«Шуба» для космического корабля: уроки теплоизоляции от манула до «Бурана»

Хорошая теплоизоляция является одним из ключевых факторов для решения задач по термостатированию. Если нет цели понизить температуру объекта (допустим он был захоложен заранее) то вся работа холодильной машины будет идти на компенсацию теплопритоков.

Материал теплоизоляции, очевидно, должен обладать максимально низкой теплопроводностью. Дополнительно желательно, чтобы материал хорошо отражал радиационную нагрузку и имел небольшую площадь поверхности для снижения конвективного теплообмена. При всем этом материал должен обладать малой массой.

По итогу выходит, что прекрасным элементом изоляции будет воздух, надо лишь правильно его использовать. Современные материалы по типу пенополистирола, пенополиуретана и аналогичных веществ прекрасно справляются с этой задачей – крохотные «пузырьки» воздуха оказываются равномерно распределены по материалу, снижая его теплопроводность при невысокой массе. Большие объемы воздушных полостей будут приводить к образованию внутренней конвекции (что обуславливает, например, максимальный отступ в стеклопакетах), что по итогу ухудшит теплоизолирующие свойства.

Схожего эффекта можно достигнуть и используя волокнистые материалы. Примеров можно найти достаточно в окружающей природе: так плотная «шуба» Паласского кота (по простому Манула) создает мощный воздушный слой, который отлично сохраняет тепло тела и позволяет коту выдерживать морозы до -50°C. Помимо плотности, мех на нижней части тела у животного примерно вдвое длиннее, чем на верхней, что дает дополнительную защиту при контакте с холодной землей. Интернет ресурсы заполнены соответствующими видеоматериалами, где кот для удобства использует свой хвост как подставку под передние лапы.

У пингвинов структура оперения построена так, чтобы сводить теплопотери к нулю. У пингвинов нет голых участков кожи (в отличие от многих других птиц), и они не теряют тепло через конвекцию. Плотность перьевого покрова доходит до 70 перьев на каждый квадратный сантиметр поверхности.

Даже относительно скромный покров человека может существенно снизить потери тепла от конвективной составляющей. Доблестные сотрудники МГТУ им. Н.Э. Баумана при испытаниях новых конструкций криосаун сбривали до половины волосяного покрова тела для измерения теплоотдачи. Данные исследований опубликованы в соответствующих научных изданиях.

Одним из самых интересных инженерных применений «ворсовой» теплоизоляции является керамическая защитная оболочка космических кораблей типа Буран. Не просто керамика, а сложная многослойная конструкция, спроектированная для экстремальных температур от -130 °C до +1600 °C (максимально допустимая температуру внутренней обшивки под изоляцией была порядка +150°С). Супертонкие кварцевые волокна диаметром около 2,5 мкм, спеченные в жесткий пористый каркас, при этом плитка почти полностью состоит из воздуха, что обеспечивает крайне низкую теплопроводность.

Использовались две основные марки керамики: ТЗМК-10 (основной материал) и более прочный ТЗМК-25 для зон повышенных механических нагрузок. Принципиальное различие заключалось в покрытии:

«Черное» покрытие (эрозионностойкое), которое эффективно переизлучало до 98% внешнего тепла обратно в пространство, подобно тому, как темная поверхность быстрее остывает.

«Белое» покрытие (терморегулирующее), которое должно было минимально поглощать солнечное излучение на орбите.

При этом в таких плитках необходимо было предусмотреть зазоры, чтобы тепловые расширения не сминали соседние плитки. Крепились такие плитки на фетровое покрытие, которое тоже хорошо справлялось с температурными деформациями.

Защита показала себя весьма надежной – (по информации из открытых источников) в первом (и, к сожалению, единственном) полете «Бурана» из 38 800 плиток было повреждено или утеряно лишь 7.

История теплозащиты «Бурана» гораздо шире одного полёта. Подробнее о материалах, технологиях и инженерных решениях, применявшихся при создании комплекса «Энергия – Буран», можно узнать из книги «Доспехи для бурана. Материалы и технологии ВИАМ для МКС „Энергия — Буран"».