17 Января 2016

Космический утеплитель

Полиуретаны являются неотъемлемой частью современной жизни. Ваш красивый и блестящий автомобиль, ваши любимые кроссовки и кеды, мягкий диван и удобное кресло, и даже медвежонок дочурки — все сделано с применением полиуретана. Возможность производства из полиуретана материала с исключительной теплопроводностью наряду с целым набором особых качеств делает этот материал одним из наиболее популярных утеплителей, не только на планете Земля, но и в космосе.

1.png

Немного истории

В 1937 году немецкий химик Отто Байер изобрел полиуретан, а уже три года спустя полиуретановая пена впервые применялась в самолетостроении. Материал пришелся очень кстати: в мире начиналась эпоха освоения космоса.

Инженерам сразу же приглянулся новый легкий и прочный материал с удивительно низкой теплопроводностью, который как нельзя лучше справлялся с экстремальными температурами в открытом космосе: перепад температур колеблется от 120°C до минус 150°C в тени глубокого космоса. Полиуретан словно создан для сложных условий эксплуатации. Его по праву можно назвать космическим материалом, поскольку он сочетает в себя ряд уникальных качеств. Во-первых, он превосходный утеплитель. Слой полиуретана толщиной 1,6 см обеспечивает такую же изоляцию, как и бетонная стена толщиной 1,34 м. Материал демонстрирует малое водопоглощение. Полиуретан является одним из самых жестких эластомеров, отличающихся высокой прочностью. Коэффициент прочности на сжатие составляет более 120 кПа.  К тому же это долговечный материал, срок его безотказной службы без потери теплоизоляционных качеств составляет более 50 лет. А после этого срока он может получить вторую жизнь, будучи переработанным.

Рокот космодрома: применение PIR в космической отрасли России с 1976 года

 2.png
Ракета-носитель «Энергия» и космоплан «Буран». Фото: HPH (de.wikipedia)

Все уникальные свойства материала пригодились конструкторам при создании многоразовых транспортных космических кораблей, программа по созданию которых стартовала в США в 1971 году и называлась «Спейс Шаттл». Ответом ей стала система «Энергия – Буран» в Советском Союзе, начатая в 1976 году. Несмотря на конструктивные различия двух комплексов, оба использовали для запуска «челнока» внешний топливный бак с водородом и кислородом в жидком состоянии, который нуждался в теплоизоляции.

Для этого американцы использовали новое поколение полиуретанов – PIR, который на тот момент был в США достаточно распространенным утеплителем. А вот лучшим научным умам Союза предстояло в кратчайшие сроки разработать аналогичную технологию изготовления и применения PIR. И с этой задачей они справились: производство было налажено! Однако PIR был очень дорогим материалом, поскольку выпускался маленькими партиями из очень дефицитного сырья.

Так почему именно PIR?

Игорь Ромуальдович Шидловский, начальник лаборатории теплоизоляционных и теплозащитных покрытий завода «Прогресс» в 1981-1997 гг., вспоминает: «PIR (теплоизоляция на основе пенополиизоцианурата) стал безальтернативным материалом для теплоизоляции топливного бака ракеты-носителя. Материал позволял сохранить необходимый температурный режим для газов, находящихся внутри отсеков бака в жидком состоянии — минус 183 °C для жидкого кислорода и минус 253 °C для жидкого водорода — в жесточайших условиях механических перегрузок и динамического нагрева во время запуска корабля». 

Низкий коэффициент теплопроводности материала обуславливается пористой внутренней структурой. В результате процесса полимеризации образуются закрытые ячейки, заполненные инертным газом, который, как известно, является самым лучшим теплоизолятором. Большое количество таких пор в материале – до 96% — делает его объемным и сверхлегким.

«Одним из великолепных свойств полиуретана является то, что в момент вспенивания он обладает очень хорошей адгезией, в особенности к металлам», - рассказал Игорь Ромуальдович. От клеевого крепления панелей из полиуретана отказались — слишком большая масса, один клей весил тонны. Напыление пеной позволило увеличить полезную нагрузку, за каждый грамм которой так боролись все специалисты проекта. «Энергия» могла вывести на орбиту около 100 тонн полезного груза, в то время как Спейс Шаттл — только 30 тонн.

Еще одно неоспоримое преимущество PIR – его высокие противопожарные характеристики. PIR – это последнее поколение полиуретанов и благодаря своей структуре PIR не горит, не поддерживает горение и не распространяет пламя. При взаимодействии с пламенем наружный слой полиизоцианурата обугливается и на поверхности образуется углеродная матрица, которая защищает внутренние слои полимера и препятствует дальнейшему распространению пламени.

Такой разный полиуретан

Сегодня полиуретаны применяются в ракетно-космической технике в самых различных областях. «Благодаря своей низкой теплопроводности пенополиуретаны применяются для теплоизоляции, а также в качестве материала-заполнителя при создании трехслойных панелей из-за своей относительной прочности и малой плотности», — комментирует Александр Шаенко, руководитель образовательной программы «Современная космонавтика» в Университете машиностроения. Он поясняет, что трехслойные панели - это силовые элементы конструкции (створки головных обтекателей, аэродинамические рули, обшивка модулей).

Из космоса на крышу

Согласно данным ISOPA (Европейской ассоциации производителей диизоцианатов и полиола), в одной только Европе ежегодно производится до 2 млн тонн полиуретанов.  Ожидаемое потребление материала в 2015 году во всем мире составит 7,1 млн тонн, из них 5-6 млн тонн получит применение в строительной отрасли для теплоизоляции стен, крыш и фундамента. Современной версией утеплителя на основе пенополиуретана является пенополиизоцианурат (PIR). Благодаря своей прочности, компактности и легкости он является самым популярным утеплителем во всем мире на объектах коммерческой недвижимости, особенно при строительстве торговых центров, логистических комплексов и холодных складов. Помимо своей экологической безопасности и прочих перечисленных выше свойствах полиуретана, PIR может предложить владельцу здания энергоэффективность — экономию энергии за счет уменьшения ее количества, необходимого для нагрева или охлаждения здания. Низкая теплопроводность PIR сохраняется в течении долгого времени. Исследования Федерации Европейских Ассоциаций Жесткого Полиуретана PU Europe доказали, что полиуретановая изоляция полностью соответствует всем заявленным значениям и характеристикам спустя 33 года. Это обеспечивает минимальное энергопотребление зданий в течении всего жизненного цикла.

При всех своих преимуществах теплоизоляция PIR на российском рынке составляет не более 1%. Дмитрий Капранов, руководитель направления PIR компании ТехноНИКОЛЬ признается, что многие клиенты ошибочно считают этот утеплитель новым материалом. Меж тем, плиты PIR за последние 30 лет завоевали 76% доли на рынке плоских кровель США и 40% кровельного рынка Европы. «Российский рынок сбыта полиуретанов крайне узкий. До недавнего времени собственное производство было представлено лишь несколькими предприятиями, специализирующимися на производстве сэндвич-панелей. Импорт же материала из-за рубежа получался экономически необоснованным, поэтому выбор делался в пользу других видов теплоизоляции», — объясняет Дмитрий Капранов.

Компания ТехноНИКОЛЬ в сентябре 2015 года начала в Рязани собственное производство плит теплоизоляционных PIR. Эксперты прогнозируют, что с выходом завода на проектную мощность, а это 30 млн м² продукции в год, теплоизоляция PIR станет доступнее на российском рынке по отношению к европейским аналогам и займет в ближайшие 5 лет не менее 30% рынка плоских кровель.  

Как видим, история PIR в России только начинается, и есть все шансы, что каждая третья кровля в нашей стране получит кровлю из космического утеплителя. 

Пенополиизоцианурат или PIR – это теплоизоляционный материал, хорошо зарекомендовавший себя в Европе и Америке, который, наконец-то, появился в России. PIR – это современный полимер, последнее поколение пенополиуретана.

Более 95% объема материала составляют закрытые жесткие негорючие ячейки, заполненные инертным газом. Именно благодаря своей структуре PIR обладает уникальными физико-механическими свойствами: низким коэффициентом теплопроводности 0,022 ВТ/м˚К, повышенной прочностью – более 120 кПа, высокими противопожарными характеристиками, а также большим сроком службы без потери своих качеств.


3.png
Запуск Шаттла Дискавери, фото: 
NASA 

Американский Шаттл запускался в космос при помощи двух твердотопливных ракетных носителей (отделялись на высоте 45 км) и собственных двигателей, которые получают топливо из большого внешнего бака. Срок жизни этой гигантской канистры с криогенным топливом весьма недолгий – всего 8,5 минуты. Выполнив свое предназначение, топливный бак сгорает в атмосфере.

Вывод космоплана «Буран» на околоземную орбиту осуществляла ракета-носитель «Энергия», конструкция которой состояла из двух ступеней. Первую ступень составляют четыре боковых блока с кислородно-керосиновыми двигателями, возвращаемые на Землю с помощью парашютов. Вторая ступень оснащена четырьмя кислородно-водородными двигателями РД-0120 и является несущей конструкцией. Несмотря на закрытие программы «Энергия-Буран», многие разработанные технологии применяются в наше время. «Энергия» стала универсальной ракетой сверхтяжелого класса, не имеющей по своим возможностям аналогов в мировом ракетостроении.


Возврат к списку

Другие статьи