RU2555891C1 - Microstructural multilayered screen and vacuum isolation of spacecrafts - Google Patents

Microstructural multilayered screen and vacuum isolation of spacecrafts Download PDF

Info

Publication number
RU2555891C1
RU2555891C1 RU2014129942/11A RU2014129942A RU2555891C1 RU 2555891 C1 RU2555891 C1 RU 2555891C1 RU 2014129942/11 A RU2014129942/11 A RU 2014129942/11A RU 2014129942 A RU2014129942 A RU 2014129942A RU 2555891 C1 RU2555891 C1 RU 2555891C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
spacecraft
microplates
microstructural
layers
Prior art date
Application number
RU2014129942/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Евгеньевич Ануров
Андрей Александрович Жуков
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") filed Critical Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы")
Priority to RU2014129942/11A priority Critical patent/RU2555891C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2555891C1 publication Critical patent/RU2555891C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: aviation.
SUBSTANCE: invention relates to the multilayered screen and vacuum isolation (SVI) with microstructural elements for spacecrafts. Each layer of SVI is implemented as a substrate on which the heat reflecting elements designed as massif of rectangular microplates are fixed. Each microplate is fixed on a substrate with a gap 10…20 mcm. On the substrate side facing towards the spacecraft the flutes with rectangular or trapezoidal section, and also longitudinal depressions with semicircular cross-section are implemented. The second and the subsequent layers of SVI are attached to the previous layers through the spherical spacers installed between plates. The diameter of spacers is no less than the size of the named gap. In the places of installation of spacers the layers of silicon dioxide with the thickness 0.5…1 are applied. The aluminium coating with the thickness 0.1…0.3 microns with the reflection factor 0.7-0.9 is applied on external surface of microplates and open surfaces of the substrate. Microplates can be bimorph. Microplates are manufactured with conducting buses on the surface of the silicon substrate.
EFFECT: decrease of weight and overall dimensions of EVI and spacecrafts.
7 cl, 7 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к микроструктурным устройствам в области космонавтики и может быть использовано как отдельная экранно-вакуумная изоляция (ЭВИ) космических аппаратов (КА), в частности, нано- и пикоспутников, а также в качестве элемента сложной системы теплоизоляции КА или его составных частей.The invention relates to microstructural devices in the field of astronautics and can be used as a separate screen-vacuum insulation (EVI) of spacecraft (SC), in particular, nano- and picosatellites, and also as an element of a complex system of thermal insulation of the SC or its components.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известна активная вакуумная изоляция, состоящая из камеры, закрытой двумя слоями металла, стеклоподобных спейсеров, расположенных в камере между боковыми стенками и обеспечивающих наличие зазора между ними (патент на изобретение США №US 5562154, опубл. 8.10.1996). В камере создан высокий вакуум. В состав изоляции входит аппаратура для регулирования коэффициента теплоизоляции поверхности. Первый вариант включающей/выключающей аппаратуры и методики включает в свой состав металлический гидрид для получения водорода в камере в случае перегрева, и трубки между металлическим гидридом и камерой для возможности возвращения водорода в металлический гидрид. Второй тип включающей/выключающей аппаратуры и методики включает в себя покрытие на поверхности металла с изменяющимся коэффициентом излучения, в котором коэффициент излучения изменяется под действием тепла или электричества. Кроме того, второй тип включающей/выключающей аппаратуры и методики включает в свой состав устройства с контактом металл по металлу, которые могут быть приведены в действие для замыкания/размыкания нагреваемых дорожек или тепловых схем между металлическими боковыми стенками.The prior art active vacuum insulation, consisting of a chamber closed by two layers of metal, glass-like spacers located in the chamber between the side walls and providing a gap between them (US patent No. US 5562154, publ. 8.10.1996). A high vacuum has been created in the chamber. The composition of the insulation includes equipment for regulating the coefficient of thermal insulation of the surface. The first version of the on / off apparatus and methodology includes a metal hydride to produce hydrogen in the chamber in case of overheating, and a tube between the metal hydride and the chamber to allow the return of hydrogen to the metal hydride. A second type of on / off apparatus and methodology includes a coating on a metal surface with a varying emissivity, in which the emissivity changes under the influence of heat or electricity. In addition, the second type of on / off equipment and methodology includes metal-to-metal contact devices that can be activated to close / open heated tracks or thermal circuits between the metal side walls.

Недостатками известного технического решения является большой вес изоляции для ее установки на малые КА, сложности с ее монтажом на КА с большим количеством выводов и аппаратуры на внешнем корпусе, что требует создания изоляции сложной формы. Кроме того, использование в системе металлического гидрида для получения водорода ограничивает срок эксплуатации изоляции, а использование водорода требует применения дополнительных мер предосторожности. Известная конструкция обладает низким быстродействием из-за ее значительной теплоемкости, что сводит на нет преимущества активного управления при монтаже изоляции на нестабилизированные КА.The disadvantages of the known technical solution is the large weight of the insulation for its installation on small spacecraft, the difficulties with its installation on the spacecraft with a large number of conclusions and equipment on the outer casing, which requires the creation of complex insulation. In addition, the use of metallic hydride in the system to produce hydrogen limits the life of the insulation, and the use of hydrogen requires additional precautions. The known design has a low speed due to its significant heat capacity, which negates the benefits of active control when installing insulation on unstabilized spacecraft.

Из уровня техники известна изоляция космической техники, применяемая для предотвращения теплопередачи между элементами системы и окружающим космическим пространством, происходящей при очень низких температурах и давлении ниже 10 Торр, представляющая собой барьер для передачи тепла, состоящая из множества слоев тонкой металлизированной пластиковой пленки с толщиной металлизации менее 1 микродюйма и коэффициентом излучения менее 0,06 (патент на изобретение США №US 3,244,224, опубл. 5.04.1966). Указанное тонкое металлическое покрытие и материал из пластиковой пленки каждого слоя обеспечивают низкую теплопроводность через боковую стенку. Слои располагаются лицом к лицу относительно друг друга и удерживаются, как правило, через точечный контакт между смежными слоями. Набор слоев включает в себя как минимум две пары слоев, причем два слоя из пары соединены вместе в точке, а второй слой туго натянут на несущей поверхности.The prior art insulation of space technology, used to prevent heat transfer between system elements and the surrounding space, occurring at very low temperatures and pressures below 10 Torr, is a barrier to heat transfer, consisting of many layers of a thin metallized plastic film with a metallization thickness of less than 1 microinch and an emissivity of less than 0.06 (US patent No. US 3,244,224, publ. 5.04.1966). The specified thin metal coating and the material of the plastic film of each layer provide low thermal conductivity through the side wall. The layers are located face to face relative to each other and are held, as a rule, through point contact between adjacent layers. The set of layers includes at least two pairs of layers, with two layers of a pair connected together at a point, and the second layer is tightly stretched on the bearing surface.

Недостатками известного технического решения является большая толщина конструкции, необходимость применения большого количества слоев (100 слоев и более), из чего вытекает высокая сложность изготовления изоляции, большой вес системы и трудности с монтажом изоляции на поверхность КА, имеющего большое количество внешних элементов.The disadvantages of the known technical solution is the large thickness of the structure, the need to use a large number of layers (100 layers or more), which implies the high complexity of the manufacture of insulation, the large weight of the system and the difficulty of installing insulation on the surface of a spacecraft having a large number of external elements.

Из уровня техники известна экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием, состоящая из полимерной подложки, электропроводного слоя с износостойким слоем на внешней поверхности и отражающего слоя на внутренней поверхности (патент на изобретение РФ №RU 2397926, опубл. 27.08.2010). Изоляция содержит временный защитный слой на внешней поверхности и укрепляющую полимерную сетку на внутренней поверхности. Достигается повышение надежности, эффективности, уменьшение веса и пылеворсоотделения экранно-вакуумной тепловой изоляции.The prior art screen-vacuum thermal insulation of a spacecraft with an external combined coating, consisting of a polymer substrate, an electrically conductive layer with a wear-resistant layer on the outer surface and a reflective layer on the inner surface (patent for the invention of the Russian Federation No. RU 2397926, publ. 08.27.2010). The insulation contains a temporary protective layer on the outer surface and a reinforcing polymer network on the inner surface. EFFECT: increase of reliability, efficiency, reduction of weight and dust separation of screen-vacuum thermal insulation.

К недостаткам этого технического решения следует отнести довольно высокую теплопроводность из-за отсутствия вакуумных зазоров, большие габариты и вес теплоизоляции за счет применения большого количества различных слоев, необходимость в использовании временного защитного покрытия для защиты от повреждений и загрязнения теплоизоляции, трудности с монтажом теплоизоляции на поверхность малых КА с большим количеством внешних элементов.The disadvantages of this technical solution include a rather high thermal conductivity due to the absence of vacuum gaps, large dimensions and weight of thermal insulation due to the use of a large number of different layers, the need to use a temporary protective coating to protect against damage and contamination of the thermal insulation, difficulties with installing the thermal insulation on the surface small spacecraft with a large number of external elements.

Наиболее близким по технической сущности является терморегулирующее покрытие и способ его установки на КА, содержащее подложку в виде отдельных элементов из прозрачного радиационно-стойкого материала, тыльная поверхность которой покрыта отражающим, защитным и адгезионным слоями, а на внешней поверхности расположено прозрачное электропроводное покрытие, покрывающее торцевые поверхности подложки и контактирующее с защитным слоем (патент на изобретение РФ №RU 2356074, опубл. 20.05.2009). Толщина отдельных элементов не менее 0,08 мм, электросопротивление электропроводного покрытия - не менее 2 и не более 1×105 кОм/м2. При установке электропроводный клеевой слой наносят на поверхность КА, после чего вспомогательную ленту с липким слоем с наклеенными отдельными элементами прижимают к поверхности КА для удаления пузырьков воздуха и излишков клея. После отверждения клеевого слоя вспомогательную ленту отслаивают. Материал клеевого слоя маловязкий в исходном состоянии и эластичный после отверждения, и содержит ингибитор коррозии, а также волокнистый электропроводный материал, длина волокон которого больше толщины клеевого слоя.The closest in technical essence is the temperature-controlled coating and the method of its installation on a spacecraft containing a substrate in the form of individual elements of a transparent radiation-resistant material, the back surface of which is covered with reflective, protective and adhesive layers, and on the outer surface there is a transparent electrically conductive coating covering the end the surface of the substrate and in contact with the protective layer (patent for the invention of the Russian Federation No. RU 2356074, publ. 05.20.2009). The thickness of the individual elements is not less than 0.08 mm, the electrical resistance of the electrically conductive coating is not less than 2 and not more than 1 × 10 5 kOhm / m 2 . During installation, an electrically conductive adhesive layer is applied to the surface of the spacecraft, after which an auxiliary tape with an adhesive layer with individual elements glued is pressed to the surface of the spacecraft to remove air bubbles and excess glue. After curing the adhesive layer, the auxiliary tape is peeled off. The material of the adhesive layer is low viscosity in the initial state and elastic after curing, and contains a corrosion inhibitor, as well as a fibrous conductive material, the length of the fibers of which is greater than the thickness of the adhesive layer.

Основными недостатками прототипа являются:The main disadvantages of the prototype are:

- низкая эффективность теплоизоляции из-за отсутствия вакуумных зазоров;- low efficiency of thermal insulation due to the lack of vacuum gaps;

- большая масса конструкции за счет габаритных размеров и применяемых материалов;- a large mass of the structure due to the overall dimensions and the materials used;

- высокая теплопроводность между адгезивным слоем и корпусом КА в связи с большой площадью контакта;- high thermal conductivity between the adhesive layer and the spacecraft body due to the large contact area;

- необходимость применения вспомогательной ленты с липким слоем с соблюдением заданного зазора между торцевыми поверхностями элементов, что усложняет конструкцию и технологию изготовления и сборки покрытия;- the need to use an auxiliary tape with a sticky layer in compliance with a given gap between the end surfaces of the elements, which complicates the design and technology of manufacture and assembly of the coating;

- необходимость применения защитного слоя между отражающим и адгезивным слоями, что усложняет конструкцию и технологию изготовления покрытия.- the need to use a protective layer between the reflective and adhesive layers, which complicates the design and manufacturing technology of the coating.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом изобретения является снижение массы и габаритных размеров ЭВИ КА.The technical result of the invention is to reduce the weight and overall dimensions of the EVI KA.

Технический результат достигается тем, что в микроструктурной многослойной ЭВИ космических аппаратов каждый слой выполнен в виде устанавливаемой на поверхность аппарата подложки. На подложке закреплены теплоотражающие элементы. Теплоотражающие элементы выполнены в виде массива прямоугольных микропластин. Каждая прямоугольная микропластина закреплена на подложке с зазором 10….20 мкм от поверхности подложки. На обращенной к защищаемому аппарату поверхности подложки выполнены канавки прямоугольного или трапецеидального сечения. Второй и последующие слои ЭВИ прикреплены к предыдущим слоям через калиброванные сферические спейсеры, устанавливаемые между слоями. Диаметр спейсеров составляет не менее величины зазора. На поверхности подложек выполнены продольные углубления полукруглого сечения. На внешнюю поверхность микропластин и открытые площади подложки нанесено теплоотражающее покрытие толщиной 0,1…..0,3 мкм с коэффициентом отражения 0,7…0,9. На подложках в местах установки сферических спейсеров нанесены слои диоксида кремния толщиной 0,5…1 мкм с коэффициентом теплопроводности 1,4 Вт/(м·К). Микропластины могут быть выполнены биморфными, причем коэффициент термического расширения (КТР) слоя, обращенного к подложке, меньше КТР внешнего слоя. На поверхности кремниевой подложки могут быть выполнены токопроводящие шины, а микропластины могут быть выполнены электропроводящими.The technical result is achieved by the fact that in the microstructural multilayer EVI of spacecraft, each layer is made in the form of a substrate mounted on the surface of the apparatus. Heat-reflecting elements are fixed on the substrate. The heat-reflecting elements are made in the form of an array of rectangular microplates. Each rectangular microplate is mounted on a substrate with a gap of 10 .... 20 μm from the surface of the substrate. On the substrate surface facing the device to be protected, grooves of a rectangular or trapezoidal section are made. The second and subsequent EVI layers are attached to the previous layers through calibrated spherical spacers installed between the layers. The diameter of the spacers is at least the size of the gap. On the surface of the substrates, longitudinal recesses of a semicircular section are made. A heat reflecting coating with a thickness of 0.1 ... ..0.3 microns with a reflection coefficient of 0.7 ... 0.9 is applied to the outer surface of the microplates and the open areas of the substrate. On the substrates in the places of installation of the spherical spacers, layers of silicon dioxide with a thickness of 0.5 ... 1 μm with a thermal conductivity of 1.4 W / (m · K) are applied. Microplates can be made bimorphic, with the coefficient of thermal expansion (CTE) of the layer facing the substrate less than the CTE of the outer layer. Conductive buses can be made on the surface of the silicon substrate, and microplates can be made electrically conductive.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 представлена схема расположения микропластин ЭВИ КА на подложке.In FIG. 1 shows the layout of EVI KA microplates on a substrate.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение (посредине пластин параллельно горизонтали) ЭВИ КА с канавками прямоугольного сечения.In FIG. 2 shows a cross-section (in the middle of the plates parallel to the horizontal) of the EVI KA with grooves of a rectangular section.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение ЭВИ КА с канавками прямоугольного сечения и продольными углублениями полукруглого сечения.In FIG. 3 shows the cross-section of the EVI KA with grooves of rectangular cross section and longitudinal recesses of a semicircular section.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение ЭВИ КА с канавками трапецеидального сечения.In FIG. 4 shows a cross section of an EVI spacecraft with trapezoidal grooves.

На фиг. 5 представлено поперечное сечение ЭВИ КА с канавками трапецеидального сечения и продольными углублениями полукруглого сечения.In FIG. 5 shows the cross section of the EVI KA with trapezoidal grooves and longitudinal recesses of a semicircular section.

На фиг. 6 представлено поперечное сечение ЭВИ КА, состоящей из нескольких слоев, разделенных калиброванными сферическими спейсерами.In FIG. Figure 6 shows the cross-section of an EVI spacecraft consisting of several layers separated by calibrated spherical spacers.

На фиг. 7 представлена микрофотография (х200) ЭВИ КА.In FIG. 7 shows a micrograph (x200) of the EVI KA.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Микроструктурная многослойная ЭВИ КА состоит из слоев нитрида кремния 1 (фиг. 1 - 6), канавок с различной геометрией стенок 2, кремниевой подложки 3, слоев диоксида кремния 4, слоев теплоотражающего покрытия 5, вакуумного зазора 6, микропластин 7, продольных углублений полукруглого сечения 8 и калиброванных шарообразных спейсеров 9.The microstructural multilayer EVI KA consists of layers of silicon nitride 1 (Figs. 1–6), grooves with different geometry of walls 2, silicon substrate 3, layers of silicon dioxide 4, layers of heat-reflecting coating 5, vacuum gap 6, microplates 7, longitudinal recesses of semicircular section 8 and calibrated spherical spacers 9.

ЭВИ КА предназначена для теплоизоляции поверхности КА путем ее защиты от солнечного излучения и кондукции тепла на поверхность КА с поверхности ЭВИ КА. Микропластины представляют собой прямоугольные пластины шириной 330-390 мкм, длиной 370…420 мкм и толщиной 5…15 мкм, выполненные с использованием МЭМС- технологий из никеля, меди или алюминия с наружным теплоотражающим покрытием толщиной 0,1…0,3 мкм с коэффициентом отражения 0,7…0,9 в диапазоне длин волн 0,3…3 мкм, на который приходится основная доля энергии солнечного излучения. Это же теплоотражающее покрытие наносится на всю неприкрытую микропластинами поверхность подложки. В микропластинах выполнены технологические отверстия (на сечениях не показаны) размером 10…15 мкм, не оказывающие существенного влияния на тепловые свойства конструкции.EVI KA is intended for thermal insulation of the spacecraft surface by protecting it from solar radiation and heat conduction on the spacecraft surface from the surface of the EVI spacecraft. Microplates are rectangular plates with a width of 330-390 microns, a length of 370 ... 420 microns and a thickness of 5 ... 15 microns, made using MEMS technologies of nickel, copper or aluminum with an external heat-reflecting coating with a thickness of 0.1 ... 0.3 microns with a coefficient reflection 0.7 ... 0.9 in the wavelength range of 0.3 ... 3 microns, which accounts for the bulk of the energy of solar radiation. The same heat-reflecting coating is applied to the entire surface of the substrate that is not covered by microplates. Technological openings (not shown in cross sections) with a size of 10 ... 15 μm are made in microplates, which do not significantly affect the thermal properties of the structure.

Прямоугольные микропластины закреплены на подложке с зазором 10-20 мкм. Величина зазора должна быть больше критической величины, при которой в передаче тепла доминируют неоднородные волны. Критическая величина зазора существенно зависит от температуры и при низких температурах этот вид переноса тепла доминирует даже при расстояниях в несколько миллиметров. При температурах от 0°С и выше критическое расстояние слабо изменяется и составляет от 8,4 мкм и ниже, поэтому нижней границей зазора выбрана величина 10 мкм. Согласно исследованиям зазор 20 мкм препятствует кондукции тепла на поверхность КА при температурах до - 173°С [А.И. Волокитин. Радиационная передача тепла и "вакуумное" трение между наноструктурами //Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 16 (2002), 129-139], и его увеличение несущественно влияет на работу ЭВИ в условиях низких температур. Исходя из этого, нецелесообразно выполнять зазор более 20 мкм.Rectangular microplates are mounted on a substrate with a gap of 10-20 microns. The gap should be greater than the critical value at which inhomogeneous waves dominate the heat transfer. The critical size of the gap substantially depends on temperature, and at low temperatures this type of heat transfer dominates even at distances of several millimeters. At temperatures from 0 ° C and above, the critical distance varies slightly and is from 8.4 μm or lower, so the value 10 μm is chosen as the lower boundary of the gap. According to studies, a gap of 20 μm prevents heat conduction on the spacecraft surface at temperatures up to –173 ° C [A.I. Volokitin. Radiation heat transfer and “vacuum” friction between nanostructures // Tomsk State University Journal. Itself. state tech. un-that. Ser. Phys.-mat. Nauki, 16 (2002), 129-139], and its increase does not significantly affect the operation of EVI at low temperatures. Based on this, it is impractical to make a gap of more than 20 microns.

В случае необходимости охлаждения КА за счет биморфной конструкции микропластин или электростатической системы управления возможно уменьшение зазора практически до нуля. В этом случае микропластины прижимаются к подложке и, если температура на поверхности КА больше температуры ЭВИ КА, тепло с поверхности КА за счет теплопроводности стекает на ЭВИ КА и излучается в открытый космос.If it is necessary to cool the spacecraft due to the bimorph design of micro plates or the electrostatic control system, the gap can be reduced to almost zero. In this case, the micro plates are pressed to the substrate and, if the temperature on the surface of the spacecraft is higher than the temperature of the EVI of the spacecraft, the heat from the surface of the spacecraft flows due to the heat conduction to the EVI of the spacecraft and is emitted into open space.

Для снижения лучистого теплообмена максимально возможная площадь наружной поверхности ЭВИ КА (~90%) покрывается теплоотражающим покрытием толщиной 0,1...0,3 мкм с коэффициентом отражения до 0,9. Для сведения к минимуму кондукции тепла от поверхности ЭВИ КА к поверхности КА применяется теплоизоляция мест контакта микропластин с кремниевой подложкой и непрофилированной поверхностью обратной стороны подложки путем микропрофилирования обратной стороны подложки канавками прямоугольного или трапецеидального сечения. Для дальнейшего снижения теплопроводности ЭВИ КА возможно формирование дополнительных слоев ЭВИ КА, разделенных сферическими спейсерами с низкой теплопроводностью и точечным тепловым контактом с разделяемыми слоями.To reduce radiant heat transfer, the maximum possible outer surface area of the EVI spacecraft (~ 90%) is covered with a heat-reflecting coating with a thickness of 0.1 ... 0.3 μm with a reflection coefficient of up to 0.9. To minimize heat conduction from the EVI spacecraft surface to the spacecraft surface, thermal insulation of the contact points of microplates with a silicon substrate and a non-profiled surface of the reverse side of the substrate is applied by microprofiling the back side of the substrate with grooves of rectangular or trapezoidal section. To further reduce the thermal conductivity of the EVI KA, it is possible to form additional layers of the EVI KA, separated by spherical spacers with low thermal conductivity and point thermal contact with the separated layers.

ЭВИ КА представляет собой подложку из кремния толщиной 400…500 мкм с изготовленными на поверхности металлическими микропластинами и дополнительными функциональными слоями методами МЭМС-технологий. Поверхность основания, обращенная к КА, профилируется методами плазмохимического травления для снижения площади теплового контакта между микроструктурной многослойной ЭВИ КА и наружной поверхностью КА. Возможно использование как анизотропного глубинного плазмохимического травления кремния (фиг. 2, 3), так и изотропного процесса травления кремния (фиг. 4, 5). Процесс травления затрагивает всю обратную сторону кремниевого основания, за исключением областей, на которых формируются продольные углубления полукруглого сечения под спейсеры. Плазмохимическое травление осуществляется через маску из нитрида кремния, формируемую методами фотолитографии, которая после травления выполняет функцию теплоизоляции мест контакта ЭВИ КА с поверхностью спутника. Теплопроводность нитрида кремния составляет 19 Вт·м/К, что на порядок ниже, чем у кремния - 157 Вт·м/К. Из стандартных материалов, применяемых микроэлектронной промышленностью, по коэффициенту теплопроводности нитрид кремния уступает только диоксиду кремния (1,4 Вт·м/К) и полимерам типа полиимиды и ПММА (0,12 и 0,2 Вт·м/К соответственно). Однако нитрид кремния имеет наиболее близкий к кремнию коэффициент термического расширения (2,8 10-6/°С, у кремния 2,6 10-6/°С), что в условиях космического пространства и частых перепадов температуры в широком диапазоне является наиболее критичным. Полимеры в условиях открытого космоса и отсутствия внешней защиты подвержены разрушительному воздействию атомарного кислорода, что значительно сокращает срок эксплуатации изделия.EVI KA is a silicon substrate 400 ... 500 μm thick with metal microplates made on the surface and additional functional layers using MEMS technologies. The base surface facing the spacecraft is profiled by plasma chemical etching to reduce the area of thermal contact between the microstructured multilayer EVI spacecraft and the outer surface of the spacecraft. It is possible to use both anisotropic deep plasma-chemical etching of silicon (Fig. 2, 3) and an isotropic process of etching silicon (Fig. 4, 5). The etching process affects the entire reverse side of the silicon base, with the exception of areas on which longitudinal recesses of a semicircular section under the spacers are formed. Plasma-chemical etching is carried out through a mask of silicon nitride, formed by photolithography methods, which, after etching, performs the function of thermal insulation of the contact points between the EVI spacecraft and the satellite surface. The thermal conductivity of silicon nitride is 19 W · m / K, which is an order of magnitude lower than that of silicon - 157 W · m / K. Of the standard materials used by the microelectronic industry, silicon nitride is second only to silicon dioxide (1.4 W · m / K) and polymers such as polyimides and PMMA (0.12 and 0.2 W · m / K, respectively) in terms of thermal conductivity. However, silicon nitride has the coefficient of thermal expansion closest to silicon (2.8 10 -6 / ° C, for silicon 2.6 10 -6 / ° C), which in the conditions of outer space and frequent temperature drops over a wide range is the most critical . Polymers in open space and in the absence of external protection are subject to the destructive effects of atomic oxygen, which significantly reduces the life of the product.

Канавки прямоугольного сечения формируются глубиной 50…250 мкм, шириной 40…100 мкм, длиной 200…250 мкм, расстоянием между канавками 5…10 мкм и располагаются под местами закрепления прямоугольных микропластин на подложке слоя ЭВИ КА. Канавки трапецеидального сечения формируют глубиной 50…250 мкм, шириной наружного основания 100…200 мкм, шириной основания в теле подложки 90 мкм, длиной 200…250 мкм, расстоянием между канавками 5…10 мкм и располагаются под местами закрепления прямоугольных микропластин на подложке.The grooves of rectangular cross section are formed by a depth of 50 ... 250 microns, a width of 40 ... 100 microns, a length of 200 ... 250 microns, the distance between the grooves is 5 ... 10 microns and are located under the fastening points of rectangular microplates on the substrate of the EVI KA layer. The trapezoidal grooves are formed with a depth of 50 ... 250 microns, an outer base width of 100 ... 200 microns, a base width in the substrate body of 90 microns, a length of 200 ... 250 microns, the distance between the grooves of 5 ... 10 microns and are located under the fastening points of rectangular microplates on the substrate.

В местах контакта микропластин с кремниевой подложкой формируют слой диоксида кремния толщиной 0,5…1 мкм с коэффициентом теплопроводности 1,4 Вт/(м·К) для теплоизоляции основания от микропластин.At the points of contact between the microplates and the silicon substrate, a layer of silicon dioxide is formed with a thickness of 0.5 ... 1 μm with a thermal conductivity of 1.4 W / (m · K) for thermal insulation of the base from microplates.

При необходимости увеличения теплоизоляционных характеристик ЭВИ КА формируют второй и последующие слои экранно-вакуумной изоляции, соединяемые между собой через калиброванные сферические спейсеры диаметром около 40 мкм (фиг.6).If necessary, increase the thermal insulation characteristics of the EVI KA form the second and subsequent layers of screen-vacuum insulation, interconnected via calibrated spherical spacers with a diameter of about 40 μm (Fig.6).

Продольные углубления полукруглого сечения в кремниевом основании выполнены для самоорганизации спейсеров между слоями на этапе сборки микроструктурной многослойной ЭВИ КА. На фиг. 7 показано фото опытного образца слоя ЭВИ.The longitudinal recesses of the semicircular section in the silicon base are made for self-organization of spacers between the layers at the stage of assembly of the microstructure multilayer EVI KA. In FIG. 7 shows a photo of a prototype EVI layer.

Микропластины могут быть выполнены биморфными. Технологически это не представляет больших сложностей. Подбор материалов с различными значениями коэффициентов теплового расширения позволяет рассчитать величину изменения зазора в зависимости от температуры окружающей среды, а, следовательно, изменять теплозащитные свойства ЭВИ. При этом КТР нижнего слоя должен быть меньше КТР верхнего слоя.Microplates can be made bimorphic. Technologically, this is not a big deal. The selection of materials with different values of the coefficients of thermal expansion allows us to calculate the magnitude of the change in the gap depending on the ambient temperature, and, therefore, change the heat-shielding properties of EVI. In this case, the CTE of the lower layer should be less than the CTE of the upper layer.

Для изменения вакуумного зазора вплоть до нуля может быть применено электростатическое управление ЭВИ КА. Для этого микропластины изготавливаются электропроводящими, а на оппозитной пластинам поверхности кремниевой подложки выполнены токопроводящие шины и контактные площадки. При подаче разницы потенциалов величиной 0…100 В на подложку и микропластины между ними возникает электростатическое поле и микропластины притягиваются к подложке, уменьшая зазор.To change the vacuum gap up to zero, the electrostatic control of the EVI spacecraft can be applied. For this, microplates are made electrically conductive, and conductive busbars and pads are made on the opposite plates of the surface of the silicon substrate. When a potential difference of 0 ... 100 V is applied to the substrate and the micro plates, an electrostatic field arises between them and the micro plates are attracted to the substrate, reducing the gap.

Опытные образцы микроструктурной многослойной ЭВИ изготовлены, проходят стадию всесторонних исследований. Предварительные тепловые испытания показывают, что в сравнении с применяемыми в настоящее время типами ЭВИ ее масса на 10…15 процентов меньше, толщина уменьшена на 20…25 процентов.Prototypes of the microstructural multilayer EVI are made; they pass the stage of comprehensive research. Preliminary thermal tests show that, in comparison with the currently used types of EVI, its mass is 10 ... 15 percent less, the thickness is reduced by 20 ... 25 percent.

Claims (7)

1. Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов, каждый слой которой выполнен в виде устанавливаемой на поверхность аппарата подложки, на которой закреплены теплоотражающие элементы, отличающаяся тем, что теплоотражающие элементы выполнены в виде массива прямоугольных микропластин, причем каждая прямоугольная микропластина закреплена на подложке с зазором 10...20 мкм от поверхности подложки.1. Microstructural multilayer screen-vacuum insulation of spacecraft, each layer of which is made in the form of a substrate installed on the surface of the apparatus, on which heat-reflecting elements are fixed, characterized in that the heat-reflecting elements are made in the form of an array of rectangular microplates, each rectangular microplate is mounted on a substrate with a gap of 10 ... 20 microns from the surface of the substrate. 2. Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов по п.1, отличающаяся тем, что на обращенной к космическому аппарату стороне подложки выполнены канавки прямоугольного или трапецеидального сечения.2. The microstructural multilayer screen-vacuum insulation of spacecraft according to claim 1, characterized in that the grooves of a rectangular or trapezoidal section are made on the side of the substrate facing the spacecraft. 3. Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов по п.1, отличающаяся тем, что второй и последующие слои экранно-вакуумной изоляции соединены между собой через калиброванные сферические спейсеры, при этом диаметр спейсеров составляет не менее величины зазора между подложкой и микропластинами, а на обращенной к космическому аппарату стороне подложки выполнены продольные углубления полукруглого сечения.3. The microstructural multilayer screen-vacuum insulation of spacecraft according to claim 1, characterized in that the second and subsequent layers of screen-vacuum insulation are interconnected via calibrated spherical spacers, while the diameter of the spacers is not less than the gap between the substrate and microplates, and On the side of the substrate facing the spacecraft, longitudinal recesses of a semicircular section are made. 4. Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов по п.1, отличающаяся тем, что на внешнюю поверхность микропластин и открытые поверхности подложки нанесено теплоотражающее покрытие толщиной 0,1...0,3 мкм с коэффициентом отражения 0,7...0,9.4. The microstructural multilayer screen-vacuum insulation of spacecraft according to claim 1, characterized in that the outer surface of the micro plates and the exposed surfaces of the substrate are coated with a heat-reflecting coating 0.1 ... 0.3 μm thick with a reflection coefficient of 0.7 ... 0.9. 5. Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов по п.3, отличающаяся тем, что на подложках в местах установки сферических спейсеров нанесены слои диоксида кремния толщиной 0,5...1 мкм с коэффициентом теплопроводности 1,4 Вт/(м·К).5. The microstructure multilayer screen-vacuum insulation of spacecraft according to claim 3, characterized in that layers of silicon dioxide with a thickness of 0.5 ... 1 μm with a thermal conductivity of 1.4 W / (m · TO). 6. Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов по п.1, отличающаяся тем, что микропластины выполнены биморфными, причем коэффициент термического расширения (КТР) слоя, обращенного к подложке, меньше КТР внешнего слоя.6. The microstructural multilayer screen-vacuum insulation of spacecraft according to claim 1, characterized in that the microplates are bimorphic, and the coefficient of thermal expansion (KTR) of the layer facing the substrate is less than the KTP of the outer layer. 7. Микроструктурная многослойная экранно-вакуумная изоляция космических аппаратов по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности кремниевой подложки выполнены токопроводящие шины, а микропластины изготовлены электропроводящими. 7. The microstructural multilayer screen-vacuum insulation of spacecraft according to claim 1, characterized in that the surface of the silicon substrate is made of conductive buses, and the micro plates are made of electrically conductive.
RU2014129942/11A 2014-07-22 2014-07-22 Microstructural multilayered screen and vacuum isolation of spacecrafts RU2555891C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014129942/11A RU2555891C1 (en) 2014-07-22 2014-07-22 Microstructural multilayered screen and vacuum isolation of spacecrafts

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014129942/11A RU2555891C1 (en) 2014-07-22 2014-07-22 Microstructural multilayered screen and vacuum isolation of spacecrafts

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2555891C1 true RU2555891C1 (en) 2015-07-10

Family

ID=53538595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014129942/11A RU2555891C1 (en) 2014-07-22 2014-07-22 Microstructural multilayered screen and vacuum isolation of spacecrafts

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2555891C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6489001B1 (en) * 2000-03-27 2002-12-03 Northrop Grumman Corp. Protective impact-resistant thermal insulation structure
US6712318B2 (en) * 2001-11-26 2004-03-30 The Boeing Company Impact resistant surface insulation tile for a space vehicle and associated protection method
US7377469B2 (en) * 2001-09-05 2008-05-27 Gabe Cherian Heat shield
RU2356074C2 (en) * 2007-06-25 2009-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" Temperature-regulating coating and method for its installation on "ka"
RU2355607C1 (en) * 2007-08-02 2009-05-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Rocket-carrier ascent unit
RU2459743C1 (en) * 2010-12-16 2012-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" Heat insulation pack and method of its fabrication
RU2465181C2 (en) * 2010-07-29 2012-10-27 Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") Microstructural spacecraft thermal control system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6489001B1 (en) * 2000-03-27 2002-12-03 Northrop Grumman Corp. Protective impact-resistant thermal insulation structure
US7377469B2 (en) * 2001-09-05 2008-05-27 Gabe Cherian Heat shield
US6712318B2 (en) * 2001-11-26 2004-03-30 The Boeing Company Impact resistant surface insulation tile for a space vehicle and associated protection method
RU2356074C2 (en) * 2007-06-25 2009-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" Temperature-regulating coating and method for its installation on "ka"
RU2355607C1 (en) * 2007-08-02 2009-05-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Rocket-carrier ascent unit
RU2465181C2 (en) * 2010-07-29 2012-10-27 Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") Microstructural spacecraft thermal control system
RU2459743C1 (en) * 2010-12-16 2012-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" Heat insulation pack and method of its fabrication

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Oshman et al. Flat flexible polymer heat pipes
Dinh et al. An on‐chip SiC MEMS device with integrated heating, sensing, and microfluidic cooling systems
Alam et al. Influence of strain on thermal conductivity of silicon nitride thin films
US10535615B2 (en) Electronic package that includes multi-layer stiffener
Sedighi et al. Casimir force measurements from silicon carbide surfaces
Zhang et al. Residual stress and fracture in thick tetraethylorthosilicate (TEOS) and silane-based PECVD oxide films
Li et al. Splitting of the neutral mechanical plane depends on the length of the multi-layer structure of flexible electronics
EP2348292A1 (en) Sensor device
Kim et al. Efficient heat spreader using supersonically sprayed graphene and silver nanowire
Cui et al. Analysis of thermally induced delamination and buckling of thin-film thermoelectric generators made up of pn-junctions
TWI358783B (en) High-performance electrostatic clamp comprising a
RU2555891C1 (en) Microstructural multilayered screen and vacuum isolation of spacecrafts
US6605339B1 (en) Micro heat barrier
MA34668B1 (en) SOLAR ENERGY ABSORBING COATING, COATING ARRANGEMENT ON A SUBSTRATE, METHOD OF MANUFACTURING THE ARRANGEMENT AND USE OF THE ARRANGEMENT
Li et al. The interfacial behavior of a thermoelectric thin-film bonded to an orthotropic substrate
Kano Subcooled flow boiling under an electric field on surface enhanced by diamond particles deposition
Chen et al. Vertically aligned carbon nanotube arrays as thermal interface material for vibrational structure of piezoelectric transformer
Kano et al. Effect of electric field generated by microsized electrode on pool boiling
Cao et al. Variable emissivity surfaces for micro and Nano-satellites
Ancik et al. Modeling, simulation and experimental testing of the MEMS thermoelectric generators in wide range of operational conditions
RU2356074C2 (en) Temperature-regulating coating and method for its installation on "ka"
Solano et al. Modelling and experimental verification of heat dissipation mechanisms in an SU-8 electrothermal microgripper
Liu et al. Sunlight irradiation and wind effect on the interlaminar stresses of the organic solar cell
US10727195B2 (en) Bond materials with enhanced plasma resistant characteristics and associated methods
JP2018112213A (en) Vacuum heat insulation material and vacuum heat insulation glass