RU2268439C1 - Способ тепловой и механической защиты объекта - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к средствам защиты микроэлектронных регистраторов информации и может быть использовано в защищенных бортовых накопителях полетной информации самолетов и вертолетов. Защита микроэлектронного оборудования от разрушающих факторов согласно изобретению осуществляется посредством многослойной оболочки, содержащей последовательно расположенные вглубь защитные слои: наружный, промежуточный и внутренний, а также биморфное теплозащитное покрытие наружного слоя, причем каждый слой и покрытие выполняют определенную защитную функцию. Биморфное теплозащитное покрытие, предназначенное для пассивной теплозащиты регистратора, обеспечивает ее благодаря резкому увеличению объема и степени пористости материала покрытия при тепловом воздействии пламенем на него, приводящим к существенному возрастанию толщины и теплового сопротивления покрытия. Наружный слой предназначен для обеспечения ударожаропрочности защитной оболочки. Промежуточный слой, предназначенный для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта, выполняет функции теплоизолятора. Внутренний слой обеспечивает активную теплозащиту микроэлектронного регистратора. С этой целью его образуют из кристаллических соединений, содержащих кристаллизационную воду. Техническим результатом изобретения является эффективная защита охраняемого объекта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к средствам защиты микроэлектронного оборудования от внешних разрушающих факторов, таких как высокотемпературные огневые воздействия, ударные перегрузки, статические давления, а также от длительного воздействия повышенной температуры, и может быть использовано, например, при создании защищенных бортовых накопителей полетной информации для самолетов и вертолетов, а также защищенных накопителей информации для других транспортных средств: тепловозов, судов, автомобилей и пр.

Известен способ защиты микроэлектронного оборудования от воздействия высокой температуры, основанный на подаче в защищаемый объем, содержащий сохраняемое микроэлектронное оборудование, охлаждающей жидкости (см. патент РФ №2042294, Н 05 К 7/20, 1995 г.).

В известном способе защищаемый микроэлектронный объект размещают в герметичном контейнере, соединенном с системой подачи и циркуляции охлаждающей диэлектрической жидкости, испарение которой на внутренних поверхностях стенок герметичного контейнера и наружных поверхностях микроэлектронного объекта приводит к охлаждению последнего и защищает его от перегрева.

Недостатком известного способа является необходимость использования дополнительной системы подачи и циркуляции охлаждающей жидкости, что увеличивает размеры защитного устройства, снижает его надежность и затрудняет использование в качестве бортовой аппаратуры транспортного средства.

Также известен способ механической и тепловой защиты микроэлектронного оборудования, осуществленный в блоке накопления информации БНИ, входящем в состав системы диагностики и контроля СДК-8, предназначенной для регистрации полетной информации вертолетов (см. Руководство по технической эксплуатации 6Т1.412.001РЭ. Система диагностики и контроля СДК-8, с.32. Изд. ОАО «Техприбор», СПб, 2001 г.).

В указанном устройстве известный способ реализован путем создания защитной слоистой оболочки, окружающей защищаемый объем, в котором размещен сохраняемый микроэлектронный объект: твердотельная карта памяти, предназначенная для регистрации полетной информации вертолета.

Защитная слоистая оболочка блока состоит из внешнего кожуха и двух защитных слоев: наружного и внутреннего, каждый из которых выполняет определенную защитную функцию. Наружный слой защитной оболочки, выполненный из огнестойкого теплоизолирующего пористого материала, предназначен для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта после аварии вертолета, сопровождаемой пожаром, при воздействии на блок внешнего одностороннего теплового потока с температурой пламени до 1100°С.

Наружный слой защитной оболочки обеспечивает пассивную теплозащиту сохраняемого объекта путем создания на толщине слоя перепада температуры, позволяющего поддерживать в течение 30 минут температуру внутренней поверхности слоя, не превышающую 150°С, при температуре внешней поверхности слоя 1100°С.

Внутренний слой защитной оболочки представляет собой массивный металлический корпус, выполненный из ударожаропрочных металлических сплавов и предназначенный для защиты сохраняемого объекта в момент аварии от внешних разрушающих механических факторов.

Наружный и внутренний слои защитной слоистой оболочки размещены внутри внешнего тонкостенного металлического кожуха с нанесенными на его внешнюю поверхность опознавательными знаками и предупредительными надписями, облегчающими поисковые работы по обнаружению блока накопления информации «черного ящика» после аварии, не сопровождаемой пожаром.

Известный способ надежно выполняет защиту твердотельной микроэлектронной карты памяти от воздействия внешних механических разрушающих факторов, а также от одностороннего, т.е. направленного только на одну из сторон внешнего кожуха, высокотемпературного воздействия, но не в состоянии обеспечить тепловую защиту при всестороннем огневом воздействии на кожух с температурой 1100°С в течение 30 минут.

Указанный недостаток известного способа не позволяет использовать его на новых и модернизированных вертолетах, так как в соответствии с отраслевым стандартом (см. ОСТ 1 01080-95. Устройства регистрации бортовые с защищенными накопителями, п.6.2.11, с.11), тепловое воздействие пламенем на защищенный накопитель информации должно быть всесторонним, т.е. направленным на блок со всех шести сторон.

Указанный недостаток преодолен в наиболее близком к заявленному и принятом за прототип способе тепловой защиты, основанном на создании вокруг сохраняемого микроэлектронного объекта защитной слоистой оболочки, предохраняющей его от воздействия внешних тепловых и механических разрушающих факторов (см. патент РФ №2162189, F 16 L 59/02, G 12 В 17/06, В 64 С 1/38, B 64 G 1/58, 2001 г.).

В этом способе защитную оболочку сохраняемого объекта формируют из нескольких последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористоволокнистого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из пористого водосодержащего материала, заключенного между теплоотражающими прокладками, изготовленными из металлизированной полимерной пленки.

Наружный слой защитной оболочки обеспечивает защиту сохраняемого объекта от внешних разрушающих механических и огневых воздействий за счет ударожаропрочности материала слоя. Промежуточный теплозащитный слой обеспечивает пассивную теплозащиту сохраняемого объекта за счет низкой теплопроводности сухого пористоволокнистого материала слоя. Внутренний теплозащитный слой обеспечивает активную теплозащиту сохраняемого объекта за счет поглощения теплоты при кипении воды, находящейся в порах водосодержащего материала. Активная теплозащита позволяет поддерживать температуру защищаемого объема не выше точки кипения воды 100°С в течение всего времени выкипания. Теплоотражающие прокладки способствуют дополнительному понижению температуры защищаемого объема за счет частичного отражения внешнего теплового потока теплоотражающими поверхностями прокладок.

Известный способ эффективно решает задачу защиты сохраняемого объекта от разрушающих механических факторов и высокотемпературных воздействий, обеспечивая защиту микроэлектронного оборудования при внешнем всестороннем огневом воздействии с температурой до 1100°С в течение 30 минут, ударных перегрузках до 3400 g и статических давлениях до 600 атм.

Однако в соответствии с международными требованиями TSO (см. «Technical Standart Order», TSO-C124a, Washington, DC; 8/1/96) к бортовым защищенным накопителям полетной информации самолетов и вертолетов, сохраняемый объект, помимо вышеперечисленных разрушающих механических факторов и высокотемпературных воздействий, должен выдерживать также и длительное всестороннее воздействие повышенной температуры 260°С в течение 10 часов. Кроме того, согласно требованиям TSO, время всестороннего высокотемпературного воздействия 1100°С должно составлять не менее 1 часа.

Для выполнения известным способом требования TSO по длительности всестороннего высокотемпературного воздействия не менее 1 часа необходимо значительное увеличение толщин промежуточного и внутреннего слоев, т.е. существенное увеличение объема защитной оболочки, что приводит к недопустимому для бортового оборудования возрастанию ее габаритных размеров.

Для выполнения требования TSO по стойкости к длительному, до 10 часов всестороннему воздействию повышенной температуры 260°С известный способ малоэффективен.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача обеспечения защиты сохраняемого микроэлектронного объекта при воздействии на него механических и тепловых перегрузок, в том числе при всестороннем воздействии высокой температуры 1100°С в течение 1 часа, а также при длительном всестороннем воздействии повышенной температуры 260°С в течение 10 часов.

Для эффективной защиты сохраняемого объекта предлагаются новые технические решения.

С целью выполнения поставленной задачи в способе тепловой и механической защиты объекта, включающем его размещение внутри защитной слоистой оболочки, состоящей из последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из водосодержащего материала, заключенного между наружной и внутренней теплоотражающими прокладками, новым, согласно изобретению является то, что дополнительно на внешней поверхности наружного ударожаропрочного слоя формируют биморфное теплозащитное покрытие из теплоизоляционного композиционного материала, обладающего адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя и способностью увеличивать свой объем не менее чем в 10 раз, при тепловом воздействии пламенем на него. Для этого покрывают внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя теплоизоляционным композиционным материалом в текучем состоянии и производят операцию отвердевания материала путем его нагревания до температуры твердения, при этом наружный ударожаропрочный слой перфорируют сквозными дренажными отверстиями, диаметр каждого из которых выбирают не превышающим половины толщины наружного ударожаропрочного слоя, теплоотражающие прокладки изготавливают из металлической фольги, причем наружную теплоотражающую прокладку перфорируют, внутренний теплозащитный слой формируют с использованием не менее чем двух кристаллогидратов, таких, что температура обезвоживания первого из них превышает точку кипения воды, а температура обезвоживания второго превосходит температуру обезвоживания первого кристаллогидрата не менее чем в два раза.

Кроме того, согласно изобретению, внутренний теплозащитный слой образуют не менее чем из двух прослоек: наружной и внутренней, разделенных между собой промежуточной теплоотражающей металлической перфорированной прокладкой, при этом наружную прослойку формируют с использованием менее термостойкого кристаллогидрата, чем кристаллогидрат внутренней прослойки.

Поясним это более подробно

Во-первых, предлагается дополнительно наносить на внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя теплоизоляционное биморфное теплозащитное покрытие. Биморфное теплозащитное покрытие представляет собой тонкую, толщиной около 1,5÷2 мм оболочку, выполненную из теплоизоляционного композиционного материала, который в зависимости от внешней температуры может находиться в одной из двух устойчивых морфологических модификаций: модификации с монолитной макроструктурой и модификации с пористой макроструктурой.

Модификация с монолитной структурой, устойчивая до 220°С, переходит при температуре выше 250°С в состояние с пористой структурой; в диапазоне температур 220÷250°С теплоизоляционный композиционный материал биморфного покрытия находится в промежуточном состоянии.

Низкотемпературная модификация биморфного теплозащитного покрытия обладает адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя и позволяет формировать на ней гладкое, механически прочное пленочное покрытие, допускающее окраску внешней поверхности.

Высокотемпературная модификация, образующаяся после воздействия на пленочное покрытие внешней температуры выше 250°С, представляет собой высоковспененную структуру с толщиной, многократно превосходящей толщину исходного пленочного покрытия.

Теплоизоляционные свойства высокотемпературной модификации высоки, что позволяет надежно защищать наружный ударожаропрочный слой от внешних высокотемпературных воздействий.

Во-вторых, внутренний теплозащитный водосодержащий слой предлагается формировать из материалов, содержащих воду не в свободном состоянии, в порах пористо-волокнистого материала, как это осуществлено в известном способе, а в кристаллически-связанном состоянии в структуре кристаллической решетки кристаллогидрата - кристаллического соединения, содержащего связанную, т.н. кристаллизационную воду. Использование кристаллогидратов для формирования внутреннего теплозащитного слоя позволяет существенно повысить эффективность теплозащиты внутреннего слоя, поскольку для испарения кристаллизационной воды, входящей в состав кристаллогидрата, требуется значительно большее количество тепла, чем для испарения эквивалентной массы свободной воды, находящейся в порах пористо-волокнистого материала.

Помимо этого, в изобретении предлагаются новые технические решения, направленные на дальнейшее повышение теплозащитных функций защитной слоистой оболочки. Так, например, предлагается изготавливать теплоотражающие прокладки не из металлизированного полимера, как в известном способе, а из металлической фольги, обладающей принципиально более высокой термостойкостью по сравнению с полимерным материалом. Для дренирования водяных паров, образующихся при тепловом разложении кристаллогидратов, предлагается перфорировать металлическую фольгу наружной теплоотражающей прокладки. Для повышения отражательной способности прокладок предлагается полировать их теплоотражающие поверхности.

Кроме того, в предлагаемом способе для обеспечения эффективного режима охлаждения промежуточного теплозащитного слоя водяным паром, образующимся при обезвоживании кристаллогидратов, предлагается перфорировать наружный ударожаропрочный слой дренажными отверстиями с определенным соотношением длины и диаметра каждого отверстия, обеспечивающим эффективное охлаждение внутреннего теплозащитного слоя водяным паром за счет создания внутри защитной слоистой оболочки избыточного давления водяного пара.

В изобретении также предлагается для повышения эффективности активной теплозащиты образовывать внутренний теплозащитный слой не менее, чем из двух теплозащитных прослоек, причем наружную прослойку предлагается формировать с использованием кристаллогидрата, менее термостойкого, чем кристаллогидрат внутренней теплозащитной прослойки. Прослойки предлагается отделять одну от другой с помощью промежуточной теплоотражающей металлической перфорированной прокладки.

Для более полного раскрытия сущности изобретения на чертеже представлено сечение защитной слоистой оболочки, осуществляющей предложенный способ.

Сохраняемый объект 1 размещен в защищаемом объеме 2, расположенном внутри защитной слоистой оболочки, включающей:

- биморфное теплозащитное покрытие 3, образованное из теплоизоляционного композиционного материала, нанесенного на внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4, обладающего адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя 4 и свойством вспениваться при тепловом воздействии пламенем на покрытие с многократным увеличением объема и теплоизоляционных свойств материала;

- наружный ударожаропрочный слой 4, изготовленный из жаростойких металлов и перфорированный дренажными отверстиями 5, диаметр каждого из которых выбран не превышающим половины толщины наружного ударожаропрочного слоя 4;

- промежуточный теплозащитный слой 6, предназначенный для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта 1 и выполненный из огнеупорного сухого пористого материала;

- внутренний теплозащитный слой 7, предназначенный для активной теплозащиты сохраняемого объекта 1 и образованный из материала, в состав которого входят кристаллогидраты: кристаллические соединения, содержащие кристаллизационную воду;

- внутренний теплозащитный слой 7 составлен не менее чем из двух различных кристаллогидратов с отличающимися между собой температурами обезвоживания: у одного из кристаллогидратов эта температура превышает точку кипения воды, а у другого превосходит температуру обезвоживания первого кристаллогидрата не менее чем в два раза. На наружной и внутренней поверхностях внутреннего теплозащитного слоя 7 расположены соответственно наружная 8 и внутренняя 9 теплоотражающие прокладки, изготовленные из металлической, например алюминиевой, фольги и предназначенные для отражения внешнего теплового потока, причем наружная теплоотражающая прокладка 8 перфорирована для возможности дренирования сквозь нее водяных паров. Внутренний теплозащитный слой 7 может содержать не менее чем две прослойки: наружную 10 и внутреннюю 11, разделенные между собой промежуточной теплоотражающей металлической перфорированной прокладкой 12, изготовленной из перфорированной металлической фольги, при этом кристаллогидрат, входящий в состав материала внутренней прослойки 11, выбран с температурой обезвоживания, превышающей температуру обезвоживания кристаллогидрата наружной прослойки 10 не менее чем в два раза, а температура обезвоживания кристаллогидрата наружной прослойки 10 выбрана с температурой обезвоживания, превышающей точку кипения воды.

Геометрическая форма предлагаемой защитной слоистой оболочки может быть сферической, цилиндрической, призматической и т.п. Представленная на фигуре защитная оболочка со сферической геометрией является наиболее компактной и теплоударостойкой из перечисленных.

Наружный ударожаропрочный слой 4 защитной сферической оболочки может быть составлен из полусфер 13, соединенных между собой, например, посредством сварного шва 14, допускающего возможность разъединения полусфер 13, например, для доступа к сохраняемому объекту 1 после аварии путем удаления шва 14.

Биморфное теплозащитное покрытие 3 выполняют из монолитного гладкого материала, внешняя поверхность которого допускает окраску с нанесением опознавательных знаков и предупредительных надписей, предусмотренных нормами летной годности и облегчающих поиск «черного ящика» после аварии, не сопровождаемой пожаром.

Биморфное теплозащитное покрытие 3 может находиться в двух устойчивых морфологических состояниях: состоянии с монолитной структурой, устойчивой до температур, не превышающих 220°С, и состоянии с пористой структурой, устойчивой при температурах более 250°С. В диапазоне температур 220÷250°С материал покрытия находится в метастабильном промежуточном состоянии.

В случае, когда в результате аварии возникает пожар, возможны две, указанные в TSO аварийные ситуации: ситуация с активным всесторонним огневым воздействием на сохраняемый объект пламени с температурой 1100°С в течение 1 часа и ситуация с тлеющим всесторонним огневым воздействием на сохраняемый объект при температуре тления 260°С в течение 10 часов.

В каждой из двух указанных ситуаций материал биморфного теплозащитного покрытия 3 защитной оболочки, нанесенный на внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4, подвергается непосредственному огневому воздействию и после нагревания выше предела теплостойкости 250°С размягчается и вспенивается.

Для получения необходимых механических и теплозащитных свойств биморфного теплозащитного покрытия 3 его образуют из композита, содержащего не менее чем три компонента: вспенивающуюся теплостойкую основу, вспенивающий агент и модификатор.

Вспенивающаяся теплостойкая основа представляет собой вещество, обладающее способностью образовывать жесткую теплостойкую высоковспененную структуру с сообщающимися порами, возникающую в результате теплового размягчения и вспенивания при достижении предела теплостойкости в результате внутреннего газообразования, стимулированного каталитическим действием вспенивающего агента. Вспенивающий агент представляет собой катализатор, обеспечивающий интенсивное газовыделение во вспенивающемся материале при достижении им предела теплостойкости. Модификатор представляет собой связующую добавку, придающую материалу биморфного теплозащитного покрытия 3 требуемые механические свойства: монолитность, гладкость, механическую прочность к ударам и истиранию, а также адгезию к материалу наружного ударожаропрочного слоя 4.

В качестве вспенивающейся теплостойкой основы может быть использована, например, фенолоальдегидная смола с пределом теплостойкости не менее 150°С, в качестве вспенивающего агента - ПАВ (поверхностно-активное вещество), а в качестве модификатора - эпоксидная смола. Композиционный материал биморфного теплозащитного покрытия 3 наносят в текучем состоянии на внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4, образуя на этой поверхности слой толщиной 1,5÷2 мм, после чего выполняют процедуру отвердевания материала, например, путем его нагревания до температуры твердения, и механическую обработку поверхности биморфного теплозащитного покрытия 3 с целью придания ей требуемой для окраски гладкости.

При внешнем огневом воздействии с температурой выше 250°С структура биморфного теплозащитного покрытия 3 существенно изменяется: ранее монолитный композиционный материал покрытия преобразуется под воздействием пламени в пористый, что приводит к резкому увеличению его объема. В итоге толщина биморфного теплозащитного покрытия 3 увеличивается в 15÷20 раз при тлеющем всестороннем огневом воздействии с температурой 260°С, при этом наружная поверхность покрытия достигает диаметра, обозначенного на чертеже поз.15 (ближняя граница 15) и в 30÷50 раз при активном всестороннем огневом воздействии с температурой 1100°С, при этом наружная поверхность покрытия достигает диаметра, обозначенного на чертеже поз.16 (дальняя граница 16).

Увеличение толщины и изменение структуры биморфного теплозащитного покрытия 3 приводит к качественному улучшению его теплоизоляционных свойств.

В результате этого при воздействии всестороннего наружного теплового потока с температурой 1100°С биморфное теплозащитного покрытие 3, вспененное до дальней границы 16, позволяет поддерживать ~ 20 минут перепад температуры не менее 350°С, обеспечивая при этом температуру в наружном ударожаропрочном слое 4 не выше 750°С.

По истечении ~ 20 минут вспененное биморфное теплозащитное покрытие 3 начинает разрушаться под продолжающимся воздействием пламени, поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4 постепенно оголяется, и к концу 25 минуты наружный ударожаропрочный слой 4 открыто нагревается внешним пламенем до температуры 1100°С.

При дальнейшем высокотемпературном воздействии на защитную оболочку происходит постепенное нагревание промежуточного теплозащитного слоя 6, сформированного из огнеупорного сухого пористого материала с высокими теплоизоляционными свойствами.

Из-за низкой теплопроводности материала промежуточного теплозащитного слоя 6 его прогревание до температуры 120°С (температуры обезвоживания наименее термостойкого из кристаллогидратов, входящих в состав внутреннего теплозащитного слоя 7) происходит в течение 5÷10 минут.

Таким образом, примерно через 30 минут после аварии, сопровождаемой внешним всесторонним воздействием пламенем с температурой 1100°С, температура наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7 может достигнуть критического значения 120°С, при котором начинается обезвоживание наименее термостойкого из кристаллогидратов внутреннего теплозащитного слоя 7.

При внешнем всестороннем тлеющем огневом воздействии с температурой 260°С биморфное теплозащитное покрытие 3, вспененное до ближней границы 15, позволяет поддерживать около 1,5 часа перепад температуры не менее 50°С между ближней границей 15 покрытия и внешней поверхностью наружного ударожаропрочного слоя 4, обеспечивая температуру в наружном ударожаропрочном слое 4 не выше 210°С.

По истечении 1,5 часа вспененное биморфное теплозащитное покрытие 3 начинает разрушаться, поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4 постепенно оголяется и к концу второго часа наружный ударожаропрочный слой 4 открыто нагревается тлеющим пламенем до температуры 260°С.

При дальнейшем воздействии на защитную оболочку внешнего теплового потока с температурой 260°С происходит постепенное нагревание промежуточного теплозащитного слоя 6 в течение 25÷35 минут до температуры 120°С.

Таким образом, примерно через 2,5 часа после аварии, сопровождаемой тлеющим огневым воздействием с температурой 260°С, температура на наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7 может достигнуть значения 120°С, при котором происходит обезвоживание наименее термостойкого из кристаллогидратов внутреннего теплозащитного слоя 7.

В качестве кристаллогидратов, образующих внутренний теплозащитный слой 7, могут быть использованы, например, гидросульфаты металлов, в том числе никеля, меди и железа, гидросульфаты двойных металлов, в том числе калия и алюминия, кристаллогидраты двойных солей, в том числе сульфата калия и хрома, сульфата калия и алюминия, гидроксилы металлов, в том числе алюминия, гидротированные силикаты щелочных металлов, в том числе натрия, калия и лития.

Температуры То обезвоживания указанных кристаллогидратов лежат в пределах от 105 до 400°С. Так, например, для наименее термостойкого из перечисленных кристаллогидратов - додекагидросульфата калия - алюминия KAl(SO₄)₂·12H₂O температура обезвоживания составляет Т_о=105°С; для наиболее термостойкого кристаллогидрата - декагидротетрабората натрия Na₂B₄O₇·10H₂O T_o=400°С; для кристаллогидрата с промежуточной термостойкостью - гептогидросульфата железа FeSO₄·7H₂O Т_о=300°С.

Внутренний теплозащитный слой 7 образуют не менее чем их двух кристаллогидратов с различными температурами обезвоживания Т_о, например с температурой обезвоживания относительно менее термостойкого кристаллогидрата T_o1=120°С и температурой обезвоживания относительно более термостойкого кристаллогидрата Т_о2=400°С. В случае, когда внутренний теплозащитный слой 7 не содержит прослоек, его образуют из однородной смеси указанных кристаллогидратов. При наличии во внутреннем теплозащитном слое 7 прослоек 10 и 11 наружную прослойку 10 образуют из относительно менее термостойкого кристаллогидрата, а внутреннюю прослойку 11 - из относительно более термостойкого кристаллогидрата.

При воздействии на защитную оболочку всестороннего теплового потока с температурой 1100°С температура наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7 приблизительно через 30 минут после начала воздействия достигает значения T_o1=120°С, и относительно менее термостойкий кристаллогидрат начинает обезвоживаться. Т.к. теплота обезвоживания кристаллогидрата включает две составляющие: теплоту дегидратации кристаллогидрата и теплоту испарения воды, то количество тепла, необходимое для обезвоживания кристаллогидрата, почти в 1,5 раза превышает теплоту выкипания свободной воды.

В соответствии с этим, время обезвоживания относительно менее термостойкого кристаллогидрата также превышает время выкипания эквивалентной массы воды не менее чем в 1,5 раза.

Температура в обезвоживаемой части внутреннего теплозащитного слоя 7 в течение всего времени обезвоживания не превышает 120°С.

Однако по мере теплового разложения относительно менее термостойкого кристаллогидрата наружная часть внутреннего теплозащитного слоя 7 постепенно прогревается внешним теплом, ее температура поднимается до значения Т_о>120°С, и при значении Т_о=400°С=Т_о2 начинается обезвоживание относительно более термостойкого кристаллогидрата.

Т.к. количество тепла, необходимое для обезвоживания этого кристаллогидрата, почти в 2 раза превышает теплоту выкипания свободной воды, время обезвоживания существенно превышает время выкипания эквивалентного количества воды.

Таким образом, в процессе теплового обезвоживания материала внутреннего теплозащитного слоя 7 в области, прилегающей к его наружной поверхности, поддерживается температура не выше 400°С, а в области, близкой к внутренней поверхности, - не выше 120°С, причем по мере прогревания внутреннего теплозащитного слоя 7 граница между этими областями постепенно смещается внутрь внутреннего теплозащитного слоя 7, достигая защищаемого объема не менее чем через 75 минут после начала внешнего воздействия пламенем с температурой 1100°С на биморфное теплозащитное покрытие 3. Это дает возможность в течение 75÷85 минут с момента аварии поддерживать в защищаемом объеме температуру не выше 150°С, что позволяет полностью сохранить работоспособность сохраняемого объекта.

При воздействии на защитную оболочку всестороннего теплового потока с температурой 260°С температура внешней поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7 приблизительно через 3 часа после начала воздействия достигает значения T_o1=120°С, и относительно менее термостойкий кристаллогидрат начинает обезвоживаться, вначале вблизи внешней поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7, а затем внутри слоя.

В процессе прогревания внутреннего теплозащитного слоя 7 температура обезвоживаемой области слоя не превосходит T_o1=120°С, а температура области, где уже произошло тепловое разложение, не превышает 260°С.

При этом более термостойкий кристаллогидрат, температура обезвоживания которого составляет Т_о2>260°С, не подвергается тепловому разложению и играет роль пассивного теплоизолирующего материала. Приблизительно в течение 11 часов после начала тлеющего огневого воздействия с температурой 260°С температура внутри защищаемого объема не превышает 150°С.

Это дает возможность в течение 11 часов с момента аварии обеспечивать полную работоспособность сохраняемого микроэлектронного объекта.

Как в первой (при внешней температуре 1100°С), так и во второй (при внешней температуре 260°С) предусмотренных TSO аварийных ситуациях пары воды, образующиеся во внутреннем теплозащитном слое 7 в результате ее испарения в процессе дегидратации кристаллогидратов, проходят через перфорации в наружной теплоотражающей прокладке 8, затем - сквозь поры в материале промежуточного теплозащитного слоя 6, охлаждая этот материал до температуры водяного пара, и далее через дренажные отверстия 5 в наружном ударожаропрочном слое 4 поступают за пределы защитной оболочки.

Для создания условий наиболее эффективного охлаждения промежуточного теплозащитного слоя 6 парами воды необходимо поддерживать избыточное давление паров внутри наружного ударожаропрочного слоя 4, что обеспечивается выбором определенного соотношения между диаметром дренажного отверстия 5 и толщиной наружного ударожаропрочного слоя 4.

При отношении диаметра дренажного отверстия 5 к толщине наружного ударожаропрочного слоя 4, превышающем величину 0,5, происходит свободное истечение водяного пара сквозь дренажное отверстие 5, и внутри наружного ударожаропрочного слоя 4 не может создаваться избыточное давление. В случае, когда указанное отношение не превышает значения 0,5, наблюдается эффект дросселирования водяного пара сквозь дренажное отверстие 5, вызывающий внутри наружного ударожаропрочного слоя 4 избыточное давление, тем большее, чем меньше значение указанного отношения.

Однако при существенном уменьшении отношения до значения 0,1 возможно закупоривание дренажных отверстий 5 продуктами теплового разрушения промежуточного теплозащитного слоя 6, внутреннего теплозащитного слоя 7 и как следствие понижение эффективности охлаждения промежуточного теплозащитного слоя 6 водяным паром. Поэтому отношение диаметра дренажного отверстия 5 к толщине наружного ударожаропрочного слоя 4 выбрано большим значения 0,1 и не превышающим значения 0,5.

В случае, когда внутренний теплозащитный слой 7 формируют из двух прослоек: наружной и внутренней, наружную прослойку 10 образуют с использованием относительно менее термостойкого кристаллогидрата, а внутреннюю прослойку 11 - с использованием относительно более термостойкого кристаллогидрата.

Метод формирования внутреннего теплозащитного слоя 7 из двух прослоек 10 и 11, каждая из которых образована с использованием только одного кристаллогидрата, позволяет более точно задавать значение предельной для сохраняемого объекта температуры и значение времени ее установления в защищаемом объеме по сравнению с методом формирования внутреннего теплозащитного слоя 7 из смеси двух кристаллогидратов.

Особенность метода теплозащиты с использованием прослоек 10, 11 по сравнению с методом, в котором внутренний теплозащитный слой 7 не содержит прослоек, заключается в том, что при тепловом воздействии с температурой 1100°С в активной теплозащите сохраняемого объекта 1 используются обе прослойки 10 и 11 внутреннего теплозащитного слоя 7, а при тепловом воздействии с температурой 260°С - только одна наружная прослойка 10. Внутренняя прослойка 11 в последнем случае играет роль теплоизолятора и используется только для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта 1.

Claims (2)

1. Способ тепловой и механической защиты объекта, включающий его размещение внутри защитной слоистой оболочки, состоящей из последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из водосодержащего материала, заключенного между наружной и внутренней теплоотражающими прокладками, отличающийся тем, что дополнительно на внешней поверхности наружного ударожаропрочного слоя формируют биморфное теплозащитное покрытие из теплоизоляционного композиционного материала, обладающего адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя и способностью увеличивать свой объем не менее чем в 10 раз, при тепловом воздействии пламенем на него, для чего покрывают внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя теплоизоляционным композиционным материалом в текучем состоянии и производят операцию отвердевания материала путем его нагревания до температуры твердения, при этом наружный ударожаропрочный слой перфорируют сквозными дренажными отверстиями, диаметр каждого из которых выбирают не превышающим половины толщины наружного ударожаропрочного слоя, теплоотражающие прокладки изготавливают из металлической фольги, причем наружную теплоотражающую прокладку перфорируют, внутренний теплозащитный слой формируют с использованием не менее чем двух кристаллогидратов, таких, что температура обезвоживания первого из них превышает точку кипения воды, а температура обезвоживания второго превосходит температуру обезвоживания первого кристаллогидрата не менее чем в два раза.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутренний теплозащитный слой образуют не менее, чем из двух прослоек: наружной и внутренней, разделенных между собой промежуточной теплоотражающей металлической перфорированной прокладкой, при этом наружную прослойку формируют с использованием менее термостойкого кристаллогидрата, чем кристаллогидрат внутренней прослойки.