Тепловой дисплей существует ли
Прогресс в области военной техники каждый год выдает какие-нибудь новшества. Например, несколько лет назад появились пригодные для использования на вертолетах, бронетехнике и даже на стрелковом оружии тепловизоры. Тепловизор засекает чувствительной матрицей тепловой поток от нагретого предмета, который в окуляре прибора выглядит или белым, если прибор черно-белый, или красным, если прибор цветной.
Американская армия испытала тепловизоры во время второй иракской войны и пришла от них в неудержимый восторг. Ночью на фоне охладившейся пустыни силуэт танка был четко и ясно виден за километры — так, что можно было наводить оружие по тепловизионному изображению. После такого успеха армия США стала тысячами закупать чувствительные тепловизоры. Кроме того, BAE Systems по контракту создает для Армии США комбинированный прибор ночного видения и тепловизор, выполненный в виде очков. Разработка этих очков получила бюджет в 434 млн. долларов.
По мере накопления боевого опыта использования тепловизоров и появления в Интернете роликов, в которых демонстрировалось, как вертолет с тепловизионным прицелом расстреливает противника, будто на полигоне, стала постепенно распространяться своего рода «тепловизионная боязнь». Мол, американцы, оснащенные тепловизионными прицелами, могут ночью отстреливать противника, словно в тире. Разумеется, все это примерялось на российскую армию, пока что лишенную такого же количества тепловизионных приборов, и из этого делались душещипательные выводы: мол, американцы могут нас победить в войне.
Тепловизор дает тактические преимущества
Однако, несмотря на все достоинства, тепловизор пока еще довольно редкая штука даже для американской армии, в которую к началу 2012 года было поставлено около 13 тысяч тепловизионных приборов. Вертолеты и бронетехника ими уже оснащены, но вот у пехоты пока что тепловизоров не в избытке. Причина — довольно высокая цена, большой вес (самый легкий прибор для стрелкового оружия весит 1,7 кг, а пулеметный тепловизионный прицел весит 3,2 кг), а также сложности с электропитанием. К тому же компактные тепловизоры не имеют систем охлаждения матрицы, так что их дальность действия, разрешающая способность и четкость изображения далеко отстают от вертолетных прицелов.
Впрочем, даже если во взводе есть только один разведывательный тепловизор (вроде французского бинокля Sophie весом около 2 кг и дальностью опознавания человека в 1200-1300 метров), а пулеметы оснащены тепловизионными прицелами, то это дает существенное преимущество над противником в ночном бою. Тепловизоры позволяют увидеть позиции и перемещения противника, корректировать пулеметный огонь и нанести потери с максимальной дальности стрельбы, а дальше уже дело довершат пехотинцы с обычными приборами ночного видения.
Вообще, с развитием ночных приборов появилась тенденция: до 70% огневых контактов происходит ночью. Это и понятно: оснащенная ночными приборами сторона всеми силами старается реализовать свое техническое преимущество.
Так что вопрос о применении тепловизоров не стоит недооценивать. Даже если их у противника немного, можно потерпеть поражение. Впрочем, есть также тенденция преувеличения возможностей тепловизоров, которая явно используется для пропаганды, подавляющей боевой дух вероятного противника. «Тепловизионная боязнь» явно раздувается сознательно. Но мы это уже проходили. Новое оружие поначалу всегда вызывало такую «боязнь», пока не находились средства противодействия.
От поликарбоната до ватника
Как только это стало понятно, отечественная «выживальщическая» общественность стала интенсивно шевелить мозгами на тему того, как побороть новейшую технику потенциального супостата чем-то простым, вроде кирпича. Хотя сами по себе выживальщики часто вызывают лишь усмешку многими своими наивными представлениями, надо все же отдать должное: именно в вопросе обмана тепловизоров потенциональных захватчиков родных лесов и болот им удалось продвинуться далеко вперед. Все делалось по науке. На форумах устраивался мозговой штурм, а потом высказанные предложения проверялись в походно-боевых условиях с помощью охотничьего тепловизора. Он хоть и не столь хорош, как вертолетный тепловизионный прицел, но все же позволял оценить возможности техники и придуманного средства ее обмана. Выводы иллюстрировались фотоснимками.
Были высказаны и проверены, без особого преувеличения, десятки рацпредложений от народных изобретателей. Результат оказался, так скажем, потрясающим.
Оказалось, что самые простые и подручные материалы довольно легко блокируют тепловое излучение от тела, воспринимаемое тепловизором, что позволяет или замаскироваться (в приборе под маскировкой будет видно темное пятно там, где спрятался человек), или сильно размыть контуры теплового пятна. Последнее также весьма важно, поскольку затруднить опознавание цели так же важно, как скрыться от взгляда противника совершенно.
Первое. Существует много материалов, которые блокируют тепловое излучение. К ним относится стекло, способное скрыть тепло даже от весьма чувствительного датчика и на близком расстоянии, практически в упор. Прекрасный результат показал легкий лист сотового поликарбоната, не хуже, чем у стекла. На удивление неплохо выступил обычный полиэтилен, прозрачный для теплового излучения. Полиэтиленовая пленка, конечно, не закрывала источник тепла полностью, но зато сильно размывала его контуры. Среди растительности человека под полиэтиленовой накидкой разглядеть было бы весьма трудно.
Принцип оказался прост. Для блокирования теплового излучения, воспринимаемого тепловизором подходит любой материал, который сам плохо нагревается, не переизлучает и не отражает тепло. Чем хуже теплопроводность материала — тем лучше. К примеру, неопреновый гидрокостюм выглядит в тепловизоре черным. Один из участников мозгового штурма сделал удивительно простую и эффективную вещь — противотепловую маску на лицо. Он взял пищевую фольгу и полиэтилен, переложил их в несколько слоев и прошил для прочности. Затем он взял кусок туристической пенки (обычно это вспененный полиэтилен или этиленвинилацетат), прорезал в нем две узкие прорези для глаз, а снаружи прикрепил вышеописанный теплоотражатель. Походив в ней несколько минут, чтобы вся конструкция прогрелась теплом тела, он сделал снимок на тепловизор. На нем лицо было закрыто черным квадратом, в котором ярко горели, как у инопланетянина, две прорези для глаз. Автор разработки говорит, что прорези для глаз можно закрыть стеклом. Думается, что старая добрая ватно-марлевая маска из советского учебника по гражданской обороне покажет не худший результат.
Второе. Были проведены натурные испытания в условиях густой растительности, кустарника и особенно камыша. Оказалось, что в камышовых зарослях тепловизор человека не различает. Тепловой поток блокируется стеблями камыша, в которых циркулирует вода, что создает охлаждаемый экран. То же самое можно сказать о густой траве, густой листве, густом кустарнике. Все это преграда, за которой тепловизору трудно что-то разглядеть. Выживальщики от этого воспряли духом. Если американцы попробуют прочесать ночью наши леса, обладающие густым подлеском, то им в этом тепловизор не особо поможет. Все же, Россия — не Ирак, и условия тут другие.
Из этого был сделан вывод, что всякого рода щиты и укрытия из камыша, а также из фанеры могут быть вполне эффективной маскировкой от тепловизора. Это может быть, к примеру, самая обычная, плотная камышовая циновка. Главное — не подогревать ее теплом своего тела.
Поскольку климат России несколько отличается от Ирака, и тут бывают такие погодные явления, как дождь, снег и влажный туман, то было выяснено, что это также помогает против тепловизоров. Вода в пластиковой бутылке, к примеру, полностью скрывала тепло от нагретого паяльника. Мокрая накидка, например, плащ-палатка, скрывает тепло не полностью, но зато весьма ощутимо размывает тепловое пятно, делая его трудноузнаваемым. В мокром от дождя лесу от тепловизора будет мало проку.
Третье. Неплохо маскируют от тепловизора некоторые виды одежды. Судя по отзыву экспериментаторов, наилучшими оказались классические образцы: ватники, ватные штаны, бушлаты. Весьма неплохо показал себя мех, но не всякий. Лучше подходит мех с полым волосом, в наибольшей степени теплоизолирующий.
Американские стратеги могут скрежетать зубами: ватник и тут защищает русских. Водка тоже может быть средством защиты. На холоде даже небольшое количество спиртного ведет к сужению периферийных сосудов тела, что ведет к тому, что конечности охлаждаются и становятся менее заметны в тепловизоре. Можно все тело прикрыть защитой, но ярко светящиеся теплом руки могут человека выдать, особенно вблизи. Главное — не увлекаться и помнить об опасности обморожения.
Но это еще не все открытия. Из наиболее примечательного оказалось, что очень эффективным средством против тепловизора является обычный зонтик. Под открытым зонтом человек в тепловизоре не виден. Зонт блокирует тепловой поток от тела, но при этом сам не нагревается и тепло не переизлучает. Такой же эффект имеет палатка, да и вообще любой тканевый навес, расположенный на некотором расстоянии от людей.
Щит от тепловизора
Таким образом, усилиями общественности было показано, что тепловизор можно сделать бесполезным самыми простыми средствами, изготовляемыми из подручных материалов. Можно довольно легко замаскироваться на позиции, закрыть от теплового обнаружения огневую точку или позицию снайпера. При желании можно укрываться от обнаружения тепловизором даже в движении. Для этого потребуется ростовой щит, предположим из поликарбоната или легкой фанеры, который боец несет впереди себя левой рукой, для чего на щите делается специальное ременное крепление (обязательно теплоизолированное от щита). В щите проделывается бойница для наблюдения, закрытая прозрачной пластмассой или закаленным стеклом. Сам щит должен иметь маскировку и от визуального наблюдения: камуфляжную окраску и прикрепленные к нему стебли и ветки.
Тактически такой щит наиболее применим, во-первых, ночью, во-вторых, в сочетании с другими препятствиями, например, деревьями, кустами, строениями (но надо помнить, что каменные строения, нагретые солнцем, ночью светятся в тепловизоре и могут демаскировать того, кто пройдет на их фоне). Двигаться с ним лучше приставным шагом, следя за тем, чтобы щит не шевелил ветки деревьев и кустов (это будет видно в тепловизоре). Можно встать на колено и поставить щит перед собой, можно лечь и положить его перед собой или накрыться им. Для стрельбы надо немного повернуться в сторону, держа оружие наизготовку, но после выстрела (даже с ПБС; в тепловизоре нагретое теплом тела и выстрелов оружие будет гореть ярким пятном) надо тут же сменить позицию и укрыться щитом. Еще надо помнить, что частая стрельба из-за щита скоро приведет к тому, что горячие пороховые газы могут образовать в тепловизоре светлый ореол вокруг щита. Так что позицию желательно менять как можно чаще.
Обсуждается также возможность создания специальной теплоизолирующей экипировки, резко снижающей заметность в тепловизоре. Возможно, что такой комплект создать можно и он будет эффективен. Но вряд ли он будет широко распространен. Скорее всего, его будут использовать в спецназе и разведке. Для остальной армии останутся более простые и доступные средства тепловой маскировки вроде вышеописанных щитов или тканевых пологов и накидок, в особенности если это будет массовая армия.
Экраны современных устройств могут не только выводить изображение, но и позволяют взаимодействовать с устройством посредством сенсоров.
Современные технологии touchscreen
Изначально сенсорные экраны применялись в некоторых карманных компьютерах, а на сегодняшний день сенсорные экраны находят широкое применение в мобильных устройствах, плеерах, фото и видеокамерах, информационных киосках и так далее. При этом в каждом из перечисленных устройств может применяться тот или иной тип сенсорного экрана. В настоящее время разработано несколько типов сенсорных панелей, и, соответственно, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками. В данной статье мы как раз и рассмотрим, какие же бывают типы сенсорных экранов, их достоинства и недостатки, какой тип сенсорного экрана лучше.
Существует четыре основных типа сенсорных экранов: резистивные, емкостные, с определением поверхностно-акустических волн и инфракрасные. В мобильных же устройствах наибольшее распространение получили только два: резистивные и емкостные. Основным их отличием является тот факт, что резистивные экраны распознают нажатие, а емкостные – касание.
Резистивные сенсорные экраны
Данная технология получила наибольшее распространение среди мобильных устройств, что объясняется простотой технологии и низкой себестоимостью производства. Резистивный экран представляет собой LCD дисплей, на который наложены две прозрачные пластины, разделенные слоем диэлектрика. Верхняя пластина гибкая, так как на нее нажимает пользователь, нижняя же жестко закреплена на экране. На обращенные друг другу поверхности нанесены проводники.
Резистивный сенсорный экран
Микроконтроллер подает напряжение последовательно на электроды верхней и нижней пластины. При нажатии на экран гибкий верхний слой прогибается, и его внутренняя проводящая поверхность касается нижнего проводящего слоя, изменяя тем самым сопротивление всей системы. Изменение сопротивления фиксируется микроконтроллером и таким образом определяются координаты точки касания.
Из плюсов резистивных экранов можно отметить простоту и малую стоимость, неплохую чувствительность, а также возможность нажимать на экран как пальцем, так и любым предметом. Из минусов необходимо отметить плохое светопропускание (в результате приходится использовать более яркую подсветку), плохая поддержка множественных нажатий (multi-touch), не могут определять силу нажатия, а также довольно быстрый механический износ, хотя в сравнении со временем жизни телефона, этот недостаток не так уж и важен, так как обычно быстрее телефон выходит из строя, чем сенсорный экран.
Применение: сотовые телефоны, КПК, смартфоны, коммуникаторы, POS-терминалы, TabletPC, медицинское оборудование.
Емкостные сенсорные экраны
Емкостные сенсорные экраны делятся на два типа: поверхностно-емкостные и проекционно-емкостные. Поверхностно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло, на поверхность которого нанесено тонкое прозрачное проводящее покрытие, поверх которого нанесено защитное покрытие. По краям стекла расположены печатные электроды, которые подают на проводящее покрытие низковольтное переменное напряжение.
Поверхностно-емкостной сенсорный экран
При касании экрана образуется импульс тока в точке контакта, величина которого пропорциональна расстоянию из каждого угла экрана до точки касания, таким образом, вычислить координаты места касания контроллеру достаточно просто, сравнить эти токи. Из достоинств поверхностно-емкостных экранов можно отметить: хорошее светопропускание, малое время отклика и большой ресурс касаний. Из недостатков: размещенные по бокам электроды плохо подходят для мобильных устройств, требовательны к внешней температуре, не поддерживают multi-touch, касаться можно пальцами или специальным стилусом, не могут определять силу нажатия.
Применение: информационные киоски в охраняемых помещениях, в некоторых банкоматах.
Проекционно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло с нанесенными на него горизонтальными ведущими линиями проводящего материала и вертикальными определяющими линиями проводящего материала, разделенные слоем диэлектрика.
Проекционно-емкостной сенсорный экран
Работает такой экран следующим образом: на каждый из электродов в проводящем материале микроконтроллером последовательно подается напряжение и измеряется амплитуда возникающего в результате импульса тока. По мере приближения пальца к экрану емкость электродов, находящихся под пальцем, изменяется, и таким образом контроллер определяет место касания, то есть координаты касания – это пересекающиеся электроды с возросшей емкостью.
Достоинством проекционно-емкостных сенсорных экранов является быстрая скорость отклика на касание, поддержка multi-touch, более точное определение координат по сравнению с резистивными экранами и определение силы нажатия. Поэтому эти экраны в большей степени используются в таких устройствах, как iPhone и iPad. Также стоит отметить большую надежность этих экранов и, как следствие, больший срок работы. Из недостатков можно отметить, что на таких экранах касаться можно только пальцами (рисовать или писать от руки пальцами очень неудобно) или специальным стилусом.
Применение: платежные терминалы, банкоматы, электронные киоски на улицах, touchpads ноутбуков, iPhone, iPad, коммуникаторы и так далее.
Сенсорные экраны ПАВ (поверхностно-акустические волны)
Состав и принцип работы данного типа экранов следующий: по углам экрана размещены пьезоэлементы, которые преобразуют подаваемый на них электрический сигнал в ультразвуковые волны и направляют эти волны вдоль поверхности экрана. Вдоль краев одной стороны экрана распределены отражатели, которые распределяют ультразвуковые волны по всему экрану. На противоположных от отражателей краях экрана расположены сенсоры, которые фокусируют ультразвуковые волны и передают их далее на преобразователь, который в свою очередь преобразует ультразвуковую волну обратно в электрический сигнал. Таким образом, для контроллера экран представляется в виде цифровой матрицы, каждое значение которой соответствует определенной точке поверхности экрана. При касании пальцем экрана в любой точке происходит поглощение волн, и в результате общая картина распространения ультразвуковых волн изменяется и в результате преобразователь выдает более слабый электрический сигнал, который сравнивается с хранящейся в памяти цифровой матрицей экрана, и таким образом вычисляются координаты касания экрана.
Сенсорный экран ПАВ
Из достоинств можно отметить высокую прозрачность, так как экран не содержит проводящих поверхностей, долговечность (до 50 млн. касаний), а также сенсорные экраны ПАВ позволяют определять не только координаты нажатия, но и силу нажатия.
Из недостатков можно отметить более низкую точность определения координат, чем у емкостных, то есть рисовать на таких экранах не получится. Большим недостатком являются сбои в работе при воздействии акустических шумов, вибраций или при загрязнении экрана, т.е. любая грязь на экране блокирует его работу. Также данные экраны корректно работают только с предметами, поглощающими акустические волны.
Применение: сенсорные экраны ПАВ в основном в охраняемых информационных киосках, в образовательных учреждениях, в игровых автоматах и так далее.
Инфракрасные сенсорные экраны
Устройство и принцип работы инфракрасных сенсорных экранов довольно простой. Вдоль двух прилегающих друг к другу сторон сенсорного экрана расположены светодиоды, излучающие инфракрасные лучи. А на противоположной стороне экрана расположены фототранзисторы, которые принимают инфракрасные лучи. Таким образом, весь экран покрыт невидимой сеткой пересекающихся инфракрасных лучей, и если коснуться экрана пальцем, то лучи перекрываются и не попадают на фототранзисторы, что немедленно регистрируется контроллером, и таким образом определяются координаты касания.
Инфракрасный сенсорный экран
Применение: инфракрасные сенсорные экраны используются в основном в информационных киосках, торговых автоматах, в медицинском оборудовании и т.д.
Из достоинств можно отметить высокую прозрачность экрана, долговечность, простоту и ремонтопригодность схемы. Из недостатков: боятся грязи (поэтому используются только в помещении), не могут определять силу нажатия, средняя точность определения координат.
P.S. Итак, мы рассмотрели основные типы наиболее распространенных сенсорных технологий (хотя есть еще и менее распространенные, такие, как оптические, тензометрические, индукционные и так далее). Из всех этих технологий наибольшее распространение в мобильных устройствах получили резистивные и емкостные, так как обладают высокой точностью определения точки касания. Из них наилучшими характеристиками обладают проекционно-емкостные сенсорные экраны.
Текст подготовлен по материалам из открытых источников методистами по Технологии Карабиным А.С., Л.В. Гаврик, С.В. Усачёвым
В паспорте каждого светодиодного дисплея указан рабочий диапазон температур.
В зависимости от производителя и модели, заявленный минимум может колебаться от – 10°С до – 40°С, заявленный максимум от + 35 до +60°С.
Такой разброс обусловлен рядом причин:
- качество светодиодов;
- тип блоков питания;
- наличие систем обогрева и охлождения;
- материал подложки, на который крепятся светодиоды;
- материал корпуса экрана;
- тип экрана (кабинетный, гибкий на силиконовой подложке, кластерный и т.д.); .
Светодиодные дисплеи – приборы, работающие на полупроводниковых микросхемах. При пропускании тока через кристаллы, они начинают светиться и одновременно выделять сухое тепло. Тепло выделяет и соединительная проводка. Количество его не столь велико, чтобы микросхемам требовались мощные вентиляторы, но достаточное, чтобы обеспечить нормальную работу устройства.
Проводящие свойства полупроводники теряют лишь при абсолютном нуле (-273,15°С). А микросхемы на полупроводниковых светодиодах прекрасно работают при низких температурах.
Таким образом, при включенном состоянии экрана, морозы, непосредственно для светодиодов, опасности не представляют. Включение экрана при низкой температуре, может негативно отразиться на кристалле диода, поэтому рекомендуем перед включением прогреть экран тепловой пушкой.
Холод, а именно многократная заморозка/разморозка может быть опасна для элементов микросхем, подложки, проводки, самого корпуса. Также все зависит от физико-химических свойств материалов, из которых изготавливают детали. Если подложка гибкого дисплея способна выдержать мороз до – 10°С, при – 20°С она просто потрескается, при – 40°С может рассыпаться.
На рабочие температуры влияет герметичность корпуса. Если внутри кабинета попадет влага, устройство придет в негодность. Это может случиться, если на морозе корпус станет разрушаться, тепло, выделяемое светодиодами, начнет выходить наружу, произойдет обледенение поврежденных зон и при малейшем повышении температуры окружающей среды, влага попадет на микросхемы, что приведет к поломке.
Защита светодиодных дисплеев от низких температур
Чтобы экран хорошо работал в холодном климате, он:
- должен быть адаптирован для этого климата, т.е. корпус, изоляция, крепежи должны быть изготовлены из морозостойких материалов;
- в морозы экран должен работать непрерывно, в крайнем случае, находится в режиме «stand-by»;
- при проектировании необходимо включить специальную систему обогрева для светодиодных экранов.
В режим «stand-by» дисплей разумно переводить в тех населенных пунктах, где их работа в ночное время запрещена.
При этом устройство продолжает работать, внутри него сохраняется приемлемая, для нормального функционирования температура, но он не светится.
Отключать дисплей в морозную погоду крайне нежелательно. Это может привести к поломке. Если экран был отключен, и за время его простоя температура воздуха резко упала, перед включением лучше вызвать специалистов по обслуживанию LED-дисплеев, которые помогут снизить вероятность поломки экрана, выполнив предварительный разогрев оборудования.
Потенциальным покупателям холодных регионов страны стоит серьезно подходить к вопросу производства уличных дисплеев, отдавая предпочтение не раскрученным брендам или дешевым китайским аппаратам, а устройствам российской сборки с качественными светодиодами Samsung, Nichia, Sharp и т.д. Кроме того, российские производители на стадии проектирования могут включить дополнительное оборудование для обогрева экрана.
Сегодня источником изображения для светодиодного экрана может быть любое устройство – от телевизора до видеокамеры.
Зачем нужна система управления LED-экраном и каких типов она бывает? Узнайте об этом, прочитав нашу статью.
После доставки экран необходимо проверить на наличие повреждений и неисправностей. Как это сделать правильно, подробно описано здесь.
Многоразовые системы
Область применения многоразовых систем по сравнению с системами, изготовленными из абляционных материалов.
Большие возвращающиеся объекты, такие как орбитальный аппарат космического челнока , подвергаются относительно скромным условиям окружающей среды, по крайней мере, по сравнению с космическими зондами. Действительно, необходимость получения малых ускорений для полета человека сопровождается получением умеренных тепловых потоков. Отсюда конструкция маневрирующих объектов, способных к значительному падению на большой высоте и, следовательно, к значительному торможению в разреженных частях атмосферы . Тепловая защита многоразовая. Поэтому для получения этого результата термический режим основан на повторном излучении большой части падающей энергии, полученной с помощью поверхности с высокой излучательной способностью и материала с низкой теплопроводностью .
Мы можем выделить три типа регионов:
- передняя оконечность и передние кромки крыльев, которые испытывают самые суровые условия окружающей среды. Материал использует углерод-углерод в плотности 1980 кг / м 3 , сформированная из нитей , полученных с помощью текстильного прядения из углеродных волокон , пропитанных углерод , полученного путем пиролиза из полимеровна месте . Он защищен от кислорода отложением карбида кремния, который также образуется на месте . Эти части выполняют структурную функцию. Максимальная температура достигает 1900 К ;
- нижняя часть, при входе с подветренной стороны, выложена плиткой. Примером является высокотемпературная многоразовая поверхностная изоляция (HRSI), содержащая структуру, образованную из очень пористых волокон диоксида кремния (пористость 94%), покрытых слоем боросиликата, содержащего добавку, предназначенную для увеличения излучательной способности поверхности, отсюда и ее черноватый вид. . Плотность 140 кг / м 3 . Температура поверхности достигает около 1500 К ;
- менее открытые части защищены плиткой из низкотемпературной многоразовой теплоизоляции (LRSI), аналогичной предыдущим, но с отложением оксида алюминия, которое придает ей белый цвет. Они являются квалифицированными для использования до 900 K . Они участвуют в терморегулировании на орбите, поэтому мы выбрали поверхность с высоким коэффициентом отражения и, следовательно, низким коэффициентом излучения.
На местном уровне используются другие изоляторы с более низкими характеристиками. В целом вес тепловой защиты, то есть 8 574 кг [недостаточный источник] , составляет около 10% от общей массы орбитального корабля.
Учитывая сложность внешней поверхности шаттла, тепловая защита разрезается на большое количество плиток (20 548 плиток на американском шаттле, 38 600 плиток на "Буране"). Это приводит не только к сложному техническому управлению, но и к важной технической проблеме - стыку плиток. Фактически, проблема расширения должна быть решена с проблемой проникновения горячих газов в промежуток между двумя плитками.
Почему выпускают экраны с разным диапазоном рабочих температур?
Если сравнить технические характеристики LED-дисплеев, выпускаемых в южных странах и регионах с устройствами, производимыми в северных регионах, минимальные рабочие температуры «южных» устройств значительно выше. Обусловлено это экономическими и производственными факторами. В городе, где температура не опускается ниже – 5°С, нет смысла устанавливать экран, способный работать при – 20°С.
В южных странах часто вообще не производят морозостойкие материалы либо выпускают небольшое количество на экспорт, поэтому, на изготовление светодиодных дисплеев идут типичные для данного климата пластики, силиконы и иные расходные материалы. Тоже самое касается изоляционных материалов.
Примечания и ссылки
Обратно в школу феномен
Во время входа в атмосферу объект, обитаемый или нет, подвергается воздействию жестких условий с точки зрения ускорения и теплового потока , а также химического характера. Действительно, при высоких температурах вблизи поверхности космического корабля присутствующие химические вещества обладают сильной окислительной способностью, будь то кислород в атмосфере Земли или углекислый газ, присутствующий на Марсе или Венере. Стабильная форма последнего газа при высокой температуре, являющаяся монооксидом (CO), высвобождает доступный кислород для связывания с материалом, из которого сделана поверхность.
Каким бы ни было устройство, важен аспект теплоизоляции по толщине экрана. Есть два основных класса решений. В первом эту функцию выполняет изолятор, расположенный под материалом поверхности. Во втором случае это материал поверхности, который имеет требуемые качества, в любом случае достаточные, чтобы избежать всех технологических проблем, связанных с границей раздела двух наложенных друг на друга материалов.
Профили входа в атмосферу для различных миссий НАСА. Справа, процент массы, представленный теплозащитным экраном.
Библиография
История изученных и разработанных методов посадки космического корабля на Землю (в центре внимания американских достижений)
Проблемы эксплуатации LED-дисплеев при низких температурах
Если сама конструкция способна выдержать мороз, то проблемы эксплуатации сводятся лишь к поддержанию непрерывного режима работы экрана и установки обогревающего оборудования, либо вызова специальной службы, которая будет обогревать экран в мороз во время простоя. Средняя цена такой услуги 500 руб/кв.м. площади.
Хотя производители многих устройств указывают минимальную рабочую температуру -30°С, экран может работать и при более низких значениях. Ярким примером служит кабинетный светодиодный экран, установленный в 2013 году в центре Салехарда. Устройство работает бесперебойно при температурах ниже – 45°С.
А тепловой экран предназначен для защиты объекта от перегрева путем рассеивания, отражения или простого поглощения тепла. Этот термин чаще всего используется в отношении управление вытяжным теплом и системам отвода тепла за счет трения.
Автомобильная промышленность
Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, на большинстве двигателей используются тепловые экраны для защиты компонентов и кузова от теплового повреждения. Помимо защиты, эффективные тепловые экраны могут повысить производительность за счет снижения температуры под капотом и, следовательно, снижения температуры на входе. Теплозащитные экраны сильно различаются по цене, но большинство из них легко устанавливаются, обычно с помощью зажимов из нержавеющей стали или высокотемпературной ленты. Существует два основных типа автомобильного теплозащитного экрана:
- Жесткий теплозащитный экран до недавнего времени изготавливали из твердой стали, но теперь часто из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие теплозащитные экраны изготавливаются из алюминиевого листа или других композитов с керамическим термобарьерным покрытием для улучшения теплоизоляции.
- Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого листа, продается в плоском виде или в рулоне и сгибается вручную монтажником. Высокопроизводительные гибкие теплозащитные экраны иногда включают дополнительные элементы, например керамическую изоляцию плазменное напыление. Эти новейшие продукты широко используются в топовом автоспорте, таком как Формула 1.
- Текстильные теплозащитные экраны, используемые для различных компонентов, таких как выхлопная система, турбонагнетатель, DPF или другие компоненты выхлопной системы.
В результате тепловой экран часто устанавливается как любителями, так и профессионалами во время фазы тюнинг двигателя.
Теплозащитные экраны также используются для охлаждения вентиляционных отверстий опоры двигателя. Когда автомобиль движется на более высокой скорости, набегающего воздуха достаточно для охлаждения моторного отсека под капотом, но когда автомобиль движется на более низких скоростях или поднимается по уклону, возникает необходимость изолировать тепло от двигателя, чтобы передать его другим частям вокруг него. , например Крепления двигателя. С помощью надлежащего термического анализа и использования теплозащитных экранов вентиляционные отверстия опоры двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик. [2]
Резюме
Содержание
Использует
Самолет
Немного самолет на высокой скорости, например Конкорд и SR-71 Блэкберд, должны быть спроектированы с учетом аналогичного, но меньшего перегрева, чем в космическом корабле. В случае Concorde алюминиевая носовая часть может достигать максимальной рабочей температуры 127 ° C (что на 180 ° C выше, чем температура окружающего воздуха ниже нуля); Металлургические последствия, связанные с пиковыми температурами, были важным фактором при определении максимальной скорости самолета.
Недавно были разработаны новые материалы, которые могут превосходить RCC. Прототип ОСТРЫЙ (Sкредитор ЧАСсверхскорость Аэротермодинамический рesearch пхалат) основан на сверхвысокотемпературная керамика такие как диборид циркония (ZrB2) и диборид гафния (HfB2). [3] Система тепловой защиты на основе этих материалов позволила бы достичь скорости число Маха 7 на уровне моря, 11 Махов на высоте 35000 метров и значительные улучшения для транспортных средств, предназначенных для гиперзвуковая скорость. Используемые материалы обладают характеристиками теплозащиты в диапазоне температур от 0 ° C до + 2000 ° C, с температурой плавления более 3500 ° C. Они также конструктивно более устойчивы, чем RCC, поэтому не требуют дополнительных укреплений и очень эффективны при повторном излучении поглощенного тепла. НАСА профинансировал (а впоследствии прекратил) программу исследований и разработок в 2001 году для тестирования этой системы защиты в Университете Монтаны. [4] [5]
В Европейская комиссия профинансировал исследовательский проект C3HARME в рамках проекта NMP-19-2015 от Рамочные программы исследований и технологического развития в 2016 году (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и испытаний нового класса ультра-огнеупорные керамические матричные композитные армированный волокнами карбида кремния и углеродные волокна подходит для применения в суровых условиях аэрокосмической отрасли. [6]
Тепловой экран командного модуля « Аполлон-12» абляционного типа был серьезно разрушен при входе в атмосферу на Землю.
Теплозащитный экран , в области астронавтики , предназначен для защиты космического аппарата , когда он входит в атмосферу планеты . Пространство механические приводит в силе очень высокая скорость прибытия , которая представляет собой, например, от 7 до 12 километров в секунду для оборудования , поступающего в атмосферу Земли и от наземной или орбиты Луны. Как только атмосфера становится плотнее, огромная кинетическая энергия транспортного средства превращается в тепловую энергию., доведя температуру его поверхности до нескольких тысяч градусов. Тепловой экран отвечает за предотвращение попадания тепла на конструкцию транспортного средства, чтобы предотвратить его разрушение и потерю транспортного средства.
В зависимости от типа миссии используются два типа устройств: многоразовые системы, предназначенные для переизлучения значительной части полученной энергии в конвективной и радиационной формах , и абляционные системы , в которых часть материала исчезает под воздействием различных физико-химических веществ. явления, обеспечивая защиту, которая накладывается на явление излучения. Этот последний процесс является наиболее частым.
Реакция материалов на окружающую среду
Каким бы ни было устройство, важен аспект теплоизоляции по толщине экрана. Есть два основных класса решений. В первом эту функцию выполняет изолятор, расположенный под материалом поверхности. Этот метод использовался редко: один из примеров - Бытие . Во втором случае это материал поверхности, который имеет требуемые качества, в любом случае достаточные, чтобы избежать всех технологических проблем, связанных с границей раздела двух наложенных друг на друга материалов.
Тепловая защита, используемая для этого типа приложений, реагирует следующими механизмами:
- поверхностное излучение : составляет от 60 до 80% рассеиваемой энергии;
- физико-химические поверхностные реакции ( абляция ) и, возможно, объемные реакции ( пиролиз смолы): от 15 до 50%;
- теплопроводность материала: от 10 до 20%.
Это разделение содержится в уравнении баланса энергии в геометрической системе координат, связанной со стеной.
где - конвективный тепловой поток, зависящий от температуры стенки и поверхностного массового расхода абляции , термин, содержащий все детали физико-химических реакций и, следовательно, сам зависящий от других параметров. Это связано со скоростью абляции с помощью . Плотность материала не проявляется напрямую: два материала с одинаковыми свойствами, но разной плотностью удаляются с одинаковым массовым расходом. - поток излучения (если есть). - энтальпия газа, материала и поток проводимости в материале. Это уравнение просто говорит о том, что падающая энергия (левая часть уравнения) используется для преобразования твердого тела в газ при температуре стенки, а избыток переносится внутрь материала за счет теплопроводности. Он фиксирует «точку равновесия» представляющей системы . На практике температура достигает от 2000 до 4000 К , поэтому значение фиксируется парой теплового потока материала-эталона. q Т п > м ˙ >> Т п > v в м ˙ знак равно ρ v в > = \ rho v_ > ρ q р > час п > час s > q против о нет d > Т п >
Особенностью абляции является наличие стационарного состояния : все величины неизменны в геометрической привязке, привязанной к стене. Это предположение составляет хорошее приближение к явлению. Следовательно, если мы проведем простой баланс между поверхностью и холодной частью, мы можем дать ток проводимости:
где - температура холодной части материала. Проводящий поток использовался для изменения температуры материала с на по мере движения потока . Т 0 > Т 0 > Т п > м ˙ >>
Этот ток проводимости обуславливает температурный градиент и, следовательно, механические напряжения в материале. Это причина возможной деградации последних в процессе эксплуатации. Отсюда первый общий критерий: максимальный поток обуславливает использование данного материала. Примером является SLA561V, который распадается от 3 MWm 2, что делает его хорошим материалом для марсианского зонда, но делает его непригодным для наземного входа. q против о нет d знак равно - λ грамм р в d ( Т ) = - \ lambda grad (T)>
Если перенести это уравнение на предыдущее, получится:
Для данного материала диапазон рабочих температур относительно невелик, и поэтому массовый расход абляции приблизительно пропорционален падающему тепловому потоку. Таким образом, общая толщина абляции в точке будет примерно пропорциональна количеству тепла, полученного на поверхности в этой точке. Это составляет второй общий критерий в данной области.
Абляция
Абляции средства реакции , физико - химические , испытываемое поверхности материала или в области вблизи последнего достигается за счет газа из пограничного слоя . Химические реакции происходят в основном с присутствующим кислородом. Эти реакции экзотермичны и поэтому очень неблагоприятны в энергетическом балансе. Будучи очень быстрыми при высокой температуре, они потребляют весь доступный кислород: именно диффузия этого кислорода в пограничном слое составляет ограничивающий механизм. Другие реакции, например с азотом, гораздо менее важны, за исключением определенных видов, которые могут играть роль в радиации.
Материалы также претерпевают физические превращения, например, в случае углерода сублимацию . Это явление очень эндотермическое, но встречается только в самых тяжелых случаях. Некоторые материалы, такие как диоксид кремния, образуют жидкую фазу, которая играет защитную роль на поверхности.
Поэтому в энергетическом балансе абляция является важным элементом только в самых тяжелых случаях.
Поскольку используемые материалы представляют собой композиты, различные составляющие аблируют с разной скоростью, что создает сложную поверхность, изменяющую обмен массы и тепла. Даже на однородном материале нестабильность потока может создавать геометрические узоры типа выемки, которые также влияют на обменные поверхности между теменными поверхностями.
Пиролиз
Многие материалы содержат одну или несколько смол, которые разлагаются при нагревании. Это явление пиролиза является эндотермическим. Во время этого разложения часть превращается в углерод, примерно на 50% в случае фенольной смолы. Другая часть превращается в газ, который мигрирует к поверхности, где участвует в явлении блокировки . Это явление не меняет качественно глобальные механизмы, описанные выше, но значительно усугубляет проблему из-за того, что многочисленные химические частицы создаются и вводятся в пограничный слой .
Проводимость в материале
Передача тепла внутри материала происходит за счет теплопроводности в твердой фазе, а также за счет внутреннего излучения в материалах с высокой пористостью . Однако после пиролиза в PICA этот показатель достигает 90%. В таких условиях, внутренний радиационный перенос становится доминирующим от 2000 K . В проводимости возрастает от 0,2 Вт / м / К при комнатной температуре в объемном значение 4 Вт / м / К до 3000 К . Несмотря на такую высокую стоимость, этот материал можно использовать без дополнительного утепления.
Принцип работы
Теплозащитные экраны защищают конструкции от экстремальных температур и температурных градиентов с помощью двух основных механизмов. Теплоизоляция и радиационное охлаждение, которые соответственно изолируют нижележащую структуру от высоких температур внешней поверхности, при этом выделяя тепло наружу через тепловое излучение. Для достижения хорошей функциональности три характеристики теплозащитного экрана являются низкими. теплопроводность (высоко термическое сопротивление), высоко излучательная способность и хорошая термическая стабильность (рефрактерность). [1] Пористая керамика с покрытиями с высокой излучательной способностью (HEC) часто используется для решения этих трех характеристик благодаря хорошей термической стабильности керамики, теплоизоляции пористых материалов и хорошей радиационное охлаждение эффекты, предлагаемые HEC.
Абляционные системы
Тепловые экраны, используемые для космических зондов, выдерживают гораздо более суровые условия, чем у космических кораблей . Максимальные тепловые потоки находятся в МВт / м 2 : 5 для Аполлона 4 , 11 для Звездной пыли , самого серьезного повторного входа на сушу за всю историю, и до 350 для Галилея , который вошел в атмосферу на скорости 47 км / с. Юпитер. Это эталонный тепловой поток, который увидит гипотетическая холодная инертная стена. В самом деле, реальное значение зависит от материала, через приземную температуру и явление вдувания газов в результате физического или химического разложения, которое препятствует конвекции горячих газов в пограничном слое . Это явление значительно снижает тепловой поток, а также перенос газов к стене, в частности кислорода, когда он присутствует. Иногда его называют блокировкой .
Материалы
Для работы в более или менее суровых условиях были разработаны различные материалы. Эти композиционные материалы чаще всего изготавливаются из кремнезема или углеродных волокон . Их используют непосредственно в виде войлока или собирают в фитили (или нити ) и ткут. Они структурированы осаждением или инфильтрацией, чаще всего фенольной , эпоксидной или силиконовой смолы , реже углерода. В прошлом дизайнеры сочли полезным добавлять различные добавки. Можно варьировать состав материала, который, таким образом, составляет скорее семейство, чем отдельный материал. По этой причине после их имени обычно стоит номер, обозначающий используемый вариант. Также существует семейство материалов, основанное на использовании пробки, пропитанной силиконовой смолой.
Основные материалы, используемые в американских и японских космических полетах:
- Углеродная фенольная пленка FM5055 с пленкой плотностью 1450 кг / м 3 и почти нулевой пористостью, образованная драпированными углеродными тканями и фенольной смолой, используется в зондах Pioneer и атмосферном зонде Galileo (проникновение в атмосферу Юпитера). Аналогичный материал был использован для капсулы возврата пробы Хаябуса ;
- Avcoat5026-39G, плотность 530 кг / м 3 и пористость 25%, материал, используемый для командного модуля Apollo (возврат на Землю), нанесенный на сотовую основу из кварцевого волокна и фенольной смолы. Это материал, состоящий из коротких волокон диоксида кремния и эпоксидной смолы с различными добавками (измельченные волокна диоксида кремния, микрошарики из фенольной смолы);
- Сверхлегкий аблятор SLA561V, плотность 260 кг / м 3 , на пробковой основе, используется на Viking , Pathfinder , Mars Exploration Rover , Phoenix (во всех случаях спуск в атмосферу Марса). Этот материал нанесен на сотовую основу;
- Углеродный аблятор с фенольной пропиткой PICA15, плотность 250 кг / м 3 (15 фунт / фут 3 ), нетканый материал, состоящий из коротких углеродных волокон и фенольной смолы, используемый в капсуле возврата образца Stardust , зонде лаборатории Mars Science Laboratory (спуск в атмосфера Марса) и предусматривается для Ориона (возвращение на Землю после лунной миссии).
Легкие материалы обладают очень высокой пористостью. Например, пористость PICA составляет 80%. Во всех случаях термическое разложение смол создает или увеличивает эту пористость.
Усилия по созданию легких материалов объясняются относительно большой массой теплозащитного экрана, который составляет 15% машины для Аполлона и четверти Галилея .
Читайте также: