Регистратор данных, устойчивый к раздавливанию и к воздействию теплоты в случае аварии

 

Изобретение относится к области авиации и космонавтики, а именно к контейнерам для полетных регистраторов (черных ящиков). Изобретение направлено на обеспечение простоты изготовления, снижение стоимости, повышение надежности сохранности в различных условиях применения. Это обеспечивается за счет того, что регистратор данных, устойчивый к раздавливанию и воздействию теплоты в случае аварии, включает металлический корпус и два средства, образующих соответственно первый и второй теплоизоляторы. При этом согласно изобретению образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство изготовлено из материала, содержащего керамические волокна и неорганическое эндотермическое вещество, причем фазовый переход твердого тела в жидкость происходит без испарения воды. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию регистратора (регистрирующего устройства, самописца, “черного ящика”) данных, устойчивого к раздавливанию и воздействию теплоты.

Настоящее изобретение может найти применение в регистраторах, установленных на космических кораблях и других летательных аппаратах, автомобилях, поездах и морских судах, а также в других аналогичных применениях, когда требуется получение и регистрация основных данных относительно полета, пробега или текущего курса, для возможного последующего восстановления таких данных.

По той причине, что такое восстановление данных иногда становится необходимым в случае аварии, указанный вид регистрации должен удовлетворять чрезвычайно тяжелым условиям жизнеспособности (сохранения работоспособности), особенно в плане устойчивости к раздавливанию и воздействию теплоты.

Известно, что регистратор данных содержит металлический корпус, имеющий первую внутреннюю полость. Обычно первый теплоизолятор уложен по поверхности первой внутренней полости и ограничивает вторую внутреннюю полость. Чаще всего второй изолятор/теплопоглотитель занимает вторую внутреннюю полость и охватывает запоминающие элементы, которые входят в состав регистратора.

Обычно второй изолятор/теплопоглотитель имеет фазовый переход твердое тело-жидкость с повышенной температурой. Например, может быть использован изолятор/теплопоглотитель из синтетического воска, как это предложено в заявке ЕР-А-0752808.

Подобные регистраторы конструктивно сложны и имеют высокую стоимость изготовления. Кроме того, синтетический воск обычно имеет низкую стабильность и высокую удельную проводимость при температурах, указанных в стандартах относительно сохранения работоспособности при повышенных температурах, причем предъявляемые требования становятся все более высокими. Например, в заявке ЕР-А-0752808 фазовый переход твердого тела в жидкость имеет место в диапазоне от 105 до 130°С. Нужно добавить, что воск имеет существенную массу, что создает дополнительные ограничения.

Кроме того, в жидком состоянии объем воска увеличивается, что создает недопустимые давления на паяные соединения электронных схем, что приводит к необходимости создания управляемой утечки воска из корпуса устройства.

Нужно добавить, что в заявке ЕР-А-0752808 для тепловой защиты применен сульфат магния, размещенный во вспомогательной полости, который отравляет испаряющуюся воду. В указанном документе предусмотрены два плавких предохранителя с температурой плавления 104°С, предназначенных для выпуска водяного пара.

В соответствии с заявкой ЕР-А-0550345 тепловая защита обеспечена при помощи материала резервуара, расположенного между внутренним корпусом и оболочкой. Материал резервуара представляет собой обладающее механической стойкостью твердое тело, содержащее воду, которая способна к освобождению под действием теплоты.

В данном случае испарение воды создает проблемы удаления жидкости и/или уравнивания давлений, которые являются трудноразрешимыми и усложняют осуществление тепловой защиты.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается регистратор данных, устойчивый к раздавливанию и воздействию теплоты в случае аварии, который содержит:

- металлический корпус, имеющий первую внутреннюю полость;

- первое средство, образующее теплоизолятор, который может быть уложен по поверхности первой внутренней полости и ограничивает вторую внутреннюю полость;

- второе средство, образующее второй изолятор/теплопоглотитель, который может занимать вторую внутреннюю полость и охватывать запоминающие элементы, причем образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство имеет фазовый переход твердое тело-жидкость с повышенной температурой.

В соответствии с общей характеристикой настоящего изобретения образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство изготовлено из материала, содержащего керамические волокна и неорганическое эндотермическое вещество, причем фазовый переход твердого тела в жидкость происходит без освобождения жидкого продукта.

Преимуществом использования тепловой защиты в соответствии с настоящим изобретением является использование фазового перехода твердого тела в жидкость без освобождения жидкого продукта. Таким образом, в тепловой защите в соответствии с настоящим изобретением не используется испарение воды, что устраняет любые проблемы удаления жидкости и/или уравнивания давлений.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением нет необходимости в герметичной оболочке или защите от использованных продуктов, так как использованные в соответствии с настоящим изобретением материалы не являются химически активными. В результате достигается большая простота изготовления и возможность использования удобных плат ЗУ (памяти), что также приводит к снижению стоимости.

В соответствии с настоящим изобретением преимуществом подобного материала является сохранение его теплоизоляционных свойств и свойств абсорбции (поглощения) в диапазоне температур от нескольких градусов до повышенной температуры порядка 220°С. Кроме того, такой материал сохраняет свои теплоизоляционные свойства и свойства абсорбции в течение нескольких сот часов воздействия повышенной температуры, например, порядка 95°С.

На практике известен такой материал, который является изолятором/теплопоглотителем; он выпускается фирмой 3М под названием 3М INTERAM E-5A.

Заявитель настоящего изобретения неожиданно обнаружил, что этот материал, который обычно используют для пассивной защиты против возгорания электрических кабелей или пассивной защиты стальных конструкций, может быть также использован для защиты запоминающих элементов регистратора данных.

Более того, заявителем настоящего изобретения проведено исследование и показано, что тепловые свойства указанного материала в плане изоляции и поглощения (абсорбции) теплоты прекрасно сохраняются до повышенной температуры порядка 220°С, что явно выше предельной температуры нормального функционирования запоминающих элементов, которые обычно используют в данном типе регистратора данных.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения средство, образующее изолятор/поглотитель, содержит множество слоев (матов) с заданной толщиной, уложенных стопой (стопкой) друг на друге (бок о бок), причем по меньшей мере один из слоев имеет вырез по размеру платы, на которой установлены запоминающие элементы, так что указанная плата вставлена в вырез указанного слоя, помещенного внутрь стопы слоев.

Например, слой с вырезом может быть помещен по меньшей мере между двумя слоями.

Преимущественно, стопа слоев установлена (завернута) в оболочку из пластика, причем свободные концы оболочки могут выступать из оболочки после ввода в нее стопы слоев и образовывать язычки, облегчающие извлечение стопы слоев из оболочки и введение стопы слоев в нее, при этом оболочка обеспечивает также сжатие при введении слоев в нее и остаточное сжатие после введения.

Преимущественно корпус содержит выполненный интегрально с ним прилив, содержащий средство, образующее опору, подходящую для поддержки акустического или иного маяка.

На практике в качестве запоминающих элементов использованы элементы статической памяти, например, типа EEPROM (электрически программируемое постоянное ЗУ).

Преимущественно первое средство, образующее теплоизолятор, изготовлено из волокнистого материала и мелких частиц; такой теплоизолятор выпускается фирмой THERMAL CERAMICS под названием MIN-K или под названием MICROTHERM.

Преимущественно корпус изготовлен из стали.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показан вид в перспективе корпуса и первого теплоизолятора в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показаны в разобранном виде различные элементы, входящие в регистратор в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 приведены кривые, отображающие зависимость от температуры теплового потока, абсорбируемого вторым изолятором/поглотителем в соответствии с настоящим изобретением.

На приложенных чертежах многократно указана определенная информация. Она может служить не только для лучшего понимания приведенного далее подробного описания, но и в случае необходимости также способствовать пониманию настоящего изобретения.

На фиг.1 и 2 показан регистратор в соответствии с настоящим изобретением, который включает в себя металлический корпус 2 относительно небольшого размера и относительно малого веса. Преимущественно корпус 2 имеет размеры, соответствующие размерам корпуса типа 1/2-ATR, что позволяет устанавливать его на опоре, обычно используемой в аэронавтике.

Следует иметь в виду, что данный регистратор может быть использован не только в аэронавтике, например на космических кораблях, но и на автомобилях, поездах и морских судах, а также в других аналогичных случаях.

В металлическом корпусе 2 предусмотрена первая внутренняя полость 5.

Металлический корпус 2 может быть изготовлен, например, из стали или другого материала, который имеет относительно малую плотность, относительно высокую теплопроводность и относительно высокую стойкость к раздавливанию и проникновению.

Металлический корпус 2 выполнен с возможностью закрывания крышкой 6, которая также изготовлена из металла, а преимущественно из стали.

На свободном краю открытого корпуса 2 имеются плоские губки 4, в которых выполнены крепежные отверстия 10. Крышка 6 может быть установлена на губках 4 и закреплена при помощи винтов 8, пропущенных через крепежные отверстия 10 плоских губок 4. Могут быть применены и иные подходящие средства крепления крышки.

На практике образованная в корпусе 2 внутренняя полость 5 имеет форму параллелепипеда с закругленными углами.

Преимущественно корпус 2 имеет объединенный с ним прилив 12. Этот прилив предназначен для установки акустического морского маяка (не показан). Например, опора 12 может содержать 4 круглых захвата (выемки), в которые может входить цилиндрический маяк.

Внутри полости 5 предусмотрена теплозащитная прокладка 14. Указанная теплозащитная прокладка образует первый тепловой барьер.

Теплозащитная прокладка 14, имеющая толщину ориентировочно от 2 до 5 см, образует внутреннюю полость 13.

Теплозащитная прокладка 14 преимущественно выполнена в виде одной детали, изготовленной из твердого формованного материала. Подобная теплозащитная прокладка является хорошим теплоизолятором, то есть она имеет малую теплопроводность и обладает относительно малой плотностью.

На практике теплозащитная прокладка 14 представляет собой комбинацию волокнистого материала и очень мелких частиц.

Например, прокладка 14 может представлять собой выпускаемое фирмой THERMAL CERAMICS изделие MIN-K или MICROTHERM типа 1303.

Запоминающие элементы 16 могут быть установлены, например, на двухсторонней печатной плате 18.

На практике используют запоминающие элементы 16 статического типа, например элементы EEPROM. На печатной плате 18 может быть предусмотрен разъем (не показан), позволяющий подключить плоский кабель 11 к внешней электронной системе (не показана) через щель 9, предусмотренную в крышке 6.

Преимущественно установленные на печатной плате 18 запоминающие элементы 16 защищены от воздействия воды (влаги) при помощи соответствующего лака.

В соответствии с настоящим изобретением для обеспечения повышенной степени тепловой защиты печатная плата 18 помещена в стопку слоев, обозначенных на фиг.2 позициями от 20-1 до 20-7, причем слой 20-4 имеет вырез под размер платы 18.

Для упрощения на фиг.2 показана только одна введенная в оболочку печатная плата. Совершенно очевидно, что в зависимости от вида применения, например на море, регистратор может иметь множество плат, которые защищены в соответствии с настоящим изобретением аналогично показанной плате 18.

Слои 20 могут иметь, например, форму параллелепипеда. Размеры слоев существенно превышают размеры печатной платы 18.

В соответствии с настоящим изобретением слои 20 изготовлены из материала типа изолятор/теплопоглотитель, содержащего керамические волокна и неорганическое эндотермическое вещество.

На практике применяют материал, выпускаемый фирмой 3М под названием 3М INTERAM E-5A, типа Е-5А-3 (7,6 мм) или Е-5А-4 (10,2 мм), в зависимости от толщины слоев.

Заявитель настоящего изобретения неожиданно обнаружил, что этот материал, который обычно используют для пассивной защиты против возгорания электрических кабелей или пассивной защиты стальных конструкций, может быть также использован для защиты запоминающих элементов регистратора данных.

Более того, заявителем настоящего изобретения проведено исследование и показано, что тепловые свойства указанного материала в плане изоляции и поглощения теплоты прекрасно сохраняются до повышенной температуры порядка 220°С, что явно выше предельной температуры нормального функционирования запоминающих элементов, которые обычно используют в данном типе регистратора данных.

На фиг.3 показаны четыре кривые С1-С4, отображающие тепловой поток, поглощаемый слоем типа Е-5А-3, в зависимости от температуры.

На кривой С1 показана зависимость от температуры теплового потока, поглощаемого слоем типа Е-5А-3, преимущественно без проведения его специальной обработки.

На кривой С2 показана зависимость от температуры теплового потока, поглощаемого слоем типа Е-5А-3, после его выдержки в течение 24 часов при температуре 95°С.

На кривой С3 показана графическая зависимость от температуры теплового потока, поглощаемого слоем типа Е-5А-3, после его выдержки в течение 240 часов при температуре 95°С.

На кривой С4 показана графическая зависимость от температуры теплового потока, поглощаемого слоем типа Е-5А-3, после его выдержки в течение 600 часов при температуре 95°С.

На каждой кривой имеется первый температурный участок PC1, идущий от нескольких градусов до 220°С, на котором поглощаемый материалом 20 тепловой поток является относительно постоянным. Такое постоянство говорит о том, что материал на этом участке является инертным.

На каждой кривой можно увидеть первый пик ТМ1 в диапазоне температур от 220 до 240°С с существенным увеличением поглощенной тепловой энергии.

Кроме того, на каждой кривой имеется также второй температурный участок РС2, идущий в диапазоне температур от 250 до 300°С, на котором поглощаемый материалом 20 тепловой поток является относительно постоянным.

На каждой кривой также можно увидеть второй пик ТМ2 в районе температуры 330°С с существенным увеличением поглощенной тепловой энергии.

Наконец, на каждой кривой имеется также третий температурный участок РС3, идущий от температуры 350°С и выше, на котором поглощаемый материалом 20 тепловой поток является относительно постоянным.

Вновь обратимся к фиг.1 и 2.

Слои 20 при вертикальном расположении каждого слоя уложены стопой бок о бок друг с другом, параллельно широким боковым сторонам корпуса 2. Слой 20-4 имеет вырез под размер платы 18, на которой установлены запоминающие элементы, причем эта плата 18 вставлена в указанный вырез данного слоя.

Преимущественно слой 20-4 с вырезом введен внутрь стопы. Например, на фиг.2 показано, что слой 20-4 помещен между тремя слоями, от 20-1 до 20-3, и тремя слоями, от 20-5 до 20-7.

Преимущественно стопа слоев установлена в оболочку из пластика 30, например из поликарбоната. Свободные концы 32 оболочки могут выступать из оболочки после ввода в нее стопы слоев и образовывать язычки, облегчающие извлечение стопы слоев из оболочки и введение стопы слоев в нее.

Кроме того, указанная оболочка из пластика обеспечивает также сжатие при введении слоев в нее и остаточное сжатие после введения.

Наконец, стопу введенных в оболочку слоев накрывают крышкой из изоляционного материала 32, после чего производят установку крышки 6 на губки 4 металлического корпуса 2.

Крышка из изоляционного материала 32 изготовлена из такого же материала, что и теплозащитная прокладка 14. Указанная крышка перекрывает открытую сторону корпуса, содержащего стопу слоев, так чтобы полностью изолировать (закрыть) корпус и затем закрыть его крышкой 6.

За счет применения настоящего изобретения удалось разработать регистратор, который удовлетворяет требованиям в соответствии с документом TSO С-124а (Technical Standard Order, протокол соответствия техническому стандарту), выдаваемым администрацией США (FAA, федеральное авиационное управление США), в котором указаны тесты на сохранение работоспособности регистраторов в случае аварии.

Общая толщина, образованная теплозащитной прокладкой 14 и слоями 20, а также занимаемый указанными слоями объем определяют степень создаваемой тепловой защиты.

В продаже обычно имеются слои Е-5А с алюминиевым листом на одной из сторон. Заявитель обнаружил, что этот алюминиевый лист лучше удалить.

Формула изобретения

1. Регистратор данных, устойчивый к раздавливанию и к воздействию теплоты в случае аварии, который включает в себя металлический корпус (2), имеющий первую внутреннюю полость (5); первое средство, образующее теплоизолятор (14), который уложен по поверхности первой внутренней полости (5) и ограничивает вторую внутреннюю полость (13); второе средство, образующее второй изолятор/теплопоглотитель (20), который занимает по меньшей мере часть второй внутренней полости (13) и охватывает запоминающие элементы (16), причем образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство имеет фазовый переход твердое тело-жидкость с повышенной температурой, отличающийся тем, что образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство (20) изготовлено из материала, содержащего керамические волокна и неорганическое эндотермическое вещество, причем фазовый переход твердого тела в жидкость происходит без испарения воды.

2. Регистратор по п.1, отличающийся тем, что в качестве образующего изолятор/теплопоглотитель второго средства используется теплопоглотитель, содержащий керамические волокна и неорганическое эндотермическое вещество.

3. Регистратор по п.2, отличающийся тем, что образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство (20) выполнено с возможностью сохранять свои поглощающие свойства в диапазоне температур от нескольких градусов Цельсия до повышенной температуры порядка +220°С.

4. Регистратор по п.3, отличающийся тем, что образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство (20) выполнено с возможностью сохранять свои поглощающие свойства при воздействии высоких температур в течение нескольких сотен часов.

5. Регистратор по п.1, отличающийся тем, что образующее изолятор/теплопоглотитель второе средство (20) содержит множество слоев (от 20-1 до 20-7) заданной толщины, уложенных стопой бок о бок рядом друг с другом, причем по меньшей мере один слой (20-4) имеет вырез под размер платы (18), на которой установлены запоминающие элементы (16), при этом указанная плата (18) введена в вырез указанного слоя (20-4) с вырезом, причем слой (20-4) с вырезом помещен внутрь стопы слоев.

6. Регистратор по п.5, отличающийся тем, что с каждой стороны от слоя (20-4) с вырезом предусмотрено по 3 сплошных слоя.

7. Регистратор по одному из пп.5 и 6, отличающийся тем, что стопа слоев уложена в пластиковую оболочку (30), причем свободные концы (32) оболочки (30) выступают из нее, после ввода в оболочку стопы слоев, и образуют язычки, облегчающие введение стопы слоев в оболочку и ее извлечение из оболочки, при этом оболочка обеспечивает также сжатие при введении слоев в оболочку, а также остаточное сжатие после указанного ввода.

8. Регистратор по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что корпус (2) содержит объединенный с ним прилив, который содержит опорное средство (12), предназначенное для поддержки акустического или иного маяка.

9. Регистратор по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что в качестве запоминающих элементов (16) применены элементы статического типа.

10. Регистратор по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что образующее теплоизолятор (14) первое средство изготовлено из пассивного изоляционного материала, представляющего собой комбинацию волокнистого материала и мелких частиц.

11. Регистратор по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что корпус (2) изготовлен из стали.

РИСУНКИ