DE3741732C1

DE3741732C1 - Mehrschicht-Waermedaemmung

Info

Publication number: DE3741732C1
Application number: DE3741732A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl-Phys Dr Keller
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1987-12-09
Filing date: 1987-12-09
Publication date: 1988-12-22
Also published as: FR2624581A1; US5030518A; JP2505556B2; JPH01202600A; FR2624581B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrschicht-Wärmedämmung für die Isolation von Raumfahrzeugen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Mehrschicht-Wärmeisolationen beispielsweise für sogenannte Wiederein trittskörper sind bereits in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgewor den. Gegenüber einschichtigen Isolationen weisen sie eine deutlich erhöhte Wärmedämmung bei gleichem Gewicht auf.

Die bisher bekannten Anwendungen beziehen sich auf stationären Druck, beispielsweise bei Einsatz am Boden oder im Vakuum (MLI). Beim Wiederein tritt von Raumfahrzeugen ändert sich der Druck in einer Mehrschichtisola tion in Abhängigkeit von der Flughöhe und die Wärmeleitung durch in der Mehrschichtisolation enthaltene Gase nimmt zu. Für eine bestimmte Flughöhe und eine bestimmte Wahl der Schichten ist beispielsweise der halbe Beitrag der Gaswärmeleitung zur Gesamtwärmeleitung erreicht.

Bei typischen Wiedereintrittstrajektoren liegt das Maximum der aerodynami schen Aufheizung bei relativ großen Flughöhen (ca. 75-65 km) und dement sprechend niedrigen Drücken, während in niedrigen Flughöhen und bei höheren Drücken die Außenhaut sehr viel schwächer erwärmt bzw. sogar gekühlt wird.

Bei allen diesen Ausführungsformen ist aber auch noch neben einem relativ hohen Gewichtsaufwand eine nicht unbeträchtliche Erhöhung der Abmaße des Raumflugkörpers erforderlich, d. h. durch das Aufbringen relativ dicker Schichten auf die Zellen-Außenhaut werden die Raumkörperdurchmesser nicht unbeträchtlich vergrößert bzw. der verfügbare Innenraum verkleinert.

Durch die US-PS 43 44 591 ist ein Mehrschicht-Wärmedämmungssystem bekannt geworden, das aus wabenförmigen Sandwich-Paneelen und Metall- oder Faser folien besteht. Auch hier sind Gewicht und Abmaße zu aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehr schicht-Wärmedämmung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei Hitzeschildkonzeptionen für erdatmosphärische Wiedereintrittskörper nicht nur eine Gewichtserleichterung durch Unterdrückung der Gasleitung in großen und mittleren Flughöhen sowie eine Verminderung der Strahlungswär meleitung erbringt, sondern, daß sie im transienten Wiedereintrittsfall die im Wärmeschutzsystem gespeicherte Wärme in niedrigen Flughöhen vor zugsweise nach außen abgibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläu tert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigt

Fig. 1a ein Schemabild eines in die Erdatmosphäre wiedereintretenden Raumfahrzeugs in Seitensicht, mit den differenziert schraffierten Oberflächen unter denen Mehrschicht-Wärmedämmungen eingesetzt werden können,

Fig. 1b ein Schemabild des Raumfahrzeugs gemäß Fig. 1a mit den differen zierten Mehrschichtanordnungen des Raumfahrzeug-Oberteils und unterhalb der Mittellinie mit denjenigen des Raumfahrzeugunter teils,

Fig. 2 ein perspektivisches Ansichtsbild eines schematischen Aufbaus der Mehrschichtisolations-Pakete in einem Teilschnitt,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Paket im Bereich der Abstandshalter mit Richtungs-Angabe der steigenden Schichtdicken und der Rich tungs-Angabe der abnehmenden Faserdurchmesser,

Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch ein Isolationspaket im Bereich des Stoßes zweier Pakete mit sogenanntem Spaltenfüller,

Fig. 5 ein Diagramm über den typischen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit in einer Fasermatte in Abhängigkeit vom Luftdruck bei niedrigen Temperaturen.

Die Fig. 1a und 1b skizzieren ein in die Erdatmosphäre wiedereintreten des Raumfahrzeug 100, dessen Oberfläche mit einem sogenannten Hitzeschutz schild versehen ist, unter dem im vorliegenden Falle eine Mehrschicht-Wär medämmung 101 liegt. Diese Mehrschicht-Wärmedämmung 101 ist an bestimmten Oberflächenstellen des Raumfahrzeugs 100 unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, wie dies in den Figuren auch verdeutlicht ist. Die hier vorgeschlagenen Konzeptionen bringen insbesondere im Fall ansteigenden Druckes und transienter Temperaturbelastung mit Maximum bei niedrigem Druck erhebliche Verbesserungen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist nicht jeder Teil gleichmäßig hitzebelastet und dementsprechend werden auch an die erfahrungsgemäß an den einzelnen Flächen auftretenden Temperaturen angepaßte Pakete 10 entsprechend an der Fahrzeugoberfläche angeordnet. So wird unterschieden zwischen einer Heißstruktur, die im Bereich des Raum fahrzeugbuges, an der Flügelpfeilung und an den Leitwerken angeordnet wird, einer Normalstruktur aus starren Platten oder Schindeln und einer flexiblen Isolationsstruktur. Für jeden der beiden erstgenannten Bereiche werden Pakete - wie nachfolgend detailliert erläutert - speziell ausgebil det. Und zwar setzt sich jedes Paket 10 aus mehreren Schichten einer Keramikfaserfüllung 11 zusammen, die durch hochreflektierende, vorwiegend perforierte Metallfolien 12 voneinander getrennt sind, deren Schichtdicke - von der Zellenhaut des Raumfahrzeugs aus gesehen - von außen nach innen in ihrem Faserdurchmesser abnehmen. Die Keramikfaserfüllung 11 jedes der Mehrschicht-Isolationspakete 10 weist auf der heißeren Seite einen höheren Al₂O₃-Faseranteil auf, wogegen auf der kälteren Seite ein höherer SiO₂-Faseranteil gewählt wird.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Mehr schichtisolation in schematischer Darstellung. Die etwa 0,1 bis 1 cm dicken porösen Schichten in Form einer Keramikfaserfüllung 11 sind durch hochreflektierende perforierte Metallfolien 12 getrennt. Die Einkapselung 14 dieses "Schichtbündels" in Form eines Paketes 10 besteht aus einer Metallfolie und einer Polyimidschaumplatte 13. Das so eingekapselte Paket 10 liegt, wie die Fig. 3 veranschaulicht, zwischen der Raumfahrzeugstruk tur und dessen mechanisch lastaufnehmender Hitzeschildoberfläche, wozu in der Mehrschichtisolation bzw. in den Paketen 10 Durchbrüche 15 angeordnet sind, die für die erforderlichen Abstandshalter der Raumfahrzeugstruktur vorgesehen sind.

In Fig. 4 ist gezeigt, wie zwischen zwei benachbarten Paketen 10 soge nannte Spaltfüller 16 angeordnet sind, die aus Keramikfaserschichten 16 a und perforierten Metallfolien 16 b gebildet werden. Über diese Spaltfüller 16 und die Polyimidschaumplatte 13 erfolgt die Be- und Entlüftung der Mehrschichtisolation bzw. Mehrschicht-Wärmedämmung 101.

In einer speziellen vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß extrem dünne metallisierte, z. B. Kaptonfolien (bis 400°C) bzw. Metallfo lien zur Schichttrennung verwendet werden und zwar für Temperaturen bis ca. 550°C Aluminiumfolien mit einer Stärke von etwa 5 µm. Für Temperaturen bis ca 900°C werden Goldfolien mit einer Stärke von ca. 5 µm empfohlen. Auch Nickelfolien sind verwendbar, wobei diese allerdings eine Stärke von ca. 25 µm aufweisen. Bei Temperaturen bis ca. 1350°C lassen sich noch beispielsweise die platinbeschichteten TZM-Folien mit einer Stärke von ca. 30 µm einsetzen, bzw. vorteilhafter eventuell platinbeschichtete Keramikfasergewebe.

Weiterhin zeigt es sich als besonders wirkungsvoll und vorteilhaft, wenn die Keramikfaserfüllung 11 auf der heißeren Einsatzseite einen höheren Al₂O₃-Faseranteil und auf der kälteren Seite einen höheren SiO₂-Fa seranteil oder Borosilikatglas-Faseranteil aufweist. Solche Faserfüllungen sind im Handel erhältlich. Nun müssen zur Optimierung der Aufgabenlösung die Dichte der Keramikfaserfüllungen 11 also die Faserschichten - von außen nach innen zunehmen und zwar im vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel von 8 kg/m³ bis 40 kg/m³, während der mittlere Faserdurchmesser von außen nach innen abnehmen soll und zwar hier von 4 µm bis herunter auf 0,4 µm. Damit wird erreicht, daß für Flughöhen unter 50 km und reduzier te aerothermische Aufheizung die in der Mehrschichtisolation 101 bereits gespeicherte Wärme vorzugsweise nach außen abgegeben wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Folien auf der Außenseite größer ist als auf der Innenseite.

Ohne Faserfüllung ist das Verhältnis des konduktiven Wärmeflusses q _c zum radiativen Wärmefluß q _v ( ε = 0,1) zwischen zwei Metall- bzw. Srah lungsfolien 12 mit T ₁ = 800°C, T ₂ = 700°C und dem Abstand Δ x = 1 cm in etwa gleich. Durch die vorbeschriebenen Faserfüllungen 11 wird q _c in Abhängigkeit von Druck, Faserdurchmesser, Faserorientierung und Porosität reduziert - wie das Diagramm in Fig. 5 verdeutlicht.

Statt der metallischen Strahlungsfolien 12 können auch extrem dünne Trägerfolien, wie beispielsweise Kapton bis 400°C, und für höhere Tempera turen Glasfasergewebe und Keramikfasergewebe metallisch bedampft werden. Ergänzend können aber auch in die Keramikfaserschichten hochreflektierende Partikel implementiert werden. Die Festigkeit kann durch Nähen oder punktweises Verkleben der porösen Schichten und der reflektierenden Folien erhöht werden.

Durch vorstehend vorgeschlagene Ausführungsformen wird eine Mehr schicht-Wärmedämmung 101 geschaffen, die im transienten Wiedereintritts fall des Raumfahrzeugs in die Erdatmosphäre für große Flughöhen sehr effizient ist sowie welche die im Wärmeschutzsystem gespeicherte Wärme in niedrigen Flughöhen vorzugsweise nach außen abgibt. Dadurch läßt sich eine Reduktion von Bauhöhe und Gewicht erreichen.

Claims

1. Mehrschicht-Wärmedämmung für die Isolation von Raumfahrzeugen, die sich aus Paketen von eingekapselten porösen Schichten - wie bei spielsweise Keramikfaserschichten - zusammensetzt, dadurch gekennzeich net, daß die Faserfüllungen (11) jedes Mehrschicht-Isolationspaketes (10) durch hochreflektierende, gasdurchlässige Folien (12) getrennt sind und von außen (strömungsbenetzte Oberfläche des Raumfahrzeugs (100)) nach innen in den Faserschichten der Faserdurchmesser abnimmt und/oder die Dichte der Faserschicht zunimmt.

2. Mehrschicht-Wärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß Fasermaterialien minimalen spezifischen Gewichts je nach zulässiger Einsatztemperatur der verwendeten Fasermaterialien ausgewählt werden, vorzugsweise solche, die auf der heißeren Seite für sehr hohe Temperaturen - beispielsweise ca. 1100°C - einen höheren Al₂O₃-Fa seranteil und auf der kälteren Seite einen höheren SiO₂-Faseranteil haben.

3. Mehrschicht-Wärmedämmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß in den Faserschichten (11) Vorzugsrichtungen der Faser orientierung vorliegen, beispielsweise auf der kälteren Seite Orien tierungen in Ebenen senkrecht zur Bauhöhe des Paketes (10).

4. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Faserschichten (11) verwendeten Kera mikfasern ganz oder teilweise hochreflektierend beschichtet sind.

5. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Faserschichten (11) aus Keramikfasern geringer Dichte hochreflektierende Partikel eingebettet sind.

6. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als hochreflektierende Folien (12) Verwendung finden

a) Metallfolien minimal verfügbarer und anwendbarer Dicke, beispiels weise bis zu Temperaturen von ca. 550°C 5 µm starke Alu-Folien, bis zu ca. 900°C 5 µm starke Gold- oder Kupferfolien bzw. 25 µm starke Nickelfolien und bis zu Temperaturen von ca. 1350°C 30 µm starke platinbeschichtete TZM-Folien,
b) Metallfolien minimal verfügbarer und anwendbarer Dicke mit spezial behandelten Oberflächen durch Beschichtungen oder Ionenimplantatio nen,
c) metallisch beschichtete Trägerfolien minimal verfügbarer und anwend barer Dicke, beispielsweise bis Temperaturen von ca. 400°C alumini siertes Kapton und für höhere Temperaturen edelmetallbedampfte (Au oder Pt-Gruppe) Glasfasergewebe und Keramikfasergewebe.

7. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der heißeren Seite des Paketes (10) mehr Strahlungsfolien angeordnet werden als auf der kälteren Seite.

8. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkapselung (14) des Paketes (10) aus Metall folien und der elastischen, wasserabweisend imprägnierten Bodenplatte (13) - vorzugsweise aus Polyimidschaum - und zwischen zwei benachbarten Mehrschicht-Isolationspaketen (10) ein aus ebenfalls Keramikfaserschich ten (16 a) und perforierten Metallfolien (16 b) zusammengesetzter Spalt füller (16) eingesetzt ist.

9. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkapselung (14) aus hochtemperaturbeständigem Gewebe, beispielsweise aus einem "Nextel-Sack" besteht.

10. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Festigkeit des Paketes (10) durch Nähen oder punktweises Verkleben der Faserschichten (11, 16 a) mit den Folien (12, 16 b) erhöht wird.

11. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfaserfüllung (11) auf der kälteren Seite einen höheren Borsilikatglas-Faseranteil aufweist.

12. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken der Keramikfaserfüllung (11) von ca. 8 kg/m³ bis 40 kg/m³ von außen nach innen zunehmen.

13. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Faserdurchmesser der Keramikfaser von außen nach innen von ca. 4 µm auf ca. 0,4 µm abnimmt.

14. Mehrschicht-Wärmedämmung nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschichten (11, 16 a) durch entsprechend temperaturbeständige poröse Schichten anderer Art ersetzbar sind, wenn diese die Wärmeübertragung durch Luftleitung für unterschiedliche Flughöhen sperren können und zwar für die äußeren Schichten für die größeren und für die inneren Schichten für die niedrigen Flughöhen.