CC BY
6
Вимiрювання терморадiацiйних характеристик спектрально-селективних матерiалiв для космiчних конструкцiй
Measurement of Thermo-Radiation Characteristics of Spectral-Selective Materials for Space Structures Designs
В^алш Бабак1, Леонiд Воробйов 1, Леонiд Декуша1, Валентин Волков 2, ЗшаТда Бурова 3, Олег Декуша 1, Свiтлана Ковтун 1
Vitalij Babak 1, Leonid Vorobiov 1, Leonid Dekusha 1, Valentin Volkov 2, Zinaida Burova 3, Oleg Dekusha 1, Svitlana Kovtun 1
11nstitute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine 2a Zhelyabov, Kyiv, 03057, Ukraine
2 E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 11 Kazymyr Malevych Street, Kyiv, 03150, Ukraine
3 National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine 15 Heroyiv Oborony Street, 15, Kyiv, 03041, Ukraine
Анотащя. Показана актуальнють створення технологш нанесення спектрально-селективних покритпв матерiалiв, призначених для конструкцш космГчноТ технки, як розкриваються, та розвитку методiв контролю Тх терморадiацiйних характеристик. Зазначено, що при iнших рiвних умовах, температура поверхнi конструкци у вакуумi космiчного простору визначаеться вщношенням коефiцieнта поглинання сонячноТ радiацíl' до коефрента випромiнювання (емо) поверхнi.
Метою роботи е показ перспективной калориметричних вимiрювань терморадiацiйних характеристик без вакуумування об'ему вимГрювальноТ камери, обфунтування структури i характеристик обладнання для цих дослщжень, проведення експериментальноТ перевiрки методу i устаткування на реальних зразках матерiалiв для космГчноТ технiки.
Обфунтована можливiсть застосування калориметричного методу для вимiрювання коефiцiенту емiсГГ без вакуумування об'ему вимГрювальноТ камери при врахуванн теплопередавання вГд випромiнювача до поверхш зразка крГзь шар повГтря. Рекомендована структура вщповщноТ апаратури i визначене сшввщношення геометричних розмГрГв робочоТ камери, за яких крайовГ спотворення внаслщок теплопередавання крГзь повГтря е несуттевими, а поправка на кондуктивний теплообмш може бути легко розрахована.
Наведено методику вимГрювань i опис випробувального стенду на базГ термоелектричних перетворювачГв теплового потоку i абсолютного приймача сонячного випромшювання, якГ призначенГ для визначення коефрента поглинання сонячного випромшювання.
Наведено стислий опис технологи нанесення покриття шаруватоТ структури Al+TiO2 та вимГряш значення коефГцГента емГсГТ i коефГцГента поглинання сонячного випромГнювання зразюв з таким покриття. Показано, що вщношення коефГцГента поглинання сонячноТ радГацГТ до коефГцГента емГсГТ для двошарового покриття Гстотно нижче аналогГчного значення, отриманого для його окремих компонентГв. Встановлено, що змшою спГввГдношення товщини шарГв Al i TiO2 можна забезпечити зниження величини вщношення коефрентГв до значення, яке забезпечуе допустимий рГвень температури поверхш космГчного апарату.
Ключов; слова: терморадГацГйнГ характеристики; багатошаровГ терморегулюючГ покриття; калориметричнГ методи вимГрювання; коефГцГент поглинання сонячного випромГнювання; коефрент емо.
DOI: 10.22178/pos.35-2
LCC Subject Category: QC81-114
Received 11.05.2018 Accepted 10.06.2018 Published online 18.06.2018
Corresponding Author: Leonid Vorobiov teplomer@ukr.net
© 2018 The Authors. This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License
Abstract. The research demonstrates the relevance of creating the technologies of application of spectral-selective coatings of materials, intended for open space structures designs and the development of methods of control of their thermoradiation characteristics. It is noted that under other equal conditions, the temperature of the surface of a structure in the vacuum of the outer space is determined by the ratio of the absorption coefficient of solar radiation to the emission factor of the surface.
The aim of the work is to demonstrate the perspective of calorimetric measurements of thermo-radiation characteristics without vacuuming the volume of the measuring chamber, substantiating the structure and characteristics of the equipment for these studies, carrying out an experimental verification of the method and equipment on the real samples of materials for space technology.
The possibility of using the calorimetric method for measuring the emission factor without vacuuming the volume of the measuring chamber, taking into account the heat transfer from the radiator to the surface of the sample through the air layer, is substantiated. The structure of the corresponding apparatus is recommended and the ratio of the geometric dimensions of the working chamber, in which the boundary distortion due to heat transfer through the air is insignificant, and the correction for conductive heat exchange can be easily calculated, is defined. The method of measurement and the description of the test stand on the basis of thermoelectric heat exchangers and absolute solar radiation receiver, which are intended to determine the absorption coefficient of solar radiation, are given.
A brief description of the technology of coating Al + TiO2 layered structure and the measured values of emission factor and absorption coefficient of samples with such coating is given. It is shown that the ratio of the absorption coefficient of solar radiation to the emission factor for a two-layer coating is significantly lower than the similar value obtained for its individual components. It is established that by changing the ratio of thickness of layers of Al and TiO2 it is possible to reduce the ratio of coefficients to the value that provides an acceptable level of temperature of the surface of the spacecraft.
Keywords: thermal radiation characteristics; multilayer thermoregulation coatings; calorimetric measurement methods; absorption coefficient of solar radiation; emission factor.
ВСТУП
Одним зi способiв забезпечення теплового режиму конструкцш е оптимiзацiя радiащй-ного теплообмшу поверхш з навколишшм середовищем. Дуже часто для виконання сво-'х функцш поверхш обладнання, будiвельноi' конструкцп або л^ального апарату повинш мати ктотно рiзнi значення терморадiащй-них характеристик в рiзних дiапазонах спектру випромшювання. Так, наприклад, енерго-збертаюче вжонне скло повинне, з одного боку, мати високий коефщент пропускання у видимш частиш спектру, а з шшого боку, мати мМмальне значення випромшювально'' здатносп (ступеня чорноти, коефщента емь сп) в шфрачервонш област спектра, характерны для теплообмшу випромшюванням при температурь близько'' до юмнатно'. Для ви-ршення таких завдань в останш десятилiття
iнтенсивно створюються новi матерiали i по-криття з спектрально-селективними характеристиками, а також методи та засоби ви-значення 'х терморадiацiйних характеристик (ТРХ).
Активно розвиваються технологи створення спектрально-селективних покриттiв для ае-рокосмiчноi' апаратури. Такi покриття вико-ристовуються для пiдтримки необхщного теплового режиму i вщповщно називаються терморегулюючими покриттями. Як правило, для космiчноi' технiки актуальною е можли-вiсть високо'' тепловiддачi з поверхш апарату теплоти, що видыяеться при роботi вбудова-ного обладнання, тобто покриття повинне мати високе (близьке до 1,0) значення ви-промшювально'' здатносп i, у той же час, як можна быьш мале значення коефщента пог-линання сонячного випромшювання А8. У статт розглянуто випадок пасивного термо-
регулювання металево! оболонково! конструкций для яко! необхщно дотримуватися певного дiапазону спiввiдношень терморадь ацiйних характеристик.
У бiльшостi випадюв, використання пасивно-го терморегулювання для забезпечення теплового режиму конструкцш космГчно! техш-ки зводиться до теплово! iзоляцГi !х повер-хонь (багатошарова iзоляцiя, тни) або до на-несення на них покритпв рiзних типiв [1, 2]. У клас конструкцiй, що розкриваються, теп-лоiзолювальнi матерiали можуть бути основою для побудови необхщно! поверхнГ зок-рема, у рефлекторi для надувно! антени IAE [3] був використаний алюмМзований май-лар, в оболонщ Optical Calibration Sphere [4] -алюмМзований каптон. Проте, в нових типах конструкцш на основi тонких металевих обо-лонок, як екстремально деформуються -конструкцiях з перетворюваним об'емом (КПО) [5], використання теплово! Гзоляцп, як i використання бГльшосп вiдомих контактних, пiгментних i конверсiйних терморегулюва-льних покриттiв неприйнятно через значш геометричнi спотворення поверхонь в проце-сi !х перетворення. В даному випадку покрит-тя повинш мати достатню адгезiю до поверх-нi конструкций стiйкiсть до деградацп при тривалому впливГ факторiв космГчного простору (ФКП) i здатнiсть витримувати багато-разовi неруйшвш згинання 3i збереженням необхiдних функщональних властивостей.
Температура Ts поверхнi оболонки КПО з не-
ржавшчо! сталь що мае високий коефiцieнт теплового розширення, в основному визна-чае !! напружено-деформований стан в умо-вах вГдсутностГ конвективно! складово! теп-лоо6мГну. Стосовно до металево! КПО встано-влений допустимий дiапазон температур Ts
поверхнi конструкцп 230 К < T < 336 К, який регламентований як можливий для нетрива-лого контакту оператора в скафандрi з зов-нГшньою поверхнею мГжнародно! космГчно! станцп (МКС) [6].
Значення T в стацiонарних умовах в вакуумi
космГчного простору може визначатися за вь домою залежшстю (1):
г _4AS хqs х s"4 fxa
де А - коефщдент поглинання сонячно! ра-д^цп;
^ - сумарна потужнiсть потоку сонячного випромiнювання, Вт/м2;
е - коефщент випромiнювання (емки) пове-рхш;
в - кут падiння потоку сонячно! радiащ!, [град];
а - стала Стефана-Больцмана, о « 5,6704х10-8 Втх м-2х К-4 [7].
Величина Т в стацiонарних умовах в вакуумi
космiчного простору при шших рiвних умовах визначаеться тыьки вiдношенням коефь цieнта поглинання сонячно! радiащ! до кое-фiцiента випромшювання (емки) поверхнi Аа/е [7].
Рис. 1 ыюструе величини максимально! (Тб.бш) i мМмально! (^^наб) температури по-верхнi деяко! довыьно! металево! оболонки вщповщно на освiтленiй i тiньовiй сторонi орбiти при одному з характерних варiантiв !! застосування - жорсткому закрiпленнi на зо-внiшнiй поверхнi базово! МКС.
З урахуванням зазначених вище вимог до забезпечення штервалу змiни температури поверхш конструкцп, спiввiдношення АIе мае перебувати в iнтервалi значень вщ 0,7 до 1,5.
Прийнятний результат може бути отриманий при використанш багатошарових покриттiв з металевих матерiалiв з товщиною верхнього шару, достатньою для пропускання радiацiй-ного потоку енергГ!. Як матерiали для шарiв покриття можна використовувати, напри-клад, алюмiнiй, широко використовуваний в системах забезпечення теплового режиму ае-рокосмiчно! технiки завдяки низьким зна-ченням коефiцiента емiсГ!, i дiоксид титану (IV) Т1О2, що поеднуе прийнятш терморадiа-цiйнi характеристики з високою стiйкiстю до деградацп пщ дiею ФКП. Ефективнiсть використання Т1О2 в якостi компонента терморе-гулювальних покриттiв описана, зокрема, в [8]. АлюмМевий прошарок виконуе також функцш демпфера, запобiгаючи вщшаруван-ня зовнiшнього покриття при згинанш обо-лонки.
Рисунок 1 - Залежност максимально!' i м^мально'Т температури поверхш металевоТ оболонки вщ
сшввщношення A S
При розробцi i виробництвi нових енергое-фективних конструкцш i технологiй нане-сення покритпв необхiдний постiйний або вибiрковий контроль терморадiацiйних характеристик. Широке поширення отримали як спектрометричнi [9, 10, 11], так i тепловi (калориметричш) методи контролю ТРХ. Спектрометричнi методи контролю вимага-ють застосування складних i дорогих спект-рофотометрiв, що працюють в широкому спектральному дiапазонi - вiд далекого шф-рачервоного до ультрафюлетового випромь нювання. Згщно [11] вимiрювання проводять в 30 точках спектрального дiапазону при нормальному впливi випромiнювання, а штег-ральний напiвсферичний коефiцieнт емки визначають розрахунковим способом iз за-стосуванням розрахунково-емпiричних ваго-вих коефiцieнтiв, що враховують спектраль-ний розподiл штенсивност випромiнювання i взаемозв'язок мiж нормальною i напiвсфе-ричною характеристикою.
Калориметричнi (тепловi, теплометричш) методи дослiдження дозволяють визначати ТРХ при використанш вiдносно простих i недорогих засобiв вимiрювання [12, 13]. Калориметричш методи, як правило, передбача-ють створення певних умов радiацiйного те-плообмiну зразка з дослщжуваним покрит-
тям i навколишнiми об'ектами; вимiрювання теплового потоку ^зь зразок i температури його поверхш; розрахунок терморадiацiйних характеристик на пщст^ отриманих даних i вщомих законiв теплообмiну. У бiльшостi ви-падкiв робочий об'ем вимiрювальноi' камери необхщно вакуумувати для виключення впливу кондуктивно-конвективного теплоо-бмшу крiзь повiтря, що призводить до ускла-днення калориметричних засобiв вимiрю-вання.
Метою роботи е показ перспективности калориметричних вимiрювань терморадiацiй-них характеристик без вакуумування об'ему вимiрювальноi' камери, обГрунтування струк-тури i характеристик обладнання для цих до-слiджень, проведення експериментально'' пе-ревiрки методу i устаткування на реальних зразках матерiалiв для космiчноi' техшки.
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕНЬ
Вимiрювальна система для вимiрювання ТРХ в iнфрачервоному сnектрi
Розроблено вимiрювальну систему, призна-чену для визначення штегральних нашвсфе-ричних ТРХ (коефщен^в випромiнювання, поглинання i вщбиття) в довгохвильовiй об-
ласп спектра шфрачервоного випромшю-вання рiзних матерiалiв i покриттiв. У системi реалiзований калориметричний метод вимь рювання, який передбачае отримання пер-винно'' вимiрювальноi' шформацп з застосу-ванням термоелектричних перетворювачiв теплового потоку (ПТП) [14]. Точшсть вимь рювання в приладах такого типу залежить як вщ ступеня полусферичностi падаючого ви-промiнювання, так i вiд однорiдностi вимiрю-вано'' густини теплового потоку. Для мшмь зацп методично'' складово'' похибки вимiрю-вання необхiдно щоб чутливий елемент ПТП знаходився в зош одномiрностi теплового потоку, внаслiдок чого вимiряна густина теплового потоку буде дорiвнювати густинi теплового потоку, що входить у зразок.
На рис. 2 наведена спрощена структура теплового блоку системи, який складаеться з ви-промшювача 1, термостатованно'' основи 2, пластини перетворювачiв теплового потоку 3 i дослiджуваного зразка 4. Випромшювач i основа утворюють порожнину, яка мае форму кругового цилшдра, на зовнiшнiх поверхнях й верхнього торця i бiчний цилшдрично'' пове-рхнi пiдтримуеться постiйна температура Т, а на поверхш нижнього торця (на сновЦ пщт-римуеться температура Т2. Внутршня повер-хня випромiнювача, що мае форму перевернутого стакану служить джерелом теплового випромшювання (ДТВ). На внутршнш сто-ронi нижнього торця порожнини помiщений дослiджуваний зразок матерiалу з нанесеним на нього покриттям. Заданий за допомогою ДТВ потж теплового випромiнювання, в за-гальному випадку, частково вщбиваеться вiд поверхш зразка в бш джерела, а частково, пронизуючи дослiджуваний зразок, реестру-еться перетворювачем теплового потоку. Сшввщношення складових теплового потоку, що поглинаеться i вiдбиваеться характеризуе яюсть енергоефективного покриття.
У тепловому блощ наведено'' конструкцп к-нуе юлька факторiв, що впливають на зна-чення вимiряного теплового потоку. До них вщносяться ступiнь чорноти нанесеного покриття, геометричш розмiри дослщжуваного зразка, порожнини i ДТВ, термiчний опiр ПТП. Теплопередача вiд ДТВ до дослщжуваного зразка, в загальному випадку, мае конвекти-вну, кондуктивну i радiацiйну складовi.
Примiтки: Т, Т, Т, Т - температури випромiнювача, основи, поверхн пластини перетворювачiв, поверхнi зразка, вщповщно;
Нзр, Яп - висота дослщжуваного зразка i порожнини, м.
Рисунок 2 - Структура теплового блоку системи для визначення ¡нтегральних нашвсферичних ТРХ в ¡нфрачервонш област спектра
Причому, саме радiацiйна складова теплооб-мiну е шформативним параметром, що ви-значае коефщент поглинання. Радiацiйна складова залежить також вщ значень температури ДТВ i поверхнi дослiджуваного зразка, а також кутових коефiцiентiв випромшюван-ня порожнинного випромшювача i впливу на них геометричних розмiрiв ДТВ, тобто висоти i радiусу цилiндричного «стакану». Розрахун-кова оцiнка умов виникнення конвективно'' складово'' i експериментальна перевiрка показали, що конвективною теплопередачею через повiтря в порожниш практично можна знехтувати, оскiльки ДТВ розташований над дослiджуваним зразком i мае в робочому ре-жимi температуру вищу, нiж у поверхш зразка. Однак, кондуктивна теплопередача через повггря порожнини призводить до крайових спотворень теплового поля на поверхш зраз-ка.
Докладний теоретичний аналiз факторiв, що впливають на просторовий розподы радiа-цшно'' i кондуктивно'' складових теплообмiну розглянутi в [15].
З отриманих результат випливае, що при
вщноснш висот пов^ряно'' порожнини —
^ = —П < 0,2 в зош, обмеженiй вiдносним
КП
радiусом р = — < 0,7, тепловий потж за ра-
хунок кондуктивного теплопередавання через пов^ря можна розглядати як теплопередавання ^зь нескiнченну пластину з тепло-провiднiстю повiтря (2):
ЧкОНД (Т1 T4) '
К
hп - нзр
(2)
де ^пов - коефiцiент теплопровiдностi пов^-ря.
Визначення значення радiацiйноi складово'' теплообмiну базуеться на вщомих [16] зако-номiрностях радiацiйного теплообмiну. В [15] показано, що локальний сумарний кутовий коефiцiент радiацiйного теплообмiну поверх-нi зразка з торцевою i бiчною поверхнями ДТВ не залежить вщ мiсця розташування на основi та дорiвнюе одинищ. При цьому радiа-цiйна складова теплообмшу на поверхнi зразка в замкнутому простора утвореному двома поверхнями з рiзною температурою, як ди-фузно вiдбивають свiтло, згщно [16], може бути визначена за формулою (3):
а(7Г - T4)
\рлд
1 F
-зр
Л ■
(3)
-1
\£дтв
При цьому вимiряна густина теплового потоку через зразок i ПТП дорiвнюе сумi складо-вих теплообмiну (4):
цитп ~ я-рлд + qк
1конд
(4)
У розробленому тепловому блощ випромшю-
вач ДТВ 1 i основа 2 виконанi з високотепло-
провiдного металу (дюралюмiнiю Д16Т) i
утворюють замкнутий простiр. Внутршня
поверхня випромiнювача (цилiндр i дно),
звернена до основи, вкрита дрiбними V-подiбними канавками i мае чорне покриття, що забезпечуе коефщент емки (стушнь чор-
ноти) едтв не менше 0,95. Основа i випромь
нювач мають вбудованi елементи, що дозво-ляють пiдтримувати задаш значення темпе-ратури цих вузлiв - нагрiвачi, канали для те-плоносiя, перетворювачi температури i т.п. (на рис. 2 щ елементи не показаш). На поверхш основи 2, звернено'' до випромшювача 1, розташована пластина термоперетворюва-чiв 3, в центральны зонi яко'' розташованi де-юлька ПТП i перетворювачiв температури поверхш, так, щоб можна було над ними роз-ташувати одночасно юлька дослiджуваних зразкiв. У випромiнювачi ДТВ розташований термоелектричний перетворювач темпера-тури поверхнi випромiнювача.
Режими вимiру терморадiацiйних характеристик поверхонь дослщжуваних зразкiв реаль зуються при малих значеннях рiзницi температур ДТВ i дослiджуваного зразка: (Т - Г4 )< 15^. У цьому випадку коефщент
випромшювання поверхнi дослiджуваного зразка можна вважати рiвним коефiцiенту поглинання [16]. Осюльки металевi тдклад-ки напилених зразюв терморегулювальних покриттiв в довгохвильовiй обласп спектра е непрозорими для шфрачервоного випромь нювання, коефiцiент вiдбиття поверхш ви-значаеться зi спiввiдношення: г = 1-е .
Температуру безпосередньо на поверхш дос-лщжуваного зразка незручно вимiрювати ко-нтактним способом, так як це може призвес-ти до спотворення радiацiйноi складово'' теплообмшу. Тому вимiрюють температуру за допомогою спаю термопари, розташованого на поверхш ПТП, а температуру поверхш дос-лщжуваного зразка розраховують з ураху-ванням теплопровiдностi зразка Я4 за формулою (5):
T4 _ T3 + ЧПТП Х
(
AR + Нзр
\
К
(5)
'4 У
де А^, - додатковий тепловий опiр мiж спаем термопари i зразком.
При вимiрюваннях попередньо визначають теплопровiднiсть i товщину зразка дослщжу-ваного матерiалу 4, а по^м встановлюють зразки на поверхню пластини термоперетво-рювачiв 3 за допомогою тонкого шару теплопроводного мастила. Встановлюють тепловi режими ДТВ та основи i пiсля 'х стабШзацп
вимфюють середн1 значення температури 1 теплового потоку. Значення температури поверхш зразка визначають за формулою (5), значення рад1ацшно'1 складово' теплового потоку знаходять на шдстав1 (1) 1 (4):
я рад я птп (т1 t4) '
К
h п - нзр
(6)
Значення коефщента eMicii поверхш зразка розраховують за формулою, отриманою з (3):
£зр
Яр
рад
а
(T14 - T?)- Я
F
: (7)
раД х F 1 2
--1
\гдтв
де —— вщношення площ поверхнi випромь
F2
нювача i приймально! поверхш основи.
Середш значення , Т * Т визначають безпосередньо за результатами вим1рювань п1д час експерименту. Значення ^ / ^, 8щъ 1
А^,, визначають при проектуванн 1 кал1бру-
вання приладу. В1дстань м1ж поверхнями ви-пром1нювача 2 1 пластиною термоперетво-рювач1в 3 задано конструкщею приладу.
Оск1льки прилад дозволяе одночасно встано-влювати к1лька зразк1в, то проводять визна-чення густини теплового потоку 1 температу-
ри поверхш для кожного зразка, а розрахунок коефщ1енпв ем1сп проводять окремо для кожного зразка за формулами аналопчним (6). Одночасне досл1дження деюлькох зразк1в дозволяе швидко пор1внювати м1ж собою зраз-ки при вщпрацюванш технологи нанесення покритт1в. У раз1 наявност1 еталонних зразк1в з вщомими терморад1ац1йними характеристиками можливо зв1рення з ними дослщжу-ваних зразюв. Застосування методики вим1-рювань з використанням двох еталонних зразюв з контрастними значеннями 'х коеф1-ц1ент1в випром1нювання (перший зразок - з покриттям з пол1рованого металу Ее1«0,1, а другий - з д1електрика з матовою поверхнею £е2«0,9) дозволяе компенсувати кондуктивну 1 конвективну складов! теплообмшу через пов1тряний зазор, в зв'язку з чим вщпадае не-обх1дн1сть врахування кондуктивного тепло-передавання через пов1тря.
Система i калориметрична методика визначення коефiцieнта поглинання сонячного виnромiнювання А ■
Розроблено методику 1 випробувальний стенд на баз1 термоелектричних б1металевих перетворювач1в теплового потоку (ПТП) виду допом1жно'1 стшки [14] 1 абсолютного порож-нинного приймача сонячного випромшю-вання, наприклад, радюметра РАП-12СР [17]. Схема розмщення прилад1в представлена на рис. 3.
Примiтки: 1 - термостатована основа; 2, 3 - перетворювачi теплового потоку (ПТП); 4 - зразок з дослщжуваним покриттям; 5 - зразок iз покриттям з вщомим коефрентом поглинання сонячного випромiнювання; 6 - абсолют-ний порожнинний приймач випромшювання; 7 - джерело випромшювання, яке за спектром вiдповiдаe випроми нюванню Сонця; 8 - рухливий екран з вщбиваючим покриттям.
Рисунок 3 - Схема розмщення приладь при вимфюванш коеф1ц1ента поглинання сонячного
випромшювання А
На плоску тдкладку з листового матерiалу (металу або дiелектрика) наносять шар дослщжуваного покриття з невщомим коефще-нтом поглинання Азх.
При вимiрах методом компарування з ета-лонним зразком, встановлюють дослщжува-ний зразок з покриттям на поверхш плоского ПТП на шар високотеплопровщного мастила. На другий щентичний ПТП встановлюють еталонний зразок, який мае покриття з вщо-мим коефщентом поглинання сонячного ви-промiнювання А3о i коефiцiентом емки во,
наприклад, чорну плiвку «Огаса1». Оскiльки теплофiзичнi характеристики ПТП i пщкла-док зразюв вiдомi, нескладно вирахувати су-марний тепловий ошр дослiджуваного зразка з ПТП R i еталонного зразка з ПТП Rо. Також необхщно заздалегiдь визначити коефiцiент емки дослщжуваного покриття в. Дослщжу-ваний i еталонний зразки разом з ПТП розмь щують на масивному термостатованш основi, яка виготовлена з високотеплопровщного матерiалу (рис. 3).
У разi вiдсутностi покриття з вiдомими параметрами додатково може бути застосований радюметр РАП-12СР з вщомим коефщентом поглинання А, що дозволяе провести прямi вимiрювання густини потоку випромшюван-ня. Радiометр встановлюють таким чином, щоб його вхiдна дiафрагма розташовувалася в тiй же площиш, що й дослiджуваний покриття. Джерелом випромшювання в даному дослщженш може бути або безпосередньо Сонце, або iмiтатор сонячного випромшю-вання, наприклад, на базi ксенонових ламп з температурою близько 6000 К. Використання для експозицп Сонця можливо тыьки при яс-нiй безхмарнш погодi з обов'язковою корек-щею положення приймачiв випромiнювання - ПТП i радiометра по вiдношенню до руху Сонця по небосхилу. Вимiрювання проводять методом почергово'! змiни сонячного опромь нення i затiнення за допомогою рухомого ек-рану, рееструють в кожному випадку вихщш сигнали ПТП i радiометра i розраховують значення густини теплового потоку сонячного випромшювання при експозицп чЕкс, Чексо , Чр-екс i затiненнi чг, чГо, др_т. Розрахунок коефiцiента поглинання сонячного випромь нювання дослiджуваного зразка Азх здшс-нюють за такими залежностями:
- у разi вимiрювання методом компарування i використання еталонного покриття (8):
А _А (Чекс — Чт) • [1 + Я • («к + 4е^Т )] ^
8Х 8° (ЧЕКСо - Что ) • [1 + Я° • («К + 4Ео°ТТо )]
- в разi використання радюметра для вимь рювання сонячного випромшювання (9):
(Чекс - Чт ) • [1 + Я • («к + 4е°ТТ )]
А8Х = А Р 7 " ч , (9)
(ЧР-ЕКС — ЯР-т )
де «к « 3 Вт/(К-м2) - коефiцiент тепловiддачi при конвективному теплообмМ [4];
Т = Тсг + Я • чг , ТГо = Тсг + Я • Что - температура поверхш дослщжуваного i еталонного покриття при затшенш;
Гст - температура термостатовано'! основи.
Слiд зазначити, що використання радюметра, в якому виключена конвективна складова теплообмшу, значно полегшуе проведення експерименту i наступш розрахунки. Крiм того, в такому випадку можливе проведення одночасного дослщження двох зразкiв пок-риття.
Технолопя нанесення багатошарових nокриттiв на дослiдженi зразки
Багатошаровi покриття для КПО були отри-манi методом електронно-променевого ви-паровування в вакуумi мшеней на основi алюмiнiю А1 i двоокису титану ТЮ2. В якост пiдкладок були використанi пластини нер-жавшчо'! сталi марки AISI 321 товщиною 175 мкм i розмiром 100x40 мм, поверхню яких перед вакуумним осадженням знежи-рювали. Для забезпечення високо'! адгезп покриття i сталево'! пiдкладки й поверхню по-переднього травили пучком юшв аргону з енергiею 2...2,5 кеВ. Для пiдвищення ефекти-вностi юнно'! очистки поверхнi до сталево! пщкладки було докладено негативне змь щення 700 В. Шарувату структуру покритпв, що складаються з шарiв А1 i ТЮ2, отримували послiдовним випаровуванням мшеней рiзно-
го xiMi4Horo складу за один технолопчний цикл, шляхом перемщення електронного пучка з одше'1 мшеш на шшу. Товщину прошар-кiв варiювали шляхом змши режимiв випаро-вування та його тривалость
Перед осадженням покриття тдкладку на-грiвали за допомогою електронно-променево'' гармати; температуру пiдкладки при й розiгрiвi i в процеа осадження покриття контролювали хромель-алюмелевою термопарою. Покриття формувалося при темпе-ратурi пiдкладки Тп=400...450 °С.
Структуру i хiмiчний склад покритпв досль джували з використанням растрового мжро-скопа CamScan4, оснащеного системою локального хiмiчного аналiзу ENERGY 200. Зразки для дослщження готувалися за стандартною методикою шлiфування й полiрування з використанням обладнання фiрми Struers. Рен-
Таблиця 1 - Експериментально-розрахунковi значення е i A ДOслiджуваних покриттiв
Матерiал Сталь AISI 321 (hs) AISI 321+Al AISI 321+ TiÜ2 AISI 321+Al+TiÜ2
(hAl ) (h TiÜ2 ) ( hAl+ hTiÜ2)
Товщина 175 цт 1300 nm 800 nm 900+700 nm 300+500 nm
s 0,18 0,110 0,281 0,332 0,337
As 0,65 0,331 0,6905 0,5827 0,4804
AS/s 3,6 3,01 2,46 1,76 1,42
ВИСНОВКИ
Встановлено, що величиною, яка характери-зуе ефективнiсть терморегулюючого покриття, е вiдношення коефiцiента поглинання со-нячного випромшювання до коефiцiента емь
rii A S.
Запропоновано калориметричш методи i ро-зробленi досить прост i недорогi засоби ви-мiрювання терморадiацiйних характеристик покриттiв.
Розглянуто технологiю нанесення терморегулюючого покриття шарувато'' структури Al + TiO2 на поверхню металевих конструкцiй космiчного призначення, якi розкриваються; покриття наноситься послщовним осадженням Al i T1O2 на пiдкладку з нержавшчо'' сталi шляхом випаровування компонентiв у ваку-умi електронно-променевим методом.
Проведено вимiрювання терморадiацiйних характеристик покриттiв AI+T1O2 на нержавь ючiй сталi i показано, що значення вщношен-
тгендифракцшне вимiрювання проводили в геометрп ковзного пучка 6-26 на дифракто-метрi ДРОН-4 у випромiнюваннi CuKa.
Результати вимiрювань терморадiацiйних характеристик
Дослiдження проведенi на зразках зi сталi без покриття, d^i з алюмiнiевим покриттям (Al), сталi з покриттям з двоокису титану (T/O2) i з двошаровим покриттям - на
шар Al, а на ньому шар T1O2. У табл. 1 представлен структурнi характеристики покритпв (, hAl, h - товщини шарiв пок-
риттiв T1O2, Al i зразка, нм), а також значення 'х терморадiацiйних характеристик.
З результат видно, що спiввiдношення AS нержавшчо!' сталi i одношарових покритпв з Al i TiÜ2 знаходяться в iнтервалi зна-чень вщ 2,46 (для TiÜ2) до 3,6 (сталь AISI 321), що не задовольняе необхiдним умовам.
У разi двошарових покриттiв (AISI 321 + Al + TiÜ2) коефщент поглинання A нижче, нiж у
покриття TiÜ2. Змiнюючи спiввiдношення товщини шарiв Al i TiÜ2, можна забезпечити зниження значення AS для двошарового покриття AISI 321 + Al + ТЮ2 до верхнього рь вня дiапазону допустимих значень 0,7 ... 1,5; значення s, при цьому, збер^аеться практично незмiнним, при одночасному зниженш ве-личини A .
Розширена невизначенiсть вимiрювань кое-фiцiента емiсГi знаходиться в дiапазонi 0,041 ... 0,045, а розширена невизначенiсть вимГрю-вань ^еф^ента поглинання сонячного ви-промiнювання - в дiапазонi 0,030 ... 0,049.
ня AS Для двошарового покриття iCTOTHO
нижче аналопчного вщношення, отриманого для його окремих компоненпв. Показано, що змшою спiввiдношення товщини шарiв Al i
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ / REFERENCES
TiO2 двошарового покриття можна забезпе-чити зниження значення AS при незмш-ностi коефiцieнта eMicii е.
1. Finckenor, M. M., & Dooling, D. (1999). Multilayer Insulation Material Guidelines. Alabama: Marshall
Space Flight Center.
2. Gilmore, D. (2002). Spacecraft Thermal Control Handbook, Volume I: Fundamental Technologies. doi:
10.2514/4.989117
3. Freeland, R. E., Bilyeu, G. D., & Veal, G. R. (1996). Development of flight hardware for a large,
inflatable-deployable antenna experiment. Acta Astronautica, 38(4-8), 251-260. doi: 10.1016/0094-5765(96)00030-6
4. Lichodziejewski, D., Veal, G., & Derbes, B. (2002). Spiral Wrapped Aluminum Laminate Rigidization
Technology : 43rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. doi: 10.2514/6.2002-1701
5. Paton, B. E., Lobanov, L. M., & Volkov, V. S. (2015). Metal transformable-volume structures for space
engineering. Acta Astronautica, 110, 50-57. doi: 10.1016/j.actaastro.2015.01.005
6. Raketno-kosmicheskaja korporacija "Jenergija" im. S. P. Koroleva. (2016). Rossijskij segment MKS.
Spravochnikpol'zovatelja [The Russian segment of the ISS. User's manual]. Korolev: RKK "Jenergija" im. S. P. Koroljova (in Russian)
[Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С. П. Королева. (2016). Российский сегмент МКС. Справочник пользователя. Королев: РКК «Энергия» им. С. П. Королёва].
7. Favorskij, O., & Kadaner, Ja. (1967). Voprosy teploobmena v kosmose [Questions of heat transfer in
space]. Moskva: Vysshaja shkola (in Russian)
[Фаворский, О., & Каданер, Я. (1967). Вопросы теплообмена в космосе. Москва: Высшая школа].
8. Zhang, L., & Chen, R. (2004). TiO2-Siloxane Thermal Control Coatings for Protection of Spacecraft
Polymers. Chinese Journal of Aeronautics, 17(1), 53-59. doi: doi:10.1016/S1000-9361(11)60203-3
9. Halimanovich, V. I., Harlamov, V. A., Ermolaev, R. A., Miheev, A. E., & Girn, A. V. (2009). Ispytanija
laboratornyh obrazcov termoregulirujushhih pokrytij ugleplastikovyh jelementov kosmicheskih apparatov [Testing laboratory patterns with thermoregulation coatingon carbon details of space vehicles]. VestnikSibGAU, 3, 110-113 (in Russian)
[Халиманович, В. И., Харламов, В. А., Ермолаев, Р. А., Михеев, А. Е., & Гирн, А. В. (2009). Испытания лабораторных образцов терморегулирующих покрытий углепластиковых элементов космических аппаратов. Вестник СибГАУ, 3, 110-113].
10. Miheev, A. E., Girn, A. V., Ivasev, S. S., & Evkin, I. V. (2013). Issledovanie svojstv zashhitnyh pokrytij
dlja kosmicheskih apparatov [Investigation of the space vehicles coatings feature]. Vestnik SibGAU, 3(49), 217-224 (in Russian)
[Михеев, А. Е., Гирн, А. В., Ивасев, С. С., & Евкин, И. В. (2013). Исследование свойств защитных покрытий для космических аппаратов. Вестник СибГАУ, 3(49), 217-224].
11. International Organization for Standardization. (2003). Glass in building. Determination of light
transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors (ISO 9050:2003). Retrieved May 1, 2018, from https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:9050:ed-2:v1:en
12. Paderin, L. Ja., Prusov, B. V., & Tokarev, O. D. (2011). Ustanovka dlja issledovanij integral'noj
polusfericheskoj izluchatel'noj sposobnosti teplozashhitnyh materialov i termoregulirujushhih
pokrytij [Installation for studies of the integral hemispherical emissivity of heat-shielding materials and thermoregulatory coatings]. Uchenyezapiski CAGI, 1, 53-61 (in Russian) [Падерин, Л. Я., Прусов, Б. В., & Токарев, О. Д. (2011). Установка для исследований интегральной полусферической излучательной способности теплозащитных материалов и терморегулирующих покрытий. Ученые записки ЦАГИ, 1, 53-61].
13. Cherepanov, V. (2005). Razrabotka metodov i sredstv metrologicheskogo obespechenija izmerenij
kojefficientov teplovogo izluchenija materialov [Development of methods and tools for metrological support of measurements of thermal radiation coefficients of materials]. Interjekspo Geo-Sibir', 6 (in Russian)
[Черепанов, В. (2005). Разработка методов и средств метрологического обеспечения измерений коэффициентов теплового излучения материалов. Интерэкспо Гео-Сибирь, 6].
14. Kralik, T., Musilova, V., Hanzelka, P., & Frolec, J. (2016). Method for measurement of emissivity and
absorptivity of highly reflective surfaces from 20 K to room temperatures. Metrologia, 53(2), 743-753. doi: 10.1088/0026-1394/53/2/743
15. Grishhenko, T. G., Dekusha, L. V., Vorob'ev, L. I., Burova, Z. A., Dekusha, O. L., & Kovtun, S. I. (2017).
Teplometrija: teorija, metrologija, praktika. Metody izmerenija teplovogo potoka [Thermometry: theory, metrology, practice. Methods for measuring heat flow]. Kyiv: Institut tehnicheskoj teplofiziki NAN Ukrainy (in Russian)
[Грищенко, Т. Г., Декуша, Л. В., Воробьев, Л. И., Бурова, З. А., Декуша, О. Л., & Ковтун, С. И. (2017). Теплометрия: теория, метрология, практика. Методы измерения теплового потока. Киев: Институт технической теплофизики НАН Украины].
16. Kovtun, S., Dekusha, L., & Vorobiov, L. (2018). Analizuvannia vplyvu parametriv vyprominiuvacha
na peredavannia odynytsi vymiriuvannia teplovoho potoku [Analysis of influence of the radiant source parameters on transfer of heat flux density unit]. Slovak in ternational scien tific journal, 16(1), 51-54 (in Ukrainian)
[Ковтун, С., Декуша, Л., & Воробйов, Л. (2018). Аналiзування впливу параметрiв випромшювача на передавання одинищ вимiрювання теплового потоку. Slovak international scientific journal, 16(1), 51-54].
17. Uong X. (1979). Osnovnye formuly i dannye po teploobmenu dlja inzhenerov [Basic formulas and
data on heat transfer for engineers]. Moscow: Atomizdat (in Russian)
[Уонг, X. (1979). Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Москва:
Атомиздат].
18. Basok, B., Dekusha, L., Honcharuk, S., & Chorna, N. (2013). Prylad dlia vymiriuvannia insoliatsii
budivel ta sporud [The instrument for measuring the insolation of buildings and structures]. Budivelni konstruktsii. Enerhozberezhennia u budivnytstvi. Suchasni konstruktyvni systemy, efektyvni materialy ta inzhenerne obladnannia, 77, 55 - 59 (in Ukrainian) [Басок, Б., Декуша, Л., Гончарук, С., & Чорна, Н. (2013). Прилад для вимiрювання шсоляцп будiвель та споруд. Будiвельнi конструкци. Енергозбереженняу будiвництвi. Сучасш конструктивш системи, ефективш матерiали та тженерне обладнання, 77, 55 - 59].
