NL1017404C2

NL1017404C2 - Spacecraft.

Info

Publication number: NL1017404C2
Application number: NL1017404A
Authority: NL
Inventors: Tom Jacobus Van Baten; Jeroen Buursink
Original assignee: Univ Delft Tech
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2002-08-20
Also published as: WO2002066326A1

Description

•» ·»• »·»

RuimtevaartuigSpacecraft

De uitvinding heeft betrekking op een ruimtevaartuig voorzien van een huidlaag en een koelorgaan voor de huidlaag dat een achter de huidlaag aangebrachte vloeistofhoudende laag omvat.The invention relates to a spacecraft provided with a skin layer and a cooling member for the skin layer which comprises a liquid-containing layer arranged behind the skin layer.

5 Een dergelijk ruimtevaartuig is bekend uit het Ame rikaans octrooischrift US-A-5,322,725. Deze publicatie heeft betrekking op een passief thermisch beschermingssysteem voor ruimtevaartuigen, waarvan een laag keramisch isolatiemateriaal deel uitmaakt in combinatie met een waterhoudende laag, 10 gevormd door een keramische gel waarin het water is opgenomen. Koeling wordt verkregen doordat bij het toenemen van de temperatuur van de keramische isolatielaag water uit de gel verdampt, hetgeen zoals bekend een koeleffect oplevert. Voor hergebruik kan de gel weer worden verrijkt met koelwater of 15 een ander koelmiddel zoals ethanol.Such a spacecraft is known from the American patent US-A-5,322,725. This publication relates to a passive thermal protection system for spacecraft, of which a layer of ceramic insulating material forms part in combination with an aqueous layer formed by a ceramic gel in which the water is incorporated. Cooling is achieved by the evaporation of water from the gel as the temperature of the ceramic insulating layer increases, which, as is known, produces a cooling effect. For reuse, the gel can again be enriched with cooling water or another cooling agent such as ethanol.

Ook is bekend een ruimtevaartuig dat, teneinde bestand te zijn tegen de extreem hoge temperaturen die aan de huidlaag optreden wanneer het ruimtevaartuig de dampkring herintreedt, bekleed is met vele afzonderlijke keramische te-20 gels die als zodanig geen constructieve bijdrage aan het ruimtevaartuig geven. Dit ruimtevaartuig heeft het nadeel dat wanneer hergebruik wenselijk is, een uitvoerige en kostbare inspectie nodig is, doordat deze tegels daartoe dienen te worden gedemonteerd en gehermonteerd.Also known is a spacecraft which, in order to withstand the extremely high temperatures that occur on the skin layer when the spacecraft re-enters the atmosphere, is covered with many separate ceramic tiles which as such do not make a constructive contribution to the spacecraft. This spacecraft has the disadvantage that, if reuse is desired, a comprehensive and costly inspection is required, because these tiles have to be disassembled and re-assembled for this purpose.

25 Het is derhalve doelstelling van de uitvinding een relatief goedkope constructie van het ruimtevaartuig te verschaffen, waarbij een effectie warmteafvoer van de huidlaag bij in de dampkring terugkerende voertuigen kan plaatsvinden. Tevens is een doelstelling van de uitvinding om verdere voor-30 delen te bereiken die in het navolgende verder zullen worden toegelicht.It is therefore an object of the invention to provide a relatively inexpensive construction of the spacecraft, wherein an effective heat dissipation of the skin layer can take place in vehicles returning to the atmosphere. It is also an object of the invention to achieve further advantages which will be further elucidated below.

In een eerste aspect van de uitvinding is het ruimtevaartuig er daartoe door gekenmerkt, dat tussen de vloeistofhoudende laag en de huidlaag een loze tussenruimte aanwe-35 zig is, zodat warmteoverdracht door geleiding tussen de huidlaag en de vloeistofhoudende laag wordt tegengegaan.In a first aspect of the invention, the spacecraft is therefore characterized in that an empty space is present between the liquid-containing layer and the skin layer, so that heat transfer through conduction between the skin layer and the liquid-containing layer is prevented.

1017404 2 * «1017404 2 * «

Een dergelijke constructie leidt tot warmteafvoer van de huidlaag naar de vloeistofhoudende laag, welke in hoofdzaak is gebaseerd op straling. De warmteafvoer zal daardoor in essentie alleen plaatsvinden bij relatief hoge tempe-5 ratuurverschillen tussen de huidlaag en de vloeistofhoudende laag, dat wil zeggen in het bijzonder gedurende een korte periode dat het ruimtevaartuig terugkeert in de dampkring. Door toepassing van de loze tussenruimte tussen de huidlaag en de vloeistofhoudende laag ontstaan daarbij ondanks de hoge tem-10 peratuurverschillen geen constructieve problemen ten gevolge van uitzettingsverschillen. Bovendien is de voor de koeling benodigde hoeveelheid vloeistof (en het gewicht daarvan), relatief gering.Such a construction leads to heat dissipation from the skin layer to the liquid-containing layer, which is mainly based on radiation. The heat dissipation will therefore essentially only take place at relatively high temperature differences between the skin layer and the liquid-containing layer, i.e. in particular during a short period of time that the spacecraft returns to the atmosphere. By using the empty gap between the skin layer and the liquid-containing layer, no structural problems arise as a result of expansion differences, despite the high temperature differences. Moreover, the amount of liquid (and the weight thereof) required for cooling is relatively small.

Een verder aspect van de uitvinding is erin gelegen, 15 dat de huidlaag is gevormd uit een metaal dat bestendig is tegen temperaturen tot maximaal ca. 1250°C. Ten opzichte van de stand van de techniek levert dit een zeer goed inspecteer-bare constructie, zodat het hergebruik van het aldus gevormde ruimtevaartuig weinig kosten voor inspectie met zich zal mee-20 brengen. De constructie als zodanig is bovendien eenvoudig en relatief goedkoop. In het gebruik van de metalen huidlaag is verder nog het voordeel gelegen, dat bij het terugtreden in de dampkring de daarbij optredende stroming om het ruimtevaartuig geen chemische verontreiniging zal opleveren.A further aspect of the invention is that the skin layer is formed from a metal that is resistant to temperatures up to a maximum of approximately 1250 ° C. Compared to the state of the art, this provides a very easily inspectable construction, so that the reuse of the spacecraft thus formed will entail few inspection costs. Moreover, the construction as such is simple and relatively inexpensive. The use of the metal skin layer further has the advantage that, upon retreat into the atmosphere, the resulting flow around the spacecraft will not cause any chemical contamination.

25 In weer een verder aspect van de uitvinding is het wenselijk, dat de vloeistofhoudende laag een poreus materiaal omvat dat geschikt is om water bij omgevingstemperaturen onder het kookpunt van water vast te houden, en om dit water bij omgevingstemperaturen boven het kookpunt van water vrij 30 te geven.In yet a further aspect of the invention, it is desirable that the liquid-containing layer comprises a porous material that is suitable for retaining water at ambient temperatures below the boiling point of water, and to free this water at ambient temperatures above the boiling point of water. to give.

In een verder aspect van de uitvinding heeft het de voorkeur dat het poreuze materiaal is gevormd uit vezels van alumina (aluminium-oxide) gebonden door silicium-oxide.In a further aspect of the invention, it is preferred that the porous material is formed from alumina (aluminum oxide) fibers bonded by silicon oxide.

Dit materiaal is een zeer goede isolator, is bestand 35 tegen zeer hoge temperaturen, en heeft een groot vloeistof opnemend vermogen. Stijfheid en dichtheid zijn eenvoudig aan te passen aan de door de toepassing bepaalde eisen; het vloeistofhoudend vermogen wordt niet zeer sterk daardoor be- 1017404 'l 3 invloed. Het is voordelig om het poreuze materiaal aan haar oppervlakte te voorzien van een vloeistofdoorlatende coating met een absorptie/emissie-coëfficiënt van tenminste 0.85.This material is a very good insulator, can withstand very high temperatures, and has a large liquid-absorbing capacity. Stiffness and density can easily be adjusted to the requirements determined by the application; the liquid holding capacity is not very strongly influenced thereby. It is advantageous to provide the porous material on its surface with a liquid-permeable coating with an absorption / emission coefficient of at least 0.85.

Voor wat betreft de dimensionering van het ruimte-5 vaartuig heeft het de voorkeur, dat de tussenruimte een afstand tussen de vloeistofhoudende laag en de huidlaag verschaft die selectief wordt bepaald in afhankelijkheid van een gewenste door convectie veroorzaakte koeling van de huidlaag. Primair dient met de tussenruimte geleiding tussen de huid-10 laag en de vloeistofhoudende laag te worden voorkomen, zodat koeling in hoofdzaak gebaseerd op straling wordt verkregen. Daarnaast zal de ten gevolge van de verschafte stralingskoe-ling uit de vloeistofhoudende laag ontwijkende vloeistof die in de tussenruimte treedt, een additionele koeling door con-15 vectie opleveren, waarvan het effect door geschikte keuze van de dimensionering van de tussenruimte kan worden geoptimaliseerd .With regard to the dimensioning of the spacecraft, it is preferred that the spacing provide a distance between the liquid-containing layer and the skin layer which is selectively determined in dependence on a desired cooling of the skin layer caused by convection. Primarily, with the spacing conduction between the skin layer and the liquid-containing layer must be prevented, so that cooling is mainly based on radiation. In addition, the liquid escaping from the liquid-containing layer as a result of the radiation cooling provided, which enters the gap, will provide additional cooling through inspection, the effect of which can be optimized by suitable choice of the dimensioning of the gap.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.The invention will now be further elucidated with reference to the drawing.

20 In de tekening is in een enkele figuur een detail van de wand van een ruimtevaartuig getoond, welke gevormd is in overeenstemming met de uitvinding.In the drawing, in a single figure, a detail of the wall of a spacecraft is shown, which is formed in accordance with the invention.

De figuur toont een wand 1 van een ruimtevaartuig welke voorzien is van een huidlaag 2 en een koelorgaan 3 voor 25 de huidlaag 2, welke een achter de huidlaag 2 aangebrachte . vloeistofhoudende laag 4 omvat. Deze vloeistofhoudende laag 4 kan geschikt zijn voor het houden van water of een andere voor koeling geschikte vloeistof, zoals ethanol of dergelijke. De figuur toont dat volgens de uitvinding tussen de 30 vloeistofhoudende laag 4 en de huidlaag 2 een loze tussenruimte 5 aanwezig is. Deze loze tussenruimte 5 voorkomt in wezen de warmteoverdracht tussen de huidlaag 2 en vloeistofhoudende laag 4 door geleiding.The figure shows a wall 1 of a spacecraft which is provided with a skin layer 2 and a cooling member 3 for the skin layer 2, which is arranged behind the skin layer 2. liquid-containing layer 4. This liquid-containing layer 4 can be suitable for holding water or another liquid suitable for cooling, such as ethanol or the like. The figure shows that according to the invention there is an empty space 5 between the liquid-containing layer 4 and the skin layer 2. This empty gap 5 essentially prevents heat transfer between the skin layer 2 and the liquid-containing layer 4 by conduction.

.De hoge temperaturen die de huidlaag 2 bereikt bij 35 herintreding van het ruimtevaartuig in de dampkring, worden in hoofdzaak gekoeld door stralingsoverdracht naar de vloeistofhoudende laag 4. Deze constructie maakt mogelijk dat de huidlaag 2 is gevormd uit een metaal dat bestendig is tegen 1017404 4 ^ ·.The high temperatures which the skin layer 2 reaches upon the spacecraft re-entering the atmosphere are cooled mainly by radiation transfer to the liquid-containing layer 4. This construction allows the skin layer 2 to be formed from a metal which is resistant to 1017404 4 ^ ·.

temperaturen tot maximaal circa 1250°C, en dat bij die temperaturen voldoende sterkte en stijfheid houdt om de integriteit van de constructie van het ruimtevaartuig te waarborgen. De dikte van de huidlaag 2 dient vanwege de beperking van het 5 gewicht en het beperken van temperatuur-(-spannings-)gradiënten over de dikte van de huid zo dun mogelijk te zijn, echter zo dik dat voldaan wordt aan de eisen van stijfheid (in verband met trillingen tijdens de lancering en terugkeer in de dampkring) en sterkte (weerstand bieden tegen de aëro-10 dynamische drukken). De vloeistofhoudende laag 4 is bij voorkeur gevormd uit een poreus materiaal dat geschikt is om water bij omgevingstemperaturen onder het kookpunt van water vast te houden, en om dit water bij omgevingstemperaturen boven het kookpunt van water vrij te geven. De tussenruimte 5 15 verschaft een afstand tussen de vloeistofhoudende laag 4 en de huidlaag 2, welke in de praktijk enkele millimeters tot maximaal een centimeter bedraagt. Deze afstand is voldoende om de gewenste additionele koeling door convectie te creëren, ten gevolge van damp die uit de vloeistofhoudende laag 4 is 20 uitgetreden en via de tussenlaag 5 ontwijkt.temperatures up to a maximum of approximately 1250 ° C, and which maintains sufficient strength and rigidity at those temperatures to guarantee the integrity of the spacecraft's construction. Due to the limitation of the weight and the limitation of temperature (stress) gradients over the thickness of the skin, the thickness of the skin layer 2 must be as thin as possible over the thickness of the skin, but so thick that the requirements of stiffness are met ( in connection with vibrations during the launch and return to the atmosphere) and strength (to resist the aerodynamic dynamic pressures). The liquid-containing layer 4 is preferably formed from a porous material that is suitable for retaining water at ambient temperatures below the boiling point of water, and for releasing this water at ambient temperatures above the boiling point of water. The gap 5 provides a distance between the liquid-containing layer 4 and the skin layer 2, which in practice amounts to a few millimeters up to a centimeter. This distance is sufficient to create the desired additional cooling by convection, as a result of vapor which has emerged from the liquid-containing layer 4 and escapes via the intermediate layer 5.

10174041017404

Claims

1. A spacecraft provided with a skin layer and a cooling member for the skin layer comprising a liquid-containing layer arranged behind the skin layer, characterized in that an empty space is present between the liquid-containing layer and the skin layer, so that heat transfer by conduction between the skin layer and the liquid-containing layer is prevented.

2. A spacecraft according to claim 1, characterized in that the skin layer is formed from a metal that is resistant to temperatures up to a maximum of approximately 1250 ° C.

3. Spacecraft as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the liquid-containing layer comprises a porous material which is suitable for retaining water at ambient temperatures below the boiling point of water, and for freeing this water at ambient temperatures above the boiling point of water to give.

A spacecraft according to claim 3, characterized in that the porous material is formed from fibers of alumina (aluminum oxide) bonded by silicon oxide.

A spacecraft according to claim 3 or 4, characterized in that the porous material is provided on its surface with a liquid-permeable coating with an absorption / emission coefficient of at least 0.85.

6. A spacecraft according to any one of the preceding claims, characterized in that the spacing provides a distance between the liquid-containing layer and the skin layer which is selectively determined in dependence on a desired cooling of the skin layer caused by convection. 1017404