XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование черной плитки «Буран» и сравнение ее теплозащитных свойств с другими теплозащитными материалами

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бармин В.Л. 1

---

1МБОУ СОШ №50 город Ижевск

Блинов Д.М. 1

---

1МБОУ СОШ №50 город Ижевск

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Рис. 1. «Фотография плитки»

Я очень долго размышлял на тему что это за предмет, и какой у него функционал. Потом узнал, что это один из элементов теплозащиты "Бурана". Мне стало интересно, как такая объемная плитка, так мало весит. Из чего же она состоит? Подержав в руках этот предмет, очень захотелось подвергнуть его исследованию.

Цель: Исследовать свойства плитки теплозащиты орбитального корабля «Буран» и сравнить теплозащитные свойства с другими теплозащитными материалами

Задачи:

1. Изучить литературу в области исследования;

2. Ознакомится с орбитальным кораблем «Буран»;

3. Изучить состав плитки теплозащиты орбитального корабля «Буран»;

4. Проверить на практике свойства плитки и сравнить теплозащитные свойства с другими теплозащитными материалами.

Объект исследования: плитка теплозащиты орбитального корабля «Буран»

Предмет исследования:процесс исследования свойств плитки теплозащиты орбитального корабля «Буран»

Методы исследования:

1. Анализ источников информации

2. Наблюдение

3. Обобщение

Гипотеза: Плитка теплозащиты орбитального корабля «Буран» имеет лучшие теплозащитные свойства.

Актуальность темы обусловлена необходимостью расширять область применения полученных теоретических знаний на практике, познание состава теплозащиты орбитального корабля «Буран», что развивает творческие способности и дает возможность использовать полученные знания и опыт, например, придумывать новые возможности для применения принципа, теплозащиты, материалов, используемых для создания теплозащиты.

1. 1. Что представляет собой орбитальный корабль «Буран»

"Буран" - советский крылатый орбитальный корабль многоразового использования. Предназначен для решения ряда оборонных задач, выведения на орбиту вокруг Земли различных космических объектов и их обслуживания; доставки модулей и персонала для сборки на орбите крупногабаритных сооружений и межпланетных комплексов; возврата на Землю неисправных или выработавших свой ресурс спутников; освоения оборудования и технологий космического производства и доставки продукции на Землю; выполнения других грузопассажирских перевозок по маршруту Земля-космос-Земля.

Рис 2. Вид орбитального корабля «Буран»

В носовой части "Бурана" расположены герметичная вставная кабина объемом 73 кубических метров для экипажа (2 - 4чел.) и пассажиров (до 6 чел.), отсеки бортового оборудования и носовой блок двигателей управления. Среднюю часть занимает грузовой отсек с открывающимися вверх створками, в котором размещаются манипуляторы для выполнения погрузочно-разгрузочных и монтажно-сборочных работ и различных операций по обслуживанию космических объектов. Под грузовым отсеком расположены агрегаты систем энергоснабжения и обеспечения температурного режима. В хвостовом отсеке установлены агрегаты двигательной установки, топливные баки, агрегаты гидросистемы

15 ноября 1988 года ракета-носитель «Энергия», стартовавшая с площадки номер 110 космодрома Байконур, вывела корабль Буран на околоземную орбиту.

Рис. 3. Многоразовая транспортная космическая система «Энергия» — «Буран»

Полёт «Бурана» после отделения от ракеты-носителя длился 205 минут, за это время корабль совершил два витка вокруг Земли, после чего произвёл посадку на аэродроме «Юбилейный» космодрома Байконур в автоматическом режиме. Экипажа лётчиков в этом полёте не было.

И хотя отечественный шаттл совершил лишь один-единственный полет 15 ноября 1988, он навсегда изменил мировую историю. Советский космический корабль по параметрам превосходил западный аналог — «Спэйс Шаттл»: лучшая защита от высоких температур, большая мощность двигателей, грузоподъемность в два раза выше. Отечественные конструкторы предусмотрели возможность взлетать и садиться в полностью автоматическом режиме, что поражает воображение даже сейчас. «Буран» обладал характеристиками, намного опередившими свое время. «Буран» занесен в Книгу рекордов Гиннесса как единственный космический корабль, который во время полета и посадки управлялся исключительно бортовым компьютером.

1. 2. Тепловая защита орбитального корабля «Буран»

Сам каркас "Бурана" был создан из традиционных авиационных материалов. Из чего состоят «доспехи» Бурана? Если рассмотреть фотографию, то мы увидим, что весь корпус орбитального корабля покрыт плитками, причем двух цветов: черного и белого.

Рис.4 «Буран» в сборочном цехе

Теплозащитное покрытие отличается не только по цвету, но и по используемому теплозащитному материалу, а также толщине материала. Самое главное – теплозащита не должна разрушать и терять свою геометрическую форму на различных этапах полета.

Рис.5 Схема теплозащиты Бурана

На схеме цветовая индикация указывает воздействие температур на разные участки корабля.

Самым высоким температурным воздействиям подвержены носовой обтекатель и секции передних кромок крыла. Для их теплозащиты был разработан материал "Гравимол" (название материала образовано из сокращения наименований разработчиков: НИИ "Графит", ВИАМ и НПО "Молния"). Из материала Гравимол был изготовлен носовой обтекатель фюзеляжа, секции носка крыла. Для изготовления Гравимола использовались углеродные ткани и модифицированные фенольные смолы, подвергавшиеся пиролизу в процессе высокотемпературного передела.

Рис. 6 Обтекатель носка фюзеляжа с Гравимолом

Остальные участки корабля покрыли разработанными в Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) плитками на основе пустотелых кварцевых волокон. Общее количество плиток разного формата составило 38 600 шт.

Причем каждая плитка, крепилась на обшивке корабля строго в своей точке и имела свою ответную поверхность в зависимости от того, в каком месте на корпусе "Бурана" она стояла. Была создана целая система, позволяющая конкретные плитки выставлять на корпусе "Бурана" под нужным углом.

Выбор материала пал на кварцевое волокно, потому что он имел очень низкий коэффициент термического расширения, меньший из всех известных на тот момент времени материалов. Кварц более стабилен, в процессе нагрева в нем не происходит полиморфных превращений, в результате этого он не может треснуть. Плюс кварц имеет рабочую температуру 1250 градусов.

Новому материалу присвоили марку ТЗМК (теплозащитный материал кварцевый).

Он обладает удивительными свойствами: очень легок (его плотность 0,15 г/см³, что почти в семь раз меньше, чем у воды) и имеет очень низкий коэффициент теплопроводности (почти как у неподвижного воздуха, который обладает прекрасными теплоизоляционными характеристиками).

Плитки состояли на 90% из воздуха, чтобы достичь минимальных показателей теплопроводности. Разогретую в печи до тысячи ста – тысячи двухсот градусов по Цельсию плитку можно было держать на руке.

Процесс создания материала из особо чистых тонких пустотелых кварцевых волокон довольно сложен, но упрощенно суть заключается в том, что кварцевые волокна нужно взбить как хорошую перину. Ведь материал должен быть объемным, а воздух и является самым лучшим теплоизолятором. Если волокно просто уложить слоями – плитка получится очень тонкой и с высокой плотность. Зафиксировать эту «перину» оказалось очень непросто. Но и эта задача была решена: в ВИАМе разработали специальную технологию, которая позволила зафиксировать волокна в виде жесткого объёмного каркаса.

Рис. 7 Формирование жесткого объемного каркаса

После измельчения, формирования, термообработки волокна спутывались и перекрещивались, к тому же в этих перекрестиях после термообработки они спаивались и получался жесткий объёмный каркас.

Теплозащита многоразового космического корабля предназначена для работы в зоне воздействия высокотемпературного воздушного потока, который может вызвать разрушение поверхности плиток. В связи с этим каждая плитка обработана наружным покрытием, которое обеспечивало необходимые оптические характеристики для переизлучения теплового потока, эрозионную защиту и защиту от попадания в плитку воды и влаги. Для этого в институте разработаны покрытия двух типов: «чёрные» ЭВ-4-4М1У-3 и ЭВ-4 с высокой излучательной способностью – для защиты нижней части планера от наибольших тепловых нагрузок при спуске в плотную атмосферу и «белое» ЭВС-6, ограничивающее температуру нагрева верхней части планера от солнечного излучения в орбитальном полёте.

Белая плитка закрывала верхнюю часть "Бурана" - там, где нагрев меньше. Когда объект в космосе, он нагревается от Солнца. И чтобы регулировать внутренний нагрев, корабль мог поворачиваться к Солнцу либо белой, либо черной стороной.

Плитка также защищена от насыщения водой. Материал плитки имеет высокую пористость и гидрофилен по своей природе, он может сорбировать до 70% влаги (по массе). Плитка обработана гидрофобизатором (водоотталкивающим покрытием), дополнительно наносилась лаковая плёнка для защиты от атмосферных осадков.

Поскольку теплозащитный материал и обшивка корабля имеют сильно отличающиеся коэффициенты линейного расширения, крепление его непосредственно к обшивке привело бы к появлению в конструкции напряжений и самопроизвольному разрушению плитки. Поэтому крепили к обшивке через демпфирующую подложку-фетр. Для склеивания материалов в теплозащитном элементе и крепления теплозащитных материалов к обшивке изделия был создан клей-герметик холодного отверждения Эластосил 137-175М. Схематично можно представить так:

Наружное покрытие на боковых поверхностях плитки не доходит до нижней поверхности, образуя "дыхательный" поясок, через который происходит выравнивание давления внутри плитки с давлением внешней среды при подъеме и спуске корабля для исключения возникновения дополнительных нагрузок на ТЗЭ.

Теплозащитные элементы устанавливаются на поверхность корабля с зазорами, определяемыми компенсированием разницы в деформациях несущей конструкции и ТЗЭ как при температурных воздействиях, так и при воздействии статических и динамических нагрузок на конструкцию, в том числе неразъемные, разъемные и подвижные соединения.

2. 1. Исследование свойств плитки теплозащиты орбитального корабля «Буран»

Изучив теоритеческий материал, приступаю к исследованию моего объекта.

Этот квадратный параллелепипед имеет высоту – 50 мм, сторона - 150 мм

Имеет черную глянцевую поверхность. Необычайно легкая, даже невесомая, несмотря на свою толщину. Хрупкая. Имеет плотность – 150 кг на м3.

Основными параметрами, определяющими характеристики теплозащитных материалов, является плотность, теплопроводность, температурная стойкость.

На плотность влияет структура материала. Для того чтобы изучить структуру материала использовал микроскоп, фотоаппарат для фиксации результата.

Небольшой кусочек теплозащитного волокна плитки размещаем на предметном стекле, настраиваем микроскоп. Полученные снимки представлены в таблице

Таблица 1

При увеличении в 64 раза видно спутанность волокон, пористость материала. Большое наличие воздушных зазоров, порядка 90% от общего объема плитки.

Подвергнем нашу плитку температурному воздействию. Прогрев осуществляли газо-кислородной горелкой до температуры около 1000-1200 градусов. При такой температуре происходит оплавление стального образца 10 мм.

Вначале испытаний произошло обгорание гидрофобной пленки (защита от влаги). Затем начался быстрый нагрев поверхности, также при многократном нагреве плитки при прекращении нагрева происходило очень быстрая теплоотдача.

Передачи энергии от более нагретых участков плитки лицевой стороны к менее нагретым участкам оборотной стороны плитки происходила медленно. В процессе испытания температура противоположной стенки не превышала 45 градусов, в то время как передняя стенка была разогрета до около 1000-1200 градусов. То есть теплопроводность исследуемой плитки низкая.

В результате исследования свойств плитки теплозащиты орбитального корабля «Буран» установлено, что материал имеет очень пористую, насыщенную воздухом структуру, а значит, имеет малую плотность и как следствие низкую теплопроводность. Так воздух является плохим проводником тепла.

2. 2. Сравнение теплозащитных свойств с другими теплозащитными материалами

Для оценки изученных теплозащитных свойств плитки «Буран» проведу сравнение теплозащитных свойств с другими доступные мне теплозащитные материалы. Использую для сравнения теплозащитные материалы, способные выдерживать высокую температуру около 1000 градусов: шамотный кирпич и специальную керамическую подложку для муфельной печи.

Основные параметры, определяющие характеристики теплозащитных материалов по выбранным материалам приведем в таблице:

Таблица 2

Плотность плитки «Буран» имеет наименьший показатель, хотя воздушные зазоры при исследовании материалов с помощью микроскопа имеют место быть и в специальной керамической подложке, и в шамотном кирпиче. Соответственно вес наименьший также имеет плитка «Буран».

Температурное воздействие 1000-1200 ⁰ С выдерживают все три образца.

После температурного воздействия на кирпиче и керамике выявлены локальные оплавления поверхности (начало разрушения), на плитке «Буран» произошло лишь обгорание гидрофобной пленки.

Для оценки теплопроводности образцов использовалась съемка тепловизором. Проводилась съемка с лицевой стороны образца, и с оборотной. Анализировалось передача энергии по объему материала в таблице

Таблица 3

У теплозащитной плитки «Буран» распределение энергии в теле плитки происходило плохо, температура оборотной стороны значительно отличалась от нагретой лицевой стороны, что еще раз доказывает ее низкую теплопроводность.

Температура оборотной стороны специальная керамическая подложка для муфельной печи имела небольшое отличие от лицевой нагреваемой стороны. Съемка тепловизором показывает практически одинаковую цветовую индикацию обоих сторон. Теплопроводность у керамики значительно выше данного показателя плитки «Бурана».

При сравнении теплозащитных свойств трех образцов первое место можно смело отдавать теплозащитной плитке «Буран». Она очень успешно справляется с основной задачей- преодоление высокотемпературного воздействия, не разрушается при этом. Имеет малую плотность и как следствие низкую теплопроводность, что обеспечивает лучшую теплозащиту.

Заключение

В ходе работы была изучена литература в области исследования, проведено исследование черной плитки «Бурана» и сравнение ее теплозащитных свойств с другими теплозащитными материалами.

Поставленные в начале работы задачи выполнены. Цель работы достигнута.

Гипотеза о том, что плитка теплозащиты орбитального корабля «Буран» имеет лучшие теплозащитные свойства подтвердилась.

Проверка теоретических знаний на практике позволяет понимать суть процесса или явления.

Понимание сути процесса позволит более продуктивно использовать накопленный багаж знаний. Это способствует побуждает в творчеству, изобретательности и мотивирует к научно-экспериментальной деятельности, которая всегда востребована.

Используемые источники

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%BD_(%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D1%8C)

2. https://viam.ru/interview/386

3. http://www.buran.ru/htm/gud%2021.htm

4. https://rodina-history.ru/2023/11/15/reg-cfo/v-ogne-ne-gorit-v-moskve-pokazali-unikalnoe-pokrytie-kosmicheskogo-korablia-buran.html

5. https://www.dissercat.com/content/gibkie-vysokotemperaturnye-teploizolyatsionnye-materialy-na-osnove-mullitokorundovykh-voloko