Почему алюминиевая фольга доминирует в терморегулировании космического корабля
Космический корабль управляет температурой, контролируя баланс между поглощаемым солнечным потоком и излучаемым инфракрасным излучением. Чистая алюминиевая поверхность сочетает в себе низкое поглощение солнечной энергии с очень низким коэффициентом инфракрасного излучения, поэтому фольга толщиной всего в несколько микрометров ведет себя как эффективный радиационный барьер при незначительной массе. Многослойные изоляционные покрытия (MLI), состоящие из 10–30 чередующихся слоев тонкой алюминиевой фольги и металлизированной полимерной пленки, являются стандартным решением для приборных отсеков, линий подачи топлива и криогенных резервуаров, где в противном случае неэкранированная поверхность быстро излучала бы тепло в сторону фона 4 К.
Та же фольга также используется в качестве дискретного элемента: в качестве солнцезащитного экрана на развертываемых конструкциях, в качестве обертки кабельных жгутов и в качестве барьера для атомарного-кислорода на низкой околоземной орбите. В каждом случае материал выбирается с учетом физики поверхности и чистоты, а не способности выдерживать нагрузку.
Марки и виды сплавов, используемые в летной технике
Фольга для терморегулирования-получена почти исключительно из серии 1xxx, где высокая чистота алюминия обеспечивает воспроизводимые оптические свойства и низкое содержание летучих веществ. В таблице ниже приведены оценки, обычно выставляемые за космическую работу.
| Сплав | Минимальное содержание алюминия | Общий характер | Типичное использование |
|---|---|---|---|
| 1145 | 99.45% | O, H19 | Радиационные слои и материал для металлизации высокой-чистоты |
| 1235 | 99.35% | O | Ламинированные одеяла, гибкое экранирование |
| 1100 | 99.00% | O, H14 | Общее экранирование, наземное-вспомогательное оборудование |
| 8011 | Баланс Al-Fe-Si | O | Крышка и закрывающая фольга на контейнерах для экспериментов |
Полетные калибры обычно находятся в диапазоне от 0,006 мм до 0,100 мм. С фольгой толщиной менее 0,010 мм работают только временные держатели, поскольку ограничивающим фактором становятся микроотверстия и разрывы кромок, а не прочность. При толщине выше 0,100 мм деталь обычно переклассифицируется как листовая и вместо этого указывается в соответствии со стандартом пластины или листа.
Конструкция MLI и оптические свойства
Полированная поверхность алюминия,-не содержащая оксидов, обычно имеет инфракрасное излучение в диапазоне от 0,03 до 0,05, тогда как солнечное поглощение находится в пределах 0,1. Характеристики бланкета зависят от поддержания низкого эмиттанса в каждом слое, поэтому чередование прокладочного материала с низкой-проводимостью и контроль контактного давления между слоями-меж-слоями так же важны, как и выбор сплава.
В металлизированных конструкциях алюминий наносится в вакууме на полимерный носитель толщиной от 6 до 25 микрометров, такой как полиимид или полиэстер, при этом толщина металлического слоя составляет всего от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Затем слои твердой алюминиевой фольги используются в качестве внешних и внутренних границ бланкета, где требуются механическая прочность и оптическая стабильность. Наружные слои часто имеют тонкое защитное покрытие, чтобы защититься от повреждений во время интеграции.
Дегазация, атомарный кислород и квалификация
В вакууме любой материал, выделяющий конденсируемые летучие вещества, может запотевать оптические поверхности и ухудшать характеристики радиатора. В отрасли используется проверочный тест ASTM E595, который требует, чтобы общая потеря массы (TML) не превышала 1,0%, а собранный летучий конденсируемый материал (CVCM) не превышал 0,1% для материалов, принимаемых на внешних поверхностях космического корабля. Поэтому фольга, поставляемая для этих целей, производится с очень низким уровнем остатков смазки для прокатки, с ней обычно обращаются в чистых перчатках и хранят в запечатанных мешках.
На низкой околоземной орбите атомарный кислород, достигающий скорости примерно 7–8 км/с, разрушает многие полимеры, тогда как алюминий образует тонкий самоограничивающийся оксид, ограничивающий дальнейшее воздействие. Там, где профиль миссии включает воздействие атомарного кислорода, алюминиевая фольга остается одним из немногих барьерных материалов, не требующих дополнительного защитного покрытия.
Примечания о закупках и переоборудовании
Фольгу заказывают в виде рулонов большого размера или в рулонах с заданной толщиной, допуском по ширине и состоянием кромок. Покупатели должны указать толщину и ее допуск, состояние, обработку поверхности, максимальное количество отверстий на квадратный метр для ответственных полотен, а также прокладочную или разделительную бумагу, используемую во время намотки. Прорезные заусенцы являются частым источником разрывов во время сборки полотна, поэтому качество кромки следует указывать в заказе на поставку, а не оставлять на усмотрение стандартной практики.
Для ламинированных одеял адгезия между алюминиевым слоем и полимерной основой проверяется испытанием на отслаивание на образцах. Перед разворачиванием рулоны следует выдерживать при температуре места сборки, поскольку холодная фольга легче скручивается и мнется.
Часто задаваемые вопросы
Q:Какой алюминиевый сплав обычно выбирается для изготовления терморегулирующей фольги -термической-высокой чистоты?
Ответ: Марка 1145 с минимальным содержанием алюминия 99,45 % является обычным выбором для радиационных слоев, тогда как марка 1235 с минимальным содержанием алюминия 99,35 % обычно используется для ламинированных офсетных материалов.
Q:Каким пределам выделения газа должна соответствовать фольга для внешнего использования космического корабля?
Ответ: В соответствии с ASTM E595 принятыми пределами проверки являются TML не более 1,0% и CVCM не более 0,1%. Материалы, превышающие любое из этих значений, обычно отбраковываются без дальнейших испытаний.
Q:Сколько слоев содержит типичное одеяло MLI?
Ответ: Нормальным является количество слоев от 10 до 30. Точное количество определяется требуемыми тепловыми потерями, доступным объемом и балансом массы и обычно оптимизируется с помощью термического анализа, а не с помощью эмпирических правил.
Q:Разлагается ли алюминиевая фольга под действием атомарного кислорода на низкой околоземной орбите?
Ответ: Нет. Алюминий немедленно вступает в реакцию с образованием связной оксидной пленки, которая ограничивает дальнейшую эрозию, поэтому его используют в качестве внешнего барьера, где полимеры будут вытравлены.
Q:Какой диапазон калибров целесообразен для полета на фольге?
О: В большинстве летного оборудования используется фольга толщиной от 0,006 до 0,100 мм. Для более тонкого материала требуется временная несущая пленка, поскольку обращение с ним зависит от микроотверстий и разрывов, а не от прочности.
Q:Почему в этом применении инфракрасное излучение важнее прочности на разрыв?
A: Фольга не несет структурной нагрузки; он контролирует радиацию. Таким образом, производительность зависит от излучательной способности и чистоты поверхности, а поверхность с высокой отражающей способностью и низким-излучением снижает потери тепла.
