DE60111889T2

DE60111889T2 - Silizium-Wärmeisolierungsdecke

Info

Publication number: DE60111889T2
Application number: DE60111889T
Authority: DE
Inventors: James A. Roth
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: EP1149765A3; DE60111889D1; EP1149765B1; JP2001310800A; EP1149765A2; US6279857B1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine passive Wärmesteuermatte für ein Raumfahrzeug und im besonderen eine Wärmematte für ein Raumfahrzeug, welche eine auf einem Substrat aufgesputterte äußere Beschichtung aus Silizium und mindestens eine Zwischenschicht aus Germanium oder Siliziumdioxid aufweist.
2. Diskussion des verwandten Standes der Technik
Ein Raumfahrzeug verwendet typischerweise viele empfindliche und teure Komponenten zum Durchführen verschiedener Raumfahrtaufgaben, wie beispielsweise einer Informationsübertragung und optischen Bildaufnahmen. Wenn es sich im Weltraum befindet, wird das Raumfahrzeug einer Wärmeabstrahlung von der Sonne unterworfen, welche das Raumfahrzeug und seine Komponenten auf eine sehr hohe Temperatur aufheizt, welche das Raumfahrzeug beschädigen kann. Sichtbares Licht ist die Hauptquelle der Wärmeenergie in der Weltraumumgebung. Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Wärmesteuerbeschichtungen, welche allgemein als Wärmematten bezeichnet werden, über empfindlichen Komponenten des Raumfahrzeugs vorzusehen, um schädliche Sonnenstrahlung zu reflektieren und abzustrahlen, damit verhindert wird, dass diese Komponenten übermäßig aufgeheizt werden.
Eine Wärmesteuerung eines Raumfahrzeugs wird typischerweise durch Abstrahlen von Wärme von den äußeren Oberflächen des Raumfahrzeugs hergestellt. Das durch die Sonne bewirkte Aufheizen und Abkühlen des Raumfahrzeugs wird durch die von dem Raumfahrzeug absorbierte Energiemenge und abgestrahlte Energiemenge bestimmt. Der Hauptanteil der von dem Raumfahrzeug absorbierten Energie, wenn es sich im Weltraum befindet, stammt von der Spitze des Sonnenstrahlenspektrums, welches eine Wellenlänge von ungefähr 400 bis 600 nm aufweist. Der Hauptanteil der abgestrahlten Energie stammt aus den Infrarotspektrum bei Wellenlängen von größer als 1.000 nm. Die anwendbare Gleichung für die Sonnenaufheizung wird dargestellt durch: aS1E0 = eS2sT4, (1) wobei a das Sonnenabsorptionsvermögen der Raumfahrzeugoberfläche, S₁ die Sonnenabsorptionsfläche, E₀ die Sonnenbestrahlungsstärke, e das Abstrahlungsvermögen der Raumfahrzeugoberfläche, S₂ die Abstrahlungsfläche, s die Stefan-Boltzmann-Konstante und T die (absolute) Temperatur ist.
Eine bekannte Wärmematte für diesen Zweck ist ein versilberter Teflon-Schichtstoffverbund. Insbesondere durch ein Kunststoffsubstrat aus Kapton mit einer Dicke von ungefähr 2 mm werden Stärke und hohes Abstrahlvermögen zur Verwendung als kaltvorgespannte Einzelschichtabschirmung zur Verfügung gestellt. Eine Polyesterhaftschicht wird auf dem Kapton-Substrat mit einer Dicke von ungefähr 1,5 mm abgeschieden. Als Nächstes wird eine Inconel-Schicht auf der Haftschicht mit einer Dicke von ungefähr 300 Angström abgeschieden. Eine Silberschicht wird dann auf der Inconel-Schicht mit ungefähr 1350 Angström Dicke vakuumabgeschieden. Die äußere Schicht ist ein 5 mm dickes FEP Typ "A"-Teflon. Dieser Aufbau ist effektiv darin, die gewünschte Sonnenabsorptionsfähigkeit und Abstahlfähigkeit bereitzustellen, um Sonnenaufheizung und Temperaturen zu minimieren. Jedoch sind Wärmematten dieser Art aus teuren Materialien gemacht und schwierig herzustellen.
Eine andere bekannte Wärmematte für diesen Zweck ist eine Kunststofffolie, wie beispielsweise Kapton, welche mit einem dünnen Germaniumfilm sputter- bzw. verdampfungsbeschichtet ist. Der Germaniumfilm stellt eine wünschenswerte Reflexionseigenschaft zum Reflektieren sichtbaren Lichts bereit. Die Kunststofffolie stellt eine gewünschte Abstrahleigenschaft zum Abstrahlen von Infrarotstrahlung bereit, welche auch dazu dient, die Hitze daran zu hindern, durch die Matte hindurchzugehen. Allgemein wird das Germanium auf die Kunststofffolie unter Verwendung bekannter Vakuumabscheideverfahren aufgesputtert. In einer alternativen Version dieser Technik zur Wärmesteuerung wird die Kunststoffschicht auf die Oberfläche des Raumfahrzeugs gemalt, und dann wird die Germaniumschicht auf der aufgemalten Kunststoffschicht vakuumabgeschieden.
Vor dem Anbringen an einem Raumfahrzeug werden große Folien des Germanium-beschichteten Kunststoffs zur Lagerung aufgerollt. Wenn ein Stück der Wärmematte benötigt wird, wird es auf die Länge geschnitten und an der gewünschten Komponente des Raumfahrzeugs angebracht. Es wurde heraus gefunden, dass während der Lagerungszeit das Germanium unter einem korrosiven Abbau leidet, wenn es Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Der korrosive Abbau erzeugt eine Korrosion bzw. Anfressen des Germaniumfilms und bewirkt, dass eine Trübung den Film bedeckt. Dieser Abbau beeinträchtigt die Reflexions- und Abstrahlungseigenschaften der Folie und macht sie für den gewünschten Zweck häufig nutzlos. Die Wärmebeschichtung kann nicht-aufgerollt oder in einer kontrollierten Umgebung gelagert werden, wodurch versucht wird, einen solchen Abbau zu verhindern, aber diese Lösungen fügen auch Kosten hinzu.
US 5,373,305 an Lepore et al. betrifft eine RF- bzw. HF-transparente Sonnenschutzmembran, welche einen Antennenreflektor wie beispielsweise eine parabolische Schüssel bedeckt. Die Membran umfasst mindestens zwei dielektrische bzw. isolierende Folien aus Polyimidfilm, welcher 1 mm dick ist. Die Oberfläche des äußeren Films, die von dem Reflektor weggewandt ist, wird mit einer aufgedampften Germaniumschicht beschichtet, welche eine Dicke im Bereich von 200 Å bis 600 Å hat. Eine Glasfasermatte ist in dem Raum zwischen den beiden dielektrischen Folien zum Aufrechterhalten einer beabstandeten Beziehung der Folien angeordnet.
Was benötigt wird, ist eine Wärmematte zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Raumfahrzeug oder einer Komponente eines Raumfahrzeugs, welche nicht unter einem korrosiven Abbau während einer Lagerung leidet und relativ preiswert ist. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Wärmematte bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung werden eine Wärmematte zum Bereitstellen einer Wärmesteuerschicht für ein Raumfahrzeug oder Komponenten eines Raumfahrzeugs, als auch deren Herstellungsverfahren offenbart. Die Wärmematte umfasst ein Substrat, auf welchem eine Siliziumschicht mittels eines Vakuumabscheideverfahrens aufgebracht worden ist sowie mindestens eine Zwischenschicht aus Germanium oder Siliziumdioxid, die zwischen entweder dem Substrat oder einer zweiten auf dem Substrat aufgebrachten Siliziumschicht und der ersten Siliziumschicht eingefügt ist, wobei die mindestens eine Zwischenschicht auch mittels eines Vakuumabscheideverfahrens abgeschieden wird. Die Siliziumschicht bzw. der Siliziumfilm stellt eine relativ hohe Durchläs sigkeit bzw. Transmission für infrarotes Licht bereit und eine bescheidene Absorption von Hochenergiebandweiten in dem Sonnenspektrum, welches die Reflexion von hochenergetischem sichtbaren Licht und die Abstrahlung von Infrarotstrahlung erlaubt. Zusätzlich ist der Siliziumfilm eine harte, robuste Beschichtung, welche einen Widerstand gegen Feuchtigkeit und andere korrosive Umwelteinflüsse bereitstellt.
Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden Diskussion und den beiliegenden Zeichnungen und Patentansprüchen klar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Raumfahrzeugs einschließlich einer Wärmesteuermatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine bildliche Darstellung eines weltraumgestützten Teleskops einschließlich einer Wärmesteuermatte gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine aufgebrochene Querschnittsansicht einer Wärmesteuermatte, welche von dem Raumfahrzeug entfernt wurde, und zwar gemäß eines bekannten Standes der Technik;
4 ist eine aufgebrochene Querschnittsicht der in 3 gezeigten Wärmesteuermatte, welche zeigt, wie Wärmeenergie davon reflektiert und emittiert bzw. abgestrahlt wird; und
5 ist eine aufgebrochene Querschnittssicht einer Wärmesteuermatte einschließlich eines Silikonfilms und anderer Schichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen, welche sich auf eine Wärmesteuermatte beziehen, ist lediglich exemplarischer Natur und dient keineswegs dazu, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Nutzungen zu beschränken. Beispielsweise ist die unten stehende Diskussion auf eine Verwendung der Wärmematte für eine passive Wärmesteuerung eines Raumfahrzeugs gerichtet. Jedoch kann die Wärmematte für eine passive Wärmesteuerung in anderen Anwendungen verwendet werden. Der Ausdruck "Wärmematte", wie er hierin verwendet wird, meint eine Abdeckung für eine Oberfläche und kann viele Formen aufweisen, wie es hierin gezeigt ist.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Raumfahrzeugs 10 einschließlich eines Raumfahrzeugkörpers 12, einer Antenne 14 und eine Solarzellenfläche 16. Das Raumfahrzeug 10 ist auf das Sonnenlicht ausgerichtet, so dass das Sonnenlicht eine passive Wärmesteuermatte 20 auf der Sonnenseite des Satellitenkörpers 12 trifft. Die Matte 20 stellt eine Wärmesteuerschicht bzw. -beschichtung zum Schutz des Raumfahrzeugkörpers 12 vor der Hitze bereit. Die Matte 20 kann auch dazu verwendet werden, andere Teile des Raumfahrzeugs 10 abzudecken. Das Raumfahrzeug 10 wird durch die absorbierte Energie (I) des Sonnenlichts aufgeheizt und wird durch von ihr abgestrahlte Energie (M) abgekühlt. Die Matte 20 ist als eigenständige Abdeckung gezeigt, welche an dem Körper 12 angebracht ist (z.B. durch Haftvermittler), sie kann aber auch auf den Körper 12 aufgemalt sein.
2 ist eine Darstellung eines weltraumgestützten Teleskops 18 einschließlich einer passiven Wärmesteuermatte 26 in Form einer Folie, welche um den Körper des Teleskops 18 herumgewickelt ist. Die Wärmematte 26 stellt eine Wärmesteuerung zum Schutz des weltraumgestützten Teleskops 18 vor der Hitze bereit, und zwar in der gleichen Weise wie die Matte 20.
3 ist eine aufgebrochene Querschnittsicht einer passiven Wärmesteuermatte 28 nach dem Stand der Technik. Die Wärmematte 28 umfasst eine Kunststoffsubstratschicht 22, auf welcher eine Siliziumschicht 24 abgeschieden ist. Die Siliziumschicht 24 wird auf dem Kunststoffsubstrat 22 mittels jedes geeigneten Vakuumabscheideverfahrens aufgebracht, wie beispielsweise durch Sputtern bzw. Verdampfen, was dem Fachmann gut bekannt ist.
4 zeigt die Reflexions- und Abstrahleigenschaften der Wärmematte 28. Die Substratschicht 22 hat eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 mm und kann aus jedem für den hierin beschriebenen Zweck geeigneten Kunststoff gemacht sein, wie beispielsweise aus Kapton.
Die Silikonschicht 24 stellt gewünschte Reflexions-, Absorptions- und Abstrahleigenschaften zur Verwendung als eine Steueroberfläche an dem Raumfahrzeug 10 bereit. Die Siliziumschicht 24 hat eine relativ hohe Durchlässigkeit bzw. Transmission für Infrarotlicht und eine bescheidene Absorption von hochenergetischen Bandweiten in dem sichtbaren Sonnenspektrum. Dies erlaubt die Reflexion von hochenergetischem sichtbaren Licht und die Abstrahlung von Infrarotstrahlung durch die Substratschicht 22. Zusätzlich stellt die Siliziumschicht 24 eine harte, robuste Schicht bereit, welche gegenüber Feuchtigkeit und korrosiven Umwelteinflüssen widerstandsfähig ist. Die Schicht 24 reduziert Sonnenabsorption und erlaubt eine Wärmeabstrahlung, welches eine passive Wärmesteuerung von Oberflächen ermöglicht, welche einer Wärmestrahlung ausgesetzt sind. Außerdem ist die Wärmematte 28 leicht.
Die Silikonschicht 24 stellt auch eine Zahl anderer positiver Merkmale bereit. Das Silizium ist widerstandsfähig gegenüber atomarem Sauerstoff, widerstandsfähig gegenüber einer Beschädigung durch Sonnenstrahlung, stellt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zum Verhindern einer elektrostatischen Entladung bereit, ist gegen terrestrische Korrosion widerstandsfähig und zeigt eine hervorragende Haftung auf Kapton.
Die Verwendung einer Siliziumschicht in Kombination mit einem Kapton-Substrat für eine passive Wärmesteuerung kann auch auf die Verwendung von Silizium in Kombination mit anderen Schichten bzw. Beschichtungen ausgedehnt werden. Beispielsweise kann auch die Kombination von Germanium und Silizium verwendet werden, wobei die Siliziumschicht auf der Außenseite ist. Zusätzlich kann ein Einbringen einer Germaniumschicht zwischen zwei Siliziumschichten verwendet werden, welche auf der Substratschicht 22 abgeschieden sind. Zusätzlich kann auch eine Kombination von Silizium, Germanium und Siliziumdioxid verwendet werden. Jedoch erzielt die Verwendung von Silizium alleine die besten Ergebnisse. Tabelle 1 unten gibt die Testergebnisse für verschiedene Kombinationen von Silizium, Germanium und Siliziumdioxid an. Diese Tabelle umfasst die Schichtdicken, die Gesamtdicke der Kombination der Schichten und die Absorption (∝) und Abstrahlung (∈) der Kombination der Schichten an.
Tabelle 1
5 zeigt eine aufgebrochene Querschnittsansicht einer Wärmematte 30 einschließlich der Kapton-Substratschicht 22 und drei Steuerschichten 32, 34 und 36 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Matte 30 kann die Matte 28 an dem Raumfahrzeug für bestimmte Anwendungen ersetzen. Die Steuerschichten 32 bis 36 können in jeder Kombination von hierin vorgeschlagenen Schichten vorliegen, beispielsweise als Silizium-Germanium-Silizium oder Silizium-Germanium-Siliziumdioxid.
Die oben geführte Diskussion offenbart und beschreibt lediglich exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann würde sofort erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen dazu durchgeführt werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Eine passive Wärmesteuermatte (30), bei der die Matte umfasst: – ein Substrat (22); – eine Siliziumschicht (36) auf dem Substrat (22), wobei das Substrat und die Siliziumschicht die Matte (30) mit vorgewählten Abstrahleigenschaften für Infrarot-Energie und Reflexionseigenschaften für sichtbares Licht ausstatten, um eine Wärmesteuerung für ein damit bedecktes Objekt bereitzustellen; und – mindestens eine Zwischenschicht (32, 34) aus Germanium oder Siliziumdioxid, die zwischen entweder dem Substrat oder einer zweiten, auf dem Substrat aufgebrachten Siliziumschicht und der ersten Siliziumschicht eingebracht ist.
Die Matte (30) nach Anspruch 1, wobei das Objekt ein Raumfahrzeug (10) ist, und die Siliziumschicht (36) eine Dicke zwischen 500 und 3000 Ångström aufweist.
Die Matte (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (22) ein Plastiksubstrat ist.
Die Matte (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matte (30) in Form einer flexiblen Folie vorliegt, welches um das Objekt herum gewickelt werden kann.
Ein Raumfahrzeug (10), umfassend einen Gehäusebereich (12) mit mindestens einer Oberfläche, an der eine passive Wärmesteuermatte (30) nach Anspruch 1 befestigt ist.
Das Raumfahrzeug (10) nach Anspruch 5, wobei die Siliziumschicht (36) eine Dicke zwischen 500 und 3000 Ångström aufweist.
Das Raumfahrzeug (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Substrat (22) ein Plastiksubstrat ist.
Das Raumfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Matte (30) in Form einer flexiblen Folie vorliegt, welches um die Oberfläche herum gewickelt werden kann.
Das Raumfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Matte (30) entweder mittels eines Klebers am Gehäusebereich (12) befestigt ist oder wobei die Matte (30) auf den Gehäusebereich (12) aufgetragen ist.
Ein Verfahren zum Schützen eines Objektes vor Hitze, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Vakuumabscheiden einer Germaniumschicht oder einer Siliziumdioxid-Schicht, um eine Zwischenschicht (32, 34) auf einem Substrat (22) oder auf einer auf dem Substrat (22) abgeschiedenen Siliziumschicht zu bilden; – Vakuumabscheiden einer Siliziumschicht (36) auf der Zwischenschicht (32, 34), um eine Wärmesteuermatte (30) zu bilden; und – Bedecken des Objekts so, dass die Siliziumschicht (36) auf einer äußeren Oberfläche der Matte (30) ist.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Siliziumschicht (36) auf dem Substrat (22) mit einer Dicke zwischen 500 und 3000 Ångström abgeschieden wird.
Das Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Substrat (12) eine flexible Kunststofffolie ist, und wobei das Objekt in die Matte (30) eingehüllt ist.