Бортовое устройство для тепловой и механической защиты объекта

Бортовое устройство для тепловой и механической защиты объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к средствам защиты микроэлектронного оборудования от внешних разрушающих факторов, таких как высокотемпературные огневые воздействия, ударные перегрузки, статические давления, а также от длительного воздействия повышенной температуры, и может быть использовано, например, при создании защищенных бортовых накопителей полетной информации для самолетов и вертолетов, а также защищенных накопителей информации для других транспортных средств: тепловозов, судов, автомобилей и пр.

Известно устройство для защиты микроэлектронного оборудования от воздействия высокой температуры (см. патент РФ №2042294, Н 05 К 7/20, 1995 г.).

В известном устройстве защищаемый микроэлектронный объект размещен в герметичном контейнере, соединенном с системой подачи и циркуляции охлаждающей диэлектрической жидкости, испарение которой на внутренних поверхностях стенок герметичного контейнера и наружных поверхностях микроэлектронного объекта приводит к охлаждению последнего и защищает его от перегрева.

Недостатком известного устройства является необходимость использования дополнительной системы подачи и циркуляции охлаждающей жидкости, что увеличивает размеры защитного устройства, снижает его надежность и затрудняет использование в качестве бортовой аппаратуры транспортного средства.

Также известно устройство для механической и тепловой защиты микроэлектронного оборудования, представляющее собой блок накопления информации БНИ, входящий в состав системы диагностики и контроля СДК-8, предназначенной для регистрации полетной информации вертолетов (см. Руководство по технической эксплуатации 6Т1.412.001РЭ. Система диагностики и контроля СДК-8, с.32. Изд. ОАО «Техприбор», СПб, 2001 г.).

Указанное устройство представляет собой защитную слоистую оболочку, окружающую защищаемый объем, в котором размещен сохраняемый микроэлектронный объект - твердотельная карта памяти, предназначенная для регистрации полетной информации вертолета.

Защитная слоистая оболочка состоит из внешнего кожуха блока и двух защитных слоев: наружного и внутреннего, каждый из которых выполняет определенную защитную функцию. Наружный слой защитной оболочки, выполненный из огнестойкого теплоизолирующего пористого материала, предназначен для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта после аварии вертолета, сопровождаемой пожаром, при воздействии на блок внешнего одностороннего теплового потока с температурой пламени до 1100°С.

Наружный слой защитной оболочки обеспечивает пассивную теплозащиту сохраняемого объекта путем создания на толщине слоя теплоизолирующего материала перепада температуры, позволяющего поддерживать в течение 30 минут температуру внутренней поверхности слоя, не превышающую 150°С, при температуре внешней поверхности слоя 1100°С.

Внутренний слой защитной оболочки представляет собой массивный металлический корпус, выполненный из ударожаропрочных металлических сплавов и предназначенный для защиты сохраняемого объекта в момент аварии от внешних разрушающих механических факторов.

Наружный и внутренний слои защитной слоистой оболочки размещены внутри внешнего тонкостенного металлического кожуха, на внешнюю поверхность которого нанесены опознавательные знаки и предупредительные надписи, облегчающие поисковые работы по обнаружению блока накопления информации (т.н. «черного ящика») после аварии, не сопровождаемой пожаром.

Известное устройство надежно выполняет защиту размещенной в защищаемом объеме твердотельной микроэлектронной карты памяти от воздействия внешних механических разрушающих факторов, а также от одностороннего, т.е. направленного только на одну из сторон внешнего кожуха, высокотемпературного воздействия, но не в состоянии обеспечить тепловую защиту при всестороннем огневом воздействии на кожух с температурой 1100°С в течение 30 минут.

Указанный недостаток не позволяет использовать известное устройство на новых и модернизированных вертолетах, так как в соответствии с отраслевым стандартом (см. ОСТ 1 01080-95. Устройства регистрации бортовые с защищенными накопителями, п.6.2.11, с.11) тепловое воздействие пламенем на защищенный накопитель информации должно быть всесторонним, т.е. направленным на блок со всех шести сторон.

Данный недостаток преодолен в наиболее близком к заявленному и принятом за прототип устройстве, основанном на создании вокруг сохраняемого микроэлектронного объекта защитной слоистой оболочки, предохраняющей его от воздействия внешних тепловых и механических разрушающих факторов (см. патент РФ №2162189, F 16 L 59/02, G 12 B 17/06, В 64 С 1/38, B 64 G 1/58, 2001 г.).

В этом устройстве защитная оболочка сохраняемого объекта сформирована из нескольких последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористоволокнистого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из пористого водосодержащего материала, заключенного между теплоотражающими прокладками, изготовленными из металлизированной полимерной пленки.

Наружный слой защитной оболочки обеспечивает защиту сохраняемого объекта от внешних разрушающих механических и огневых воздействий за счет ударожаропрочности материала слоя. Промежуточный теплозащитный слой обеспечивает пассивную теплозащиту сохраняемого объекта за счет низкой теплопроводности сухого пористоволокнистого материала слоя. Внутренний теплозащитный слой обеспечивает активную теплозащиту сохраняемого объекта за счет поглощения теплоты при кипении воды, находящейся в порах водосодержащего материала. Активная теплозащита позволяет поддерживать температуру защищаемого объема не выше точки кипения воды 100°С в течение всего времени выкипания. Теплоотражающие прокладки способствуют дополнительному понижению температуры защищаемого объема за счет частичного отражения внешнего теплового потока теплоотражающими поверхностями прокладок.

Известное устройство эффективно решает задачу защиты сохраняемого объекта от разрушающих механических факторов и высокотемпературных воздействий, обеспечивая защиту микроэлектронного оборудования при внешнем всестороннем огневом воздействии с температурой до 1100°С в течение 30 минут, ударных перегрузках до 3400 g и статических давлениях до 600 атм.

Однако в соответствии с международными требованиями TSO (см. «Technical Standart Order», TSO-C124a, Washington, DC; 8/1/96) к бортовым защищенным накопителям полетной информации самолетов и вертолетов сохраняемый объект, помимо вышеперечисленных разрушающих механических факторов и высокотемпературных воздействий, должен выдерживать также и длительное всестороннее воздействие повышенной температуры 260°С в течение 10 часов. Кроме того, согласно требованиям TSO время всестороннего высокотемпературного воздействия 1100°С должно составлять не менее 1 часа.

Для выполнения известным устройством требования TSO по длительности всестороннего высокотемпературного воздействия не менее 1 часа необходимо значительное увеличение толщин промежуточного и внутреннего слоев, т.е. существенное увеличение объема защитной оболочки, что приводит к недопустимому для бортового оборудования возрастанию ее габаритных размеров. Для выполнения требования TSO по стойкости к длительному, до 10 часов, всестороннему воздействию повышенной температуры 260°С известное устройство малоэффективно.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача обеспечения защиты сохраняемого микроэлектронного объекта при воздействии на него механических и тепловых перегрузок, в том числе при всестороннем воздействии высокой температуры 1100°С в течение 1 часа, а также при длительном всестороннем воздействии повышенной температуры 260°С в течение 10 часов.

Для эффективной защиты сохраняемого объекта предлагаются следующие новые технические решения.

Во-первых, внутренний теплозащитный водосодержащий слой предлагается формировать из материалов, содержащих воду не в свободном состоянии, в порах пористо-волокнистого материала, как это осуществлено в известном устройстве, а в кристаллически связанном состоянии в структуре кристаллической решетки кристаллогидратов - кристаллических соединений, содержащих связанную, т.н. «кристаллизационную» воду. Использование кристаллогидратов для формирования внутреннего теплозащитного слоя позволяет существенно повысить эффективность активной теплозащиты внутреннего слоя, поскольку для испарения кристаллизационной воды, входящей в состав кристаллогидрата, требуется значительно большее количество тепла, чем для испарения эквивалентной массы свободной воды, находящейся в порах пористо-волокнистого материала.

Во-вторых, в предлагаемом устройстве для обеспечения эффективного режима охлаждения промежуточного теплозащитного слоя водяным паром, образующимся при обезвоживании кристаллогидратов, предлагается перфорировать в наружном ударожаропрочном слое дренажные отверстия с определенным соотношением длины и диаметра каждого отверстия, обеспечивающим эффективное охлаждение внутреннего теплозащитного слоя водяным паром за счет создания внутри защитной слоистой оболочки избыточного давления водяного пара.

Кроме того, в изобретении предлагается изготавливать теплоотражающие прокладки не из металлизированного полимера, как в известном устройстве, а из металлической фольги, обладающей принципиально более высокой термостойкостью по сравнению с полимерным материалом. Для дренирования водяных паров, образующихся при тепловом разложении кристаллогидратов, предлагается перфорировать в металлической фольге наружной теплоотражающей прокладки дренажные отверстия. Для повышения отражательной способности теплоотражающих прокладок предлагается полировать их теплоотражающие поверхности.

Таким образом, с целью выполнения поставленной задачи в бортовом устройстве для тепловой и механической защиты объекта, состоящем из последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из водосодержащего материала, заключенного между наружной и внутренней теплоотражающими прокладками, новым согласно изобретению является то, что наружный ударожаропрочный слой перфорирован сквозными дренажными отверстиями, диаметр каждого из которых не превышает половины толщины наружного ударожаропрочного слоя, теплоотражающие прокладки изготовлены из металлической фольги, причем наружная теплоотражающая прокладка перфорирована, а внутренний теплозащитный слой образован с использованием не менее чем двух кристаллогидратов, таких что температура обезвоживания одного из них превосходит температуру обезвоживания другого не менее чем в два раза.

Для более полного раскрытия сущности изобретения на чертеже представлено сечение предложенного устройства.

Сохраняемый объект 1 размещен в защищаемом объеме 2, расположенном внутри защитной слоистой оболочки, включающей:

- наружный ударожаропрочный слой 3, изготовленный из жаростойких металлов и перфорированный дренажными отверстиями 4, диаметр каждого из которых выбран не превышающим половины толщины наружного ударожаропрочного слоя 3;

- промежуточный теплозащитный слой 5, предназначенный для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта 1 и выполненный из огнеупорного сухого пористого материала;

- внутренний теплозащитный слой 6, предназначенный для активной теплозащиты сохраняемого объекта 1 и образованный из материала, в состав которого входят кристаллогидраты: кристаллические соединения, содержащие кристаллизационную воду;

- внутренний теплозащитный слой 7 составлен не менее чем из двух различных кристаллогидратов с отличающимися между собой температурами обезвоживания: у одного из кристаллогидратов эта температура превосходит температуру обезвоживания другого кристаллогидрата не менее чем в два раза.

На наружной и внутренней поверхностях внутреннего теплозащитного слоя 6 расположены соответственно наружная 7 и внутренняя 8 теплоотражающие прокладки, изготовленные из металлической, например алюминиевой, фольги и предназначенные для отражения внешнего теплового потока, причем наружная теплоотражающая прокладка 7 перфорирована для возможности дренирования сквозь ее отверстия водяных паров.

Геометрическая форма предлагаемого устройства может быть сферической, цилиндрической, призматической и т.п. Представленное на чертеже устройство со сферической геометрией является наиболее компактным и теплоударостойким из перечисленных.

Наружный ударожаропрочный слой 3 устройства может быть составлен из полусфер 9, соединенных между собой, например, посредством сварного шва 10, допускающего возможность разъединения полусфер 9 для доступа к сохраняемому объекту 1 после аварии, например, путем удаления шва 10.

В случае, когда в результате аварии возникает пожар, возможны предусмотренные нормативами TSO аварийные ситуации: ситуация с активным всесторонним огневым воздействием на сохраняемый объект пламени с температурой 1100°С в течение 1 часа и ситуация с тлеющим всесторонним огневым воздействием на сохраняемый объект при температуре тления 260°С в течение 10 часов.

При высокотемпературном воздействии на наружный ударожаропрочный слой 3 внешнего теплового потока с температурой 1100°С происходит постепенное нагревание промежуточного теплозащитного слоя 6, сформированного из огнеупорного сухого пористого материала с высокими теплоизоляционными свойствами.

Из-за низкой теплопроводности материала промежуточного теплозащитного слоя 5 его прогревание до температуры 120°С происходит в течение 5-10 минут.

Таким образом, примерно через 30 минут после аварии, сопровождаемой внешним всесторонним воздействием пламенем с температурой 1100°С, температура наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 6 может достигнуть критического значения 120°С.

При воздействии на наружный ударожаропрочный слой 3 внешнего теплового потока с температурой 260°С происходит постепенное нагревание промежуточного теплозащитного слоя 5 в течение 25-35 минут до температуры 120°С.

Таким образом, примерно через 2,5 часа после аварии, сопровождаемой тлеющим огневым воздействием с температурой 260°С, температура на наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 6 может достигнуть значения 120°С.

В качестве кристаллогидратов, образующих внутренний теплозащитный слой 6, могут быть использованы, например, гидросульфаты металлов, в том числе - никеля, меди и железа, гидросульфаты двойных металлов, в том числе - калия и алюминия, кристаллогидраты двойных солей, в том числе сульфата калия и хрома, сульфата калия и алюминия, гидроксилы металлов, в том числе алюминия, гидротированные силикаты щелочных металлов, в том числе натрия, калия и лития.

Температуры Т_о обезвоживания указанных кристаллогидратов лежат в пределах от 105 до 400°С. Так, например, для наименее термостойкого из перечисленных кристаллогидратов - додекагидросульфата калия - алюминия KA(SO₄)₂·12H₂O температура обезвоживания составляет Т_о=105°С; для наиболее термостойкого кристаллогидрата - декагидротетрабората натрия Na₂B₄O₇·10H₂O Т_о=400°С; для кристаллогидрата с промежуточной термостойкостью - гептогидросульфата железа FeSO₄·7H₂O T_о=300°C.

Внутренний теплозащитный слой 6 образован не менее чем их двух кристаллогидратов с различными температурами обезвоживания Т_о, например с температурой обезвоживания относительно менее термостойкого кристаллогидрата T_о1=120°С и температурой обезвоживания относительно более термостойкого кристаллогидрата Т_о2=400°С. Внутренний теплозащитный слой 6 состоит из смеси указанных кристаллогидратов.

При воздействии на защитную оболочку всестороннего теплового потока с температурой 1100°С температура наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 6 приблизительно через 30 минут после начала воздействия достигает значения T_о1=120°С и относительно менее термостойкий кристаллогидрат начинает обезвоживаться. Т.к. теплота обезвоживания кристаллогидрата включает две составляющие: теплоту дегидратации кристаллогидрата и теплоту испарения воды, то количество тепла, необходимое для обезвоживания кристаллогидрата, почти в 1,5 раза превышает теплоту выкипания свободной воды.

В соответствии с этим время обезвоживания относительно менее термостойкого кристаллогидрата также превышает время выкипания эквивалентной массы воды не менее чем в 1,5 раза.

Однако по мере теплового разложения менее термостойкого кристаллогидрата наружная часть внутреннего теплозащитного слоя 6 постепенно прогревается внешним теплом, ее температура поднимается до значения Т_о>120°С и начинается обезвоживание более термостойкого кристаллогидрата.

Т.к. количество тепла, необходимое для обезвоживания этого кристаллогидрата, почти в 2 раза превышает теплоту выкипания свободной воды, время обезвоживания существенно превышает время выкипания эквивалентного количества воды.

Таким образом, в процессе теплового обезвоживания материала внутреннего теплозащитного слоя 6 в области, прилегающей к его наружной поверхности, поддерживается температура не выше 400°С, а в области, близкой к внутренней поверхности, - не выше 120°С, причем по мере прогревания внутреннего теплозащитного слоя 6 граница между этими областями постепенно смещается внутрь внутреннего теплозащитного слоя 6, достигая защищаемого объема не менее чем через 50 минут после начала внешнего воздействия пламенем с температурой 1100. Это дает возможность в течение 50-60 минут с момента аварии поддерживать в защищаемом объеме температуру не выше 150°С, что позволяет полностью сохранить работоспособность сохраняемого объекта.

При воздействии на защитную оболочку всестороннего теплового потока с температурой 260°С температура внешней поверхности внутреннего теплозащитного слоя 6 приблизительно через 2,5 часа после начала воздействия достигает значения T_о1=120°С и относительно менее термостойкий кристаллогидрат начинает обезвоживаться.

В процессе прогревания внутреннего теплозащитного слоя 6 температура обезвоживаемой области слоя не превосходит T_о1=120°С, а температура области, где уже произошло тепловое разложение, не превышает 260°С.

При этом более термостойкий кристаллогидрат, температура обезвоживания которого составляет Т_о2>260°С, не подвергается тепловому разложению и играет роль пассивного теплоизолирующего материала. Приблизительно в течение 10 часов после начала тлеющего огневого воздействия с температурой 260°С температура внутри защищаемого объема не превышает 150°С.

Это дает возможность в течение 10 часов с момента аварии обеспечивать полную работоспособность сохраняемого микроэлектронного объекта.

Как в первой (при внешней температуре 1100°С), так и во второй (при внешней температуре 260°С) предусмотренных TSO аварийных ситуациях пары воды, образующиеся во внутреннем теплозащитном слое 6 в результате ее испарения в процессе дегидратации кристаллогидратов, проходят через перфорации в наружной теплоотражающей прокладке 7, затем - сквозь поры в материале промежуточного теплозащитного слоя 5, охлаждая этот материал до температуры водяного пара, и далее через дренажные отверстия 4 в наружном ударожаропрочном слое 3 поступают за пределы устройства.

Для создания условий наиболее эффективного охлаждения промежуточного теплозащитного слоя 5 парами воды необходимо поддерживать избыточное давление паров внутри наружного ударожаропрочного слоя 3, что обеспечивается выбором определенного соотношения между диаметром дренажного отверстия 4 и толщиной наружного ударожаропрочного слоя 3.

При отношении диаметра дренажного отверстия 4 к толщине наружного ударожаропрочного слоя 3, превышающем величину 0,5, происходит свободное истечение водяного пара сквозь дренажные отверстия 4 и внутри наружного ударожаропрочного слоя 3 не создается избыточное давление. В случае, когда указанное отношение не превышает значения 0,5, наблюдается эффект дросселирования водяного пара сквозь дренажные отверстия 4, вызывающий внутри наружного ударожаропрочного слоя 3 избыточное давление, тем большее, чем меньше значение указанного отношения.

Однако при существенном уменьшении отношения до значения 0,1 возможно закупоривание дренажных отверстий 4 продуктами теплового разрушения промежуточного теплозащитного слоя 6, внутреннего теплозащитного слоя 6 и, как следствие, понижение эффективности охлаждения промежуточного теплозащитного слоя 6 водяным паром. Поэтому отношение диаметра дренажного отверстия 4 к толщине наружного ударожаропрочного слоя 3 выбрано большим значения 0,1 и не превышающим значения 0,5.

Таким образом, новые существенные признаки обеспечивают защиту сохраняемого микроэлектронного объекта при воздействии на него механических и тепловых перегрузок, в том числе при всестороннем воздействии высокой температуры 1100°С в течение 1 часа, а также при длительном всестороннем воздействии повышенной температуры 260°С в течение 10 часов.

Бортовое устройство для тепловой и механической защиты объекта, состоящее из последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из водосодержащего материала, заключенного между наружной и внутренней теплоотражающими прокладками, отличающееся тем, что наружный ударожаропрочный слой перфорирован сквозньми дренажными отверстиями, диаметр каждого из которых не превышает половины толщины наружного ударожаропрочного слоя, теплоотражающие прокладки изготовлены из металлической фольги, причем наружная теплоотражающая прокладка перфорирована, а внутренний теплозащитный слой образован с использованием не менее чем двух кристаллогидратов, таких, что температура обезвоживания одного из них превосходит температуру обезвоживания другого не менее чем в два раза.