. Корпус НПИ 1 сверху имеет светоотражающее покрытие. Наружная поверхность ударопрочного герметичного корпуса контейнера отполирована и покрыта тонким слоем металла, например серебра, для образования зеркальной поверхности, внутренняя его поверхность шероховатая черного цвета для поглощения теплового излучения, отраженного от корпуса 1, и значительно снижает площадь контакта конической пружины с корпусом. Конические пружины изготовлены с разной частотой собственных колебаний и своими вершинами опираются о корпус 2. Сверху корпус 2 контейнера покрыт слоем сухого упругого пористо-волокнистого материала 6 (фиг. 1 и 3) низкой теплопроводности, выполняющего функцию теплоизоляции, который сверху герметично покрыт металлической фольгой 7, например, алюминиевой фольгой.

2. Наружный корпус 8 состоит из двух половин (фиг. 1 и 2), выполнен из жаропрочной стали, перфорирован сквозными дренажными отверстиями с распределением одного и более отверстий на квадратный сантиметр, снаружи покрыт слоем теплоизоляционного биморфного теплозащитного покрытия 9 (известный композиционный материал), а с внутренней - термопластичной полимерной пленкой 10, которая обеспечивает герметичность наружного корпуса 8 в период нормальной эксплуатации.

3. Между корпусами 2 и 8 установлена сетка 11, состоящая из двух половин (фиг. 1 и 2), к которой прикреплен мех 12 на пористой паропроницаемой основе с пустотелыми пористыми волосками, пропитанный антипиролизным составом. Положение сетки 11 в устройстве фиксируется с помощью вставок 13 и 14 из сухого пористого упругого теплоизоляционного негорючего материала, покрытого водонепроницаемой термостойкой пленкой. Пространство между корпусами 2 и 8, которое заполнено водой, содержащей ингибитор горения, сетка 11 разделяет на две полости а и б. Мех, находящийся в полости 6, своими волосками значительно упрочняет лед при замерзании воды. Поры основы меха выполняют роль дросселей, создавая сопротивление движению пара, что в конечном итоге увеличивает теплоотбор.

Устройство поясняется следующими чертежами:

- на фиг. 1 фрагмент разреза устройства в диаметральной плоскости;

- на фиг. 2 - вырыв разреза устройства в зоне А (разрез наружного корпуса и сетки с мехом);

- на фиг. 3 - вырыв разреза устройства в зоне Б (разрез корпуса контейнера с теплоизоляцией).

Устройство работает следующим образом.

Замораживание льда производится с помощью бортовой морозильной установки и/или забортного воздуха, имеющего отрицательную температуру. Слой сухого упругого пористо-волокнистого материала 6 и вставки 13 и 14 компенсируют тепловое расширение при замораживании льда.

A) Защиту НПИ обеспечивает герметичный корпус контейнера, изготовленный из жаропрочного коррозионностойкого сплава.

Б) Корпус контейнера рассчитан на воздействие давления, соответствующего глубине не менее 6000 м.

B) Снижение перегрузки, воздействующей на защищаемый объект (НПИ), происходит из-за частичной пластической деформации наружного корпуса, растрескивания льда и амортизации конических пружин, удерживающих защищаемый объект в контейнере. Разное значение частоты собственных колебаний пружин дает дополнительный эффект рассеяния энергии.

Г) Опасность прокалывающего удара снижается многослойной конструкцией устройства. Наличие льда и характер его разрушения вызывает эффект внутреннего рикошета, что значительно снижает вероятность удара перпендикулярно поверхности корпуса внутреннего контейнера.

Д) При воздействии факторов пожара на наружный жаропрочный корпус нанесенный на него слой биморфного теплозащитного покрытия вспенивается при температуре не более 260°C с многократным увеличением объема, тем самым значительно снижает передачу тепла от внешней среды устройству.

Дальнейший нагрев устройства в полости а приводит последовательно к нагреву льда, его таянию, доведению воды до кипения. Одновременно нагревается термопластичная пленка, которая при достижении температуры 110-115°C под давлением пара прорывается в местах расположения дренажных отверстий наружного корпуса, образует на входе каждого дренажного отверстия острую диафрагму, имеющую большой коэффициент сопротивления и препятствует свободному истечению пара, что также способствует увеличению теплоемкости последнего. По дренажным отверстиям пар, содержащий ингибитор горения, выходит за пределы жаропрочного наружного корпуса. Происходит эффект тушения пожара в непосредственной близости к устройству и, как следствие, снижению мощности теплового потока, воздействующего на биморфное теплозащитное покрытие, а после его разрушения на жаропрочный корпус.

После испарения воды из полости а происходит процесс испарения воды из полости б. при этом пар проходит две ступени дросселирования: через основу меха и дроссельные отверстия наружного корпуса.

Эффективность использования заявляемого защитного корпуса НПИ обусловливается следующими обстоятельствами. Наличие ледового панциря между корпусами 2 и 8, образуемого при замораживании находящейся там воды, либо в наземной холодильной установке, либо при охлаждении низкотемпературными воздушными потоками в процессе полета ЛА в верхних слоях атмосферы или нахождения его на земле в зимних условиях, позволяет:

1. Повысить ударостойкость НПИ за счет эффекта «ореховой скорлупы». При ударе о землю, о другой объект в воздухе или при воздействии ударной волны и осколков часть кинетической энергии будет поглощена работой по разрушению (растрескиванию) ледового панциря.

2. Повысить термостойкость НПИ, поскольку, в отличие от известных устройств с наличием воды в жидкой фазе или в кристаллогидратах, часть тепловой энергии будет израсходована на нагрев ледяного панциря до температуры таяния (0°Ц в нормальных условиях) и собственно таянья льда при этой температуре. Этот эффект «Э» может быть оценен из соотношения:

где E₁ и E₂ - теплопоглощение заявленного корпуса НПИ и корпуса прототипа.

Величины E₁ и Е₂ могут быть определены из выражений соответственно:

где m - масса воды/льда, С_л=2,11 кДж/кг - теплоемкость льда, T₀ - начальная температура ледового панциря, Т_т=0°Ц - температуря таянья льда, r=330 кДж/кг - удельная теплота таянья льда, С_в=4,19 кДж/кг/град - средняя теплоемкость воды, q=2256 кДж/кг - удельная теплота испарения воды.

Например, при Т₀=-40°Ц (температура на высоте полета ЛА) и, сократив m, из (1) получим:

Э=(40*2,11+330+100*4,19+2256)/(100*4,19+2256)=1,155=115,5%.

Таким образом, ледовый панцирь кроме повышенной ударостойкости обеспечивает и повышение термостойкости НПИ на 15,5%.

Вакуум в контейнере 2 снижает теплопроводность более чем в 10 раз и, соответственно, увеличивает время защиты НПИ при высоких температурах.

Таким образом, заявляемое устройство защиты бортовых НПИ ЛА от воздействия внешних разрушающих факторов с использованием всех указанных выше существенных признаков обеспечивает 100% защиту от агрессивных жидкостей, не менее чем 2-кратное повышение времени пребывания при высоких температурах при всех других равных условиях прототипов, а также позволяет расширить область применения: в космических спускаемых аппаратах, на автомобильном, железнодорожном и морском транспорте.

Сферическая форма устройства является наиболее компактной и защищенной, но изготовитель может придать ей другую геометрическую форму, соответствующую месту установки устройства.