Молниеотвод - RU2620852C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области защиты от молний, предназначенной для использования в условиях повышенной температуры. Более конкретно, но не исключительно настоящее изобретение относится к области защиты от молний горячих частей двигателей космических ракет-носителей, тактических ракет и т.п., а также авиационных двигателей.

Уровень техники

Двигатели, устанавливаемые на ракетах такого типа, а также задние части авиационных двигателей часто подвержены ударам молний во время полета. Если подверженные удару молнии части выполнены из неэлектропроводящего материала, например композитного материала, или обладают покрытием из диэлектрического материала, их конструкция может быть серьезно повреждена импульсными и непрерывными компонентами электрической дуги, образованной молнией.

Известно несколько технологий защиты от молний, основная задача которых состоит в обеспечении циркуляции молниевого тока в защитных элементах, а не в защищаемой конструкции, и в быстром увеличении размеров основания молниевой дуги с целью снижения механической и тепловой нагрузки.

В число известных решений входят молниезащитные покрытия, состоящие из:

- металлических сеток, прикрепляемых к поверхности защищаемого элемента,

- металлических решеток, образуемых из единого металлического листа с прорезями, который растягивают с образованием решетки, также прикрепляемой к поверхности защищаемого элемента,

- электропроводящих слоев, осуществляемых путем осаждения металлических частиц, например никелевых частиц, на поверхность защищаемого элемента с целью повышения его электропроводности,

- металлических волокон, вплетаемых в волокнистую основу защищаемого элемента, выполненного из композитного материала, для формирования на поверхности такого элемента множественных остриев малого размера, обеспечивающих возможность рассредоточения основания молниевой дуги. Однако такие покрытия обладают некоторыми недостатками, основной из которых связан с низкой теплостойкостью. Кроме того, нанесение некоторых из таких покрытий на конструкции сложной геометрической формы затруднительно.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в предложении решения в области защиты от молний неэлектропроводящих или имеющих диэлектрическое покрытие конструкций, работоспособного в условиях повышенных температур.

Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается молниеотвод, предназначенный для установки на защищаемой конструкции и содержащий по меньшей мере:

- поверхностное покрытие, содержащее по меньшей мере один слой электропроводящей краски,

- несколько электропроводящих элементов, распределенных по защищаемой конструкции и установленных либо непосредственно на ней, либо на слое электропроводящей краски поверхностного покрытия, причем указанные элементы находятся в контакте со слоем электропроводящей краски,

- защитное покрытие, расположенное поверх поверхностного покрытия и содержащее теплоизолирующий и электропроводящий материал, причем защитное покрытие частично покрывает электропроводящие элементы.

Таким образом, обеспечивают эффективную защиту от молниевых разрядов, в частности, в связи с использованием электропроводящих элементов, обеспечивающих возможность быстрого отвода токов значительной силы во время разряда молнии и локального усиления электромагнитного поля, что способствует возникновению электрической дуги на молниеотводе и, таким образом, защите расположенной под ним конструкции. Кроме того, использование теплоизолирующего защитного покрытия позволяет сохранить целостность молниеотвода по изобретению даже при его использовании на конструкциях, подверженных воздействию значительных тепловых потоков. Поскольку защитное покрытие также обладает электропроводностью, оно дополнительно повышает суммарную эффективность молниеотвода, обеспечивая непрерывность электрического соединения между электропроводящими элементами и электропроводящей краской.

Кроме того, конструкция молниеотвода позволяет использовать его на любых элементах, даже сложной геометрии.

В соответствии с первым аспектом молниеотвода по изобретению электропроводящие элементы представляют собой металлические полосы, содержащие по меньшей мере одно ребро, выступающее над защитным покрытием. Наличие по меньшей мере одного ребра, выступающего из защитного покрытия, позволяет создать эффект острия и способствует возникновению электрической дуги на элементах молниеотвода, а не на защищаемой конструкции. Для этого металлические полосы, в частности, могут иметь поперечное сечение треугольной, прямоугольной или квадратной формы.

В соответствии со вторым аспектом молниеотвода по изобретению по меньшей мере некоторые из электропроводящих элементов соединены между собой с целью повышения способности отвода токов молниеотводом. Соединения между электропроводящими элементами могут быть выполнены из электрических проводников любого типа, например проводов, металлических прядей или электропроводящего покрытия.

В соответствии с изобретением также предлагается конструкция, подверженная воздействию молний и предназначенная для эксплуатации в условиях повышенных температур, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть указанной конструкции оборудована молниеотводом. Такая конструкция может представлять собой, в частности, сопло, заднюю втулку или окружную стенку двигателя.

В соответствии с изобретением также предлагается способ осуществления молниеотвода на защищаемой конструкции, причем указанный способ включает в себя по меньшей мере этапы, на которых:

- наносят на защищаемую конструкцию поверхностное покрытие, содержащее по меньшей мере один слой электропроводящей краски,

- прикрепляют поверх слоя электропроводящей краски поверхностного покрытия или непосредственно на конструкцию до формирования указанного поверхностного покрытия несколько электропроводящих элементов, разнесенных в пространстве,

- наносят на поверхностное покрытие защитное покрытие, содержащее теплоизолирующий и электропроводящий материал, причем защитное покрытие частично покрывает электропроводящие элементы.

В соответствии с первым аспектом способа по изобретению способ включает в себя этап, на котором металлические полосы прикрепляют, например путем приклеивания или при помощи механических крепежных средств, непосредственно к конструкции или к слою электропроводящей краски для формирования указанных электропроводящих элементов, причем металлические полосы содержат по меньшей мере одно ребро, выступающее над защитным покрытием.

В соответствии со вторым аспектом способа по изобретению металлические полосы имеют поперечное сечение треугольной, прямоугольной или квадратной формы.

В соответствии с третьим аспектом способа по изобретению способ дополнительно включает в себя этап, на котором по меньшей мере некоторые из электропроводящих элементов соединяют друг с другом.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества изобретения станут ясны из нижеследующего описания не накладывающих каких-либо ограничений примеров вариантов осуществления изобретения, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:

- на фиг. 1 представлена блок-схема этапов способа изготовления молниеотвода по изобретению, проиллюстрированного на фиг. 2A-2F,

- фиг. 2A-2F схематически иллюстрируют способ изготовления молниеотвода по одному из вариантов осуществления изобретения,

- на фиг. 3 представлена блок-схема этапов способа изготовления молниеотвода по изобретению, проиллюстрированного на фиг. 4A-4E,

- фиг. 4A-4E схематически иллюстрируют способ изготовления молниеотвода по другому варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Молниеотвод по изобретению предпочтительно, но не исключительно предназначен для использования с любыми конструкциями, выполненными из неэлектропроводящего материала или содержащими одну или несколько защищаемых поверхностей, выполненных из электроизолирующего материала или содержащих слой электроизолирующего материала, как, например, в случае теплозащитного покрытия, применяемого в ракетах-носителях, причем такие конструкции предназначены для использования в условиях повышенных температур.

Способ изготовления молниеотвода по одному из вариантов осуществления изобретения описан со ссылками на фиг. 1 и 2A-2F.

На фиг. 2A представлен аксиально-симметричный элемент 100, соответствующий конструкции, защищаемой от молний. Элемент 100 может быть выполнен из неэлектропроводящего термоструктурного композитного материала и соответствовать, например, одному из блоков ракетного двигателя или авиационного двигателя, подверженному воздействию высоких температур, создаваемых горячими газами, выходящими из двигателя.

Например, элемент 100 может быть выполнен из композитного материала типа карборунд/карборунд (SiC/SiC), который в соответствии с известными технологиями представляет собой материал, образованный основой из волокон SiC (карбида кремния, или карборунда), уплотненной матрицей SiC. Термоструктурные композитные материалы, к числу которых относится материал SiC/SiC, обладают высокой механической прочностью, что обеспечивает возможность изготовления из них конструктивных элементов, а также способностью сохранять свои механические свойства при повышенных температурах.

Элемент 100, внешняя поверхность которого выполнена из неэлектропроводящего материала, может быть подвержен воздействию молний. В случае попадания молнии в такой элемент или в блок, в состав которого он входит, образующаяся электрическая дуга может вызвать повреждение или разрушение элемента (в результате прямого или косвенного воздействия). То же верно и в отношении диэлектрических покрытий, предусмотренных на поверхности защищаемых конструкций.

В связи с этим в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения на внешней поверхности элемента 100, которая соответствует в данном случае защищаемой от молний части элемента 100, предусмотрен молниеотвод, устойчивый к повышенным температурам.

Осуществление молниеотвода начинают с нанесения на внешнюю поверхность защищаемого элемента 100 слоя металлической или электропроводящей краски 202 (этап S2, фиг. 2C). В описываемом примере на поверхность элемента 100 предварительно наносят слой грунта 201, например эпоксидного грунта, для лучшего закрепления электропроводящей краски (этап S1, фиг. 2B). Однако если состояние поверхности защищаемого элемента обеспечивает возможность закрепления на ней металлической краски, предварительное нанесение грунта не обязательно, и металлическая краска может быть нанесена непосредственно на поверхность элемента.

Электропроводящая краска и грунт, если его наносят, могут быть нанесены при помощи пневматического пульверизатора или вручную. Электропроводящая краска может быть образована из акриловой смолы, в которую включены пигменты на базе металлических частиц, например частиц серебра, алюминия, меди и т.д. При необходимости краска перед нанесением может быть разведена растворителем. Кроме того, для получения требуемой толщины слоя и, следовательно, заданной величины электропроводности, может быть предусмотрено последовательное нанесение нескольких слоев электропроводящей краски.

Осуществление молниеотвода продолжают путем установки на металлическую краску электропроводящих элементов (этап S4, фиг. 2E). В описываемом примере электропроводящие элементы представляют собой металлические полосы 204, выполненные, например, из алюминия или меди и имеющие поперечное сечение треугольной формы, образующее ребро 2040, выступающее вовне.

В описываемом примере металлические полосы 204 приклеивают на слой металлической краски 202 теплопроводящим клеем, например однокомпонентным силиконовым эластомером. Для этого на слой металлической краски 202 предварительно наносят слой грунта 203, представляющего собой, например, эпоксидный грунт с наполнителем из электропроводящих частиц, с целью облегчения приклеивания металлических полос 204 (этап S3, фиг. 2D).

Для образования остриев, позволяющих увеличить вероятность попадания в них молнии, электропроводящие элементы, используемые в молниеотводе, предпочтительно содержат по меньшей мере один выступ, направленный вовне от молниеотвода после прикрепления указанных элементов на металлическую краску. Так, форма поперечного сечения полос может быть отличной от треугольной. Например, электропроводящие элементы также могут быть образованы металлическими полосами, имеющими поперечное сечение квадратной или треугольной формы.

В описываемом варианте осуществления изобретения металлические полосы 204 приклеивают на слой металлической краски 202, покрытый слоем грунта 203. В то же время, для прикрепления металлических полос также могут быть использованы механические крепежные средства. В частности, могут быть использованы зажимные хомуты, предпочтительно предварительно приклеенные к слою грунта, или любая другая механическая система крепления металлических полос.

Ток, присутствующий в одной из металлических полос может быть по меньшей мере частично передан в другие металлические полосы через слой электропроводящей краски, что облегчает выведение тока, накапливающегося в одной или нескольких из металлических полос. В случае необходимости возможности выведения тока в молниеотводе могут быть еще более расширены при помощи прямых соединений между металлическими полосами посредством электропроводящих элементов, например, выполненных в виде металлических проводов или прядей.

После прикрепления металлических полос 204 на слой грунта 203 на расположенные между металлическими полосами 204 участки поверхностного покрытия, которое в данном случае представляет собой слой грунта 203, и на части металлических полос 204 наносят защитное покрытие 205 (этап S5, фиг. 2F). Толщина защитного покрытия меньше высоты металлических полос 204, в результате чего защитное покрытие 205 не покрывает ребра 2040, что позволяет им в полной мере выполнять свою функцию с точки зрения создания эффекта острия.

Защитное покрытие 205 обладает свойствами как теплоизолирующими для защиты металлической краски от окружающих тепловых потоков, так и электропроводящими для увеличения проводимости между металлическими полосами и металлической краской. Защитное покрытие 205 предпочтительно имеет теплопроводность менее 0,1 Вт⋅м^-1⋅К^-1 и поверхностное удельное сопротивление менее 200 Ом на квадрат. Защитное покрытие 205 может быть выполнено из силиконовой смолы с наполнителем из электропроводящих частиц, например частиц серебра. Защитное покрытие наносят методом напыления. Для получения требуемой толщины покрытия и, следовательно, заданной величины поверхностной проводимости, может быть предусмотрено последовательное нанесение нескольких слоев. Ребра 2040 полос 204 могут быть предварительно закрыты съемными защитными чехлами, предупреждающими нанесение на них защитного покрытия в процессе его напыления.

Таким образом, как показано на фиг. 2F, получают молниеотвод 200, расположенный на поверхности 100а элемента 100 и содержащий:

- поверхностное покрытие, состоящее в данном случае из первого грунта 201, слоя металлической краски 202 и второго грунта 203,

- несколько металлических полос 204, находящихся в контакте с металлической краской 202 через второй грунт 203, и

- защитное покрытие 205, нанесенное между металлическими полосами и частично покрывающее их.

Фиг. 3 и 4A-4E иллюстрируют другой вариант осуществления молниеотвода по изобретению, отличающийся от вышеописанного молниеотвода 200 тем, что металлические полосы прикрепляют непосредственно на поверхность защищаемой конструкции, а затем покрывают металлической краской.

Точнее, осуществление молниеотвода начинают с установки на защищаемой от молний конструкции 300 электропроводящих элементов, в данном случае представляющих собой металлические полосы 404 с поперечным сечением треугольной формы, образующим ребро 4040, направленное вовне (этап S1, фиг. 4A). Металлические полосы 404 могут быть приклеены к конструкции 300 или прикреплены к ней при помощи механических средств (хомутов, винтов и т.п.).

Затем на внешнюю поверхность защищаемой конструкции 300 наносят слой металлической или электропроводящей краски 402 (этап S3, фиг. 4C). В описываемом примере на поверхность конструкции 300 предварительно наносят слой грунта 401 для лучшего закрепления электропроводящей краски (этап S2, фиг. 4B). Однако если состояние поверхности защищаемого элемента обеспечивает возможность закрепления на ней металлической краски, предварительное нанесение грунта не обязательно, и металлическая краска может быть нанесена непосредственно на поверхность элемента.

В описываемом примере слой металлической краски 402 покрывает металлические полосы 404. Однако при нанесении слоя металлической краски металлические полосы могут быть временно закрыты так, чтобы металлическая краска их не покрывала.

Осуществление молниеотвода продолжают путем нанесения защитного покрытия 405 на расположенные между металлическими полосами участки поверхностного покрытия, которое в данном случае представляет собой слой грунта 401, и на части металлических полос 404 (этап S5, фиг. 4E). Толщина защитного покрытия меньше высоты металлических полос 404, в результате чего ребро каждой из полос выступает над защитным покрытием 405, что позволяет ему в полной мере выполнять свою функцию с точки зрения создания эффекта острия. В описываемом примере на металлическую краску, расположенную между полосами 404, предварительно наносят слой грунта 403 (этап S4, фиг. 4D).

Защитное покрытие 405 обладает свойствами как теплоизолирующими для защиты металлической краски от окружающих тепловых потоков, так и электропроводящими для увеличения проводимости между металлическими полосами и металлической краской. Защитное покрытие 405 предпочтительно имеет теплопроводность менее 0,1 Вт⋅м^-1⋅К^-1 и поверхностное удельное сопротивление менее 200 Ом на квадрат. Защитное покрытие может быть выполнено из силиконовой смолы с наполнителем из электропроводящих частиц, например частиц серебра. Защитное покрытие наносят методом напыления. Для получения требуемой толщины покрытия и, следовательно, заданной величины поверхностной проводимости, может быть предусмотрено последовательное нанесение нескольких слоев. Ребра 4040 полос 404 могут быть предварительно закрыты съемными защитными чехлами, предупреждающими нанесение на них защитного покрытия в процессе его напыления.

Таким образом, как показано на фиг. 4E, получают молниеотвод 400, расположенный на внешней поверхности элемента 300 и содержащий:

- несколько металлических полос 404, находящихся в контакте с конструкцией 300,

- поверхностное покрытие, состоящее в данном случае из первого грунта 401, слоя металлической краски 402 и второго грунта 403, и

- защитное покрытие 405, нанесенное между металлическими полосами и частично покрывающее их.

Реферат

Изобретение относится к области защиты от молний. Молниеотвод (200) установлен на защищаемой конструкции (100) и содержит поверхностное покрытие, несколько электропроводящих элементов (204), распределенных по конструкции, защитное покрытие (205). Поверхностное покрытие содержит по меньшей мере один слой электропроводящей краски (202). Указанные элементы находятся в контакте со слоем электропроводящей краски (202). Защитное покрытие (205) расположено поверх поверхностного покрытия и содержит теплоизолирующий и электропроводящий материал. Защитное покрытие (205) частично покрывает электропроводящие элементы (204). Изобретение обеспечивает эффективную защиту от молниевых разрядов. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формула