Бортовое защитное устройство для микроэлектронного объекта

Изобретение относится к средствам защиты микроэлектронного оборудования от внешних механических и тепловых разрушающих воздействий и может быть использовано в бортовых защищенных накопителях полетной информации самолетов и вертолетов, а также в защищенных накопителях информации тепловозов, судов, автомобилей и т.д. Бортовое защитное устройство для микроэлектронного объекта состоит из последовательно расположенных наружного ударожаропрочного слоя, промежуточного и внутреннего теплозащитных слоев. Наружный ударожаропрочный слой изготовлен из жаростойких металлов. Промежуточный теплозащитный слой выполнен из огнеупорного сухого пористого материала. Внутренний теплозащитный слой сформирован из водосодержащего материала. На внешней поверхности наружного ударожаропрочного слоя образовано биморфное теплозащитное покрытие, сформированное из теплоизоляционного композиционного материала. Упомянутое покрытие обладает адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя и способностью увеличиваться в объеме не менее чем в 10 раз при тепловом воздействии пламенем на него. Наружный ударожаропрочный слой перфорирован сквозными дренажными отверстиями. Отношение диаметра каждого из отверстий к толщине наружного ударожаропрочного слоя больше значения 0,1 и не превышает значения 0,5. Относительное число дренажных отверстий составляет от одного до двух отверстий на 1 см² поверхности этого слоя. Изобретение позволяет обеспечить защиту микроэлектронного объекта при воздействии на него механических и тепловых нагрузок, в том числе при всестороннем воздействии высокой температуры 1100°С в течение 1 часа, а также при длительном всестороннем воздействии повышенной температуры 260°С в течение 10 часов. 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам защиты микроэлектронного оборудования от внешних разрушающих факторов, таких, как высокотемпературные огневые воздействия, ударные перегрузки, статические давления, а также от длительного воздействия повышенной температуры, и может быть использовано, например, при создании защищенных бортовых накопителей полетной информации для самолетов и вертолетов, а также защищенных накопителей информации для других транспортных средств: тепловозов, судов, автомобилей и пр.

Известно устройство для защиты микроэлектронного оборудования от воздействия высокой температуры (см. патент РФ №2042294, Н 05 К 7/20, 1995 г.).

В известном устройстве защищаемый микроэлектронный объект размещен в герметичном контейнере, соединенном с системой подачи и циркуляции охлаждающей диэлектрической жидкости, испарение которой на внутренних поверхностях стенок герметичного контейнера и наружных поверхностях микроэлектронного объекта приводит к охлаждению последнего и защищает его от перегрева.

Недостатком известного устройства является необходимость использования дополнительной системы подачи и циркуляции охлаждающей жидкости, что увеличивает размеры защитного устройства, снижает его надежность и затрудняет использование в качестве бортовой аппаратуры транспортного средства.

Также известно устройство для механической и тепловой защиты микроэлектронного оборудования, представляющее собой блок накопления информации БНИ, входящий в состав системы диагностики и контроля СДК-8, предназначенной для регистрации полетной информации вертолетов (см. Руководство по технической эксплуатации 6Т1. 412.001РЭ. Система диагностики и контроля СДК-8, с.32. Изд. ОАО «Техприбор», СПб, 2001 г.).

Указанное устройство представляет собой защитную слоистую оболочку, окружающую защищаемый объем, в котором размещен сохраняемый микроэлектронный объект - твердотельная карта памяти, предназначенная для регистрации полетной информации вертолета.

Защитная слоистая оболочка состоит из внешнего кожуха блока и двух защитных слоев: наружного и внутреннего, каждый из которых выполняет определенную защитную функцию. Наружный слой защитной оболочки, выполненный из огнестойкого теплоизолирующего пористого материала, предназначен для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта после аварии вертолета, сопровождаемой пожаром, при воздействии на блок внешнего одностороннего теплового потока с температурой пламени до 1100°С.

Наружный слой защитной оболочки обеспечивает пассивную теплозащиту сохраняемого объекта путем создания на толщине слоя теплоизолирующего материала перепада температуры, позволяющего поддерживать в течение 30 минут температуру внутренней поверхности слоя, не превышающую 150°С, при температуре внешней поверхности слоя 1100°С.

Внутренний слой защитной оболочки представляет собой массивный металлический корпус, выполненный из ударожаропрочных металлических сплавов, и предназначенный для защиты сохраняемого объекта в момент аварии от внешних разрушающих механических факторов.

Наружный и внутренний слои защитной слоистой оболочки размещены внутри внешнего тонкостенного металлического кожуха, на внешнюю поверхность которого нанесены опознавательные знаки и предупредительные надписи, облегчающие поисковые работы по обнаружению блока накопления информации (т.н. «черного ящика») после аварии, не сопровождаемой пожаром.

Известное устройство надежно выполняет защиту размещенной в защищаемом объеме твердотельной микроэлектронной карты памяти от воздействия внешних механических разрушающих факторов, а также от одностороннего, т.е. направленного только на одну из сторон внешнего кожуха, высокотемпературного воздействия, но не в состоянии обеспечить тепловую защиту при всестороннем огневом воздействии на кожух с температурой 1100°С в течение 30 минут.

Указанный недостаток не позволяет использовать известное устройство на новых и модернизированных вертолетах, так как, в соответствии с отраслевым стандартом (см. ОСТ 1 01080-95. Устройства регистрации бортовые с защищенными накопителями, п.6.2.11, с.11), тепловое воздействие пламенем на защищенный накопитель информации должно быть всесторонним, т.е. направленным на блок со всех шести сторон.

Данный недостаток преодолен в наиболее близком к заявленному и принятом за прототип устройстве, основанному на создании вокруг сохраняемого микроэлектронного объекта защитной слоистой оболочки, предохраняющей его от воздействия внешних тепловых и механических разрушающих факторов (см. патент РФ №2162189, F 16 L 59/02, G 12 B 17/06, В 64 С 1/38, B 64 G 1/58, 2001 г.).

В этом устройстве защитная оболочка сохраняемого объекта сформирована из нескольких последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористоволокнистого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из пористого водосодержащего материала, заключенного между теплоотражающими прокладками, изготовленными из металлизированной полимерной пленки.

Наружный слой защитной оболочки обеспечивает защиту сохраняемого объекта от внешних разрушающих механических и огневых воздействий за счет ударожаропрочности материала слоя. Промежуточный теплозащитный слой обеспечивает пассивную теплозащиту сохраняемого объекта за счет низкой теплопроводности сухого пористоволокнистого материала слоя. Внутренний теплозащитный слой обеспечивает активную теплозащиту сохраняемого объекта за счет поглощения теплоты при кипении воды, находящейся в порах водосодержащего материала. Активная теплозащита позволяет поддерживать температуру защищаемого объема не выше точки кипения воды 100°С в течение всего времени выкипания. Теплоотражающие прокладки способствуют дополнительному понижению температуры защищаемого объема за счет частичного отражения внешнего теплового потока теплоотражающими поверхностями прокладок.

Известное устройство эффективно решает задачу защиты сохраняемого объекта от разрушающих механических факторов и высокотемпературных воздействий, обеспечивая защиту микроэлектронного оборудования при внешнем всестороннем огневом воздействии с температурой до 1100°С в течение 30 минут, ударных перегрузках до 3400g и статических давлениях до 600 атм.

Однако в соответствии с международными требованиями TSO (см. «Technical Standart Order», TSO-C124a, Washington, DC; 8/1/96) к бортовым защищенным накопителям полетной информации самолетов и вертолетов, сохраняемый объект, помимо вышеперечисленных разрушающих механических факторов и высокотемпературных воздействий, должен выдерживать также и длительное всестороннее воздействие повышенной температуры 260°С в течение 10 часов.

Кроме того, согласно требованиям TSO время всестороннего высокотемпературного воздействия 1100°С должно составлять не менее 1 часа.

Для выполнения известным устройством требования TSO по длительности всестороннего высокотемпературного воздействия не менее 1 часа необходимо значительное увеличение толщин промежуточного и внутреннего слоев, т.е. существенное увеличение объема защитной оболочки, что приводит к недопустимому для бортового оборудования возрастанию ее габаритных размеров.

Для выполнения требования TSO по стойкости к длительному, до 10 часов, всестороннему воздействию повышенной температуры 260°С известное устройство малоэффективно.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача обеспечения защиты сохраняемого микроэлектронного объекта при воздействии на него механических и тепловых перегрузок, в том числе - при всестороннем воздействии высокой температуры 1100°С в течение 1 часа, а также при длительном всестороннем воздействии повышенной температуры 260°С в течение 10 часов.

Для эффективной защиты сохраняемого объекта предлагаются следующие новые технические решения.

Во-первых, предлагается дополнительно сформировать на внешней поверхности наружного ударожаропрочного слоя теплоизоляционное биморфное теплозащитное покрытие. В исходном состоянии биморфное теплозащитное покрытие представляет собой достаточно тонкую, толщиной около 1,5÷2 мм, пленку, выполненную из теплоизоляционного композиционного материала; в зависимости от внешней температуры биморфное покрытие может находиться в одной из двух устойчивых морфологических модификациях: низкотемпературной модификации с монолитной макроструктурой и высокотемпературной модификации с пористой макроструктурой.

Модификация с монолитной структурой, устойчивая до 220°С, переходит при температуре выше 250°С в состояние с пористой структурой; в диапазоне температур 220÷250°С теплоизоляционный композиционный материал биморфного покрытия находится в промежуточном состоянии.

Низкотемпературная модификация биморфного теплозащитного покрытия обладает адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя и позволяет формировать на ней гладкое, механически прочное пленочное покрытие, допускающее окраску внешней поверхности.

Высокотемпературная модификация, образующаяся после воздействия на пленочное покрытие внешней температуры выше 250°С, представляет собой высоковспененную структуру с толщиной, многократно превосходящей толщину пленочного покрытия в исходном состоянии.

Теплоизоляционные свойства высокотемпературной модификации покрытия весьма высоки, что позволяет надежно защищать наружный ударожаропрочный слой от внешних высокотемпературных воздействий.

Во-вторых, в предлагаемом устройстве для обеспечения эффективного режима охлаждения промежуточного теплозащитного слоя водяным паром предлагается перфорировать в наружном ударожаропрочном слое дренажные отверстия с определенным соотношением длины и диаметра каждого отверстия, обеспечивающим эффективное охлаждение внутреннего теплозащитного слоя водяным паром за счет создания внутри защитной слоистой оболочки избыточного давления водяного пара.

Таким образом, с целью выполнения поставленной задачи, в бортовом защитном устройстве для микроэлектронного объекта, состоящем из последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из водосодержащего материала, новым, согласно изобретению является то, что дополнительно на внешней поверхности наружного ударожаропрочного слоя образовано биморфное теплозащитное покрытие, сформированное из теплоизоляционного композиционного материала, обладающего адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя и способностью увеличиваться в объеме не менее чем в 10 раз при тепловом воздействии пламенем на него, при этом наружный ударожаропрочный слой перфорирован сквозными дренажными отверстиями, диаметр каждого из которых не превышает половины толщины наружного ударожаропрочного слоя, а относительное число дренажных отверстий составляет от одного до двух отверстий на 1 см² поверхности этого слоя.

Для более полного раскрытия сущности изобретения на чертеже представлено сечение предложенного устройства.

Сохраняемый объект 1 размещен в защищаемом объеме 2, расположенном внутри защитной слоистой оболочки, включающей:

- биморфное теплозащитное покрытие 3, образованное из теплоизоляционного композиционного материала, нанесенного на внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4. Биморфное теплозащитное покрытие 3 обладает адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя 4, а также обладает свойством вспениваться при тепловом воздействии пламенем на него при температуре не более 260°С с многократным увеличением объема, а следовательно, теплоизоляционных свойств материала;

- наружный ударожаропрочный слой 4, изготовленный из жаростойких металлов и перфорированный дренажными отверстиями 5, диаметр каждого из которых выбран не превышающим половины толщины наружного ударожаропрочного слоя 4, а относительное число дренажных отверстий составляет от одного до двух отверстий на 1 см² поверхности этого слоя;

- промежуточный теплозащитный слой 6, предназначенный для пассивной теплозащиты сохраняемого объекта 1 и выполненный из огнеупорного сухого пористого материала;

- внутренний теплозащитный слой 7, предназначенный для активной теплозащиты сохраняемого объекта 1 и образованный из водосодержащего материала.

Геометрическая форма предлагаемого устройства может быть сферической, цилиндрической, призматической и т.п. Представленное на чертеже устройство со сферической геометрией является наиболее компактным и теплоударостойким из перечисленных.

Наружный ударожаропрочный слой 4 устройства может быть составлен из двух полусфер, соединенных между собой, например, посредством сварного шва 8, допускающего возможность разъединения полусфер для доступа к сохраняемому объекту 1 после аварии, например, путем удаления шва 8.

Биморфное теплозащитное покрытие 3 выполнено из монолитного и гладкого в исходном состоянии материала, внешняя поверхность которого допускает окраску с нанесением опознавательных знаков и предупредительных надписей, предусмотренных нормами летной годности и облегчающих поиск «черного ящика» после аварии, не сопровождаемой пожаром.

Биморфное теплозащитное покрытие 3 может находиться в двух устойчивых морфологических состояниях: исходном состоянии с монолитной структурой, устойчивой до температур, не превышающих 220°С, и состоянии с пористой структурой, устойчивой при температурах более 250°С. В диапазоне температур 220°С-250°С материал покрытия находится в метастабильном промежуточном состоянии.

В случае, когда в результате аварии возникает пожар, возможны предусмотрены нормативами TSO, аварийные ситуации: ситуация с активным всесторонним огневым воздействием на сохраняемый объект пламени с температурой 1100°С в течение 1 часа, и ситуация с тлеющим всесторонним огневым воздействием на сохраняемый объект при температуре тления 260°С в течение 10 часов.

В каждой из двух указанных ситуаций материал биморфного теплозащитного покрытия 3 защитной оболочки, нанесенный на внешнюю поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4, подвергается непосредственному огневому воздействию и после нагревания выше предела теплостойкости 250°С размягчается и вспенивается.

Для получения необходимых теплозащитных и механических свойств биморфного теплозащитного покрытия 3 оно образовано из композита, содержащего не менее чем три компонента: вспенивающуюся теплостойкую основу, вспенивающий агент и модификатор.

Вспенивающаяся теплостойкая основа представляет собой вещество, обладающее способностью образовывать жесткую теплостойкую высоковспененную структуру с сообщающимися порами, возникающую в результате теплового размягчения и вспенивания при достижении предела теплостойкости в результате внутреннего газообразования, стимулированного каталитическим действием вспенивающего агента. Вспенивающий агент представляет собой катализатор, обеспечивающий интенсивное газовыделение во вспенивающемся материале при достижении последним предела теплостойкости. Модификатор представляет собой связующую добавку, придающую материалу биморфного теплозащитного покрытия 3 требуемые в исходном состоянии механические свойства: монолитность, гладкость, механическую прочность к ударам и истиранию, а также адгезию к материалу наружного ударожаропрочного слоя 4.

В качестве компонентов композита могут быть использованы, например: вспенивающаяся теплостойкая основа на базе фенолоальдегидной смолы с пределом теплостойкости не менее 150°С, вспенивающийся агент на основе ПАВ (поверхностно-активного вещества) и модификатор на основе эпоксидной смолы.

При внешнем огневом воздействии с температурой выше 250°С структура биморфного теплозащитного покрытия 3 существенно изменяется: ранее монолитный композиционный материал покрытия преобразуется под воздействием пламени в пористый, что приводит к резкому увеличению его объема. В итоге толщина биморфного теплозащитного покрытия 3 увеличивается в 15-20 раз при тлеющем всестороннем огневом воздействии с температурой 260°С, при этом наружная поверхность покрытия достигает диаметра, обозначенного на чертеже поз.9 (ближняя граница 9) и в 30÷50 раз при активном всестороннем огневом воздействии с температурой 1100°С, при этом наружная поверхность покрытия достигает диаметра, обозначенного на чертеже поз.10 (дальняя граница 10).

Увеличение толщины и изменение структуры биморфного теплозащитного покрытия 3 приводит к качественному улучшению его теплоизоляционных свойств.

В результате этого при воздействии всестороннего наружного теплового потока с температурой 1100°С биморфное теплозащитное покрытие 3, вспененное до дальней границы 10, позволяет поддерживать не менее 20 минут перепад температуры на биморфном теплозащитном покрытии 3 не менее 350°С, обеспечивая при этом температуру в наружном ударожаропрочном слое 4 не выше 750°С.

По истечении не менее 20 минут вспененное биморфное теплозащитное покрытие 3 начинает разрушаться под продолжающимся воздействием пламени, поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4 постепенно оголяется и к концу 25-ой минуты наружный ударожаропрочный слой 4 открыто нагревается внешним пламенем, достигая температуры 1100°С.

При дальнейшем высокотемпературном воздействии на наружный ударожаропрочный слой 4 внешнего теплового потока с температурой 1100°С происходит постепенное нагревание промежуточного теплозащитного слоя 6, сформированного из огнеупорного сухого пористого материала с высокими теплоизоляционными свойствами.

Из-за низкой теплопроводности материала промежуточного теплозащитного слоя 6, его прогревание до температуры 120°С происходит в течение 5÷10 минут.

Таким образом, примерно через 30 минут после аварии, сопровождаемой внешним всесторонним воздействием пламенем с температурой 1100°С, температура наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7 может достигнуть критического значения 120°С.

При другой, предусмотренной нормативами TSO ситуации - внешнем всестороннем тлеющем огневом воздействии с температурой 260°С биморфное теплозащитное покрытие 3, вспененное до ближней границы 9, позволяет поддерживать около 1,5 часа перепад температуры не менее 50°С между ближней границей 9 покрытия и внешней поверхностью наружного ударожаропрочного слоя 4, обеспечивая температуру в наружном ударожаропрочном слое 4 не выше 210°С.

По истечении 1,5 часа вспененное биморфное теплозащитное покрытие 3 начинает разрушаться, поверхность наружного ударожаропрочного слоя 4 постепенно оголяется и к концу второго часа наружный ударожаропрочный слой 4 открыто нагревается тлеющим пламенем до температуры 260°С.

При дальнейшем воздействии на наружный ударожаропрочный слой 4 внешнего теплового потока с температурой 260°С происходит постепенное нагревание промежуточного теплозащитного слоя 6 в течение 25÷35 минут до температуры 120°С.

Таким образом, примерно через 2,5 часа после аварии, сопровождаемой тлеющим огневым воздействием с температурой 260°С, температура на наружной поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7 может достигнуть значения 120°С.

В процессе теплового обезвоживания материала внутреннего теплозащитного слоя 7 в области, прилегающей к его наружной поверхности, поддерживается температура не выше 400°С, а в области, близкой к внутренней поверхности - не выше 120°С, причем по мере прогревания внутреннего теплозащитного слоя 7 граница между этими областями постепенно смещается внутрь внутреннего теплозащитного слоя 7, достигая защищаемого объема не менее чем через 75 минут после начала внешнего воздействия пламенем с температурой 1100°С на биморфное теплозащитное покрытие 3. Это дает возможность в течение 75÷85 минут с момента аварии поддерживать в защищаемом объеме температуру не выше 150°С, что позволяет полностью сохранить работоспособность сохраняемого объекта.

При воздействии на защитную оболочку всестороннего теплового потока с температурой 260°С температура внешней поверхности внутреннего теплозащитного слоя 7 приблизительно через 3 часа после начала воздействия достигает значения T_o1=120°С.

В процессе прогревания внутреннего теплозащитного слоя 7 температура обезвоживаемой области слоя не превосходит T_o1=120°С, а температура области, где уже произошло тепловое разложение, не превышает 260°С.

Приблизительно в течение 11 часов после начала тлеющего огневого воздействия с температурой 260°С температура внутри защищаемого объема не превышает 150°С.

Это дает возможность в течение 11 часов с момента аварии обеспечивать полную работоспособность сохраняемого микроэлектронного объекта.

Как в первой (при внешней температуре 1100°С), так и во второй (при внешней температуре 260°С) предусмотренных TSO аварийных ситуациях, пары воды, образующиеся во внутреннем теплозащитном слое 7 в результате ее испарения проходят сквозь поры в материале промежуточного теплозащитного слоя 6, охлаждая этот материал до температуры водяного пара, и далее, через дренажные отверстия 5 в наружном ударожаропрочном слое 4, поступают за пределы устройства.

Для создания условий наиболее эффективного охлаждения промежуточного теплозащитного слоя 6 парами воды необходимо поддерживать избыточное давление паров внутри наружного ударожаропрочного слоя 4, что обеспечивается выбором определенного соотношения между диаметром дренажного отверстия 5 и толщиной наружного ударожаропрочного слоя 4, а относительное число дренажных отверстий составляет от одного до двух отверстий на 1 см² поверхности наружного ударожаропрочного слоя 4.

При отношении диаметра дренажного отверстия 5 к толщине наружного ударожаропрочного слоя 4, превышающем величину 0,5, происходит свободное истечение водяного пара сквозь дренажные отверстия 5 и внутри наружного ударожаропрочного слоя 4 не создается избыточное давление. В случае, когда указанное отношение не превышает значения 0,5, наблюдается эффект дросселирования водяного пара сквозь дренажные отверстия 5, вызывающий внутри наружного ударожаропрочного слоя 4 избыточное давление, тем большее чем меньше значение указанного отношения.

Однако при существенном уменьшении отношения до значения 0,1 возможно закупоривание дренажных отверстий 5 продуктами теплового разрушения промежуточного теплозащитного слоя 6, внутреннего теплозащитного слоя 7 и, как следствие, - понижение эффективности охлаждения промежуточного теплозащитного слоя 6 водяным паром. Поэтому отношение диаметра дренажного отверстия 5 к толщине наружного ударожаропрочного слоя 4 выбрано большим значения 0,1 и не превышающим значения 0,5.

Таким образом, новые существенные признаки обеспечивают защиту сохраняемого микроэлектронного объекта при воздействии на него механических и тепловых перегрузок, в том числе - при всестороннем воздействии высокой температуры 1100°С в течение 1 часа, а также при длительном всестороннем воздействии повышенной температуры 260°С в течение 10 часов.

Бортовое защитное устройство для микроэлектронного объекта, состоящее из последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из водосодержащего материала, отличающееся тем, что дополнительно на внешней поверхности наружного ударожаропрочного слоя образовано биморфное теплозащитное покрытие, сформированное из теплоизоляционного композиционного материала, обладающего адгезией к поверхности наружного ударожаропрочного слоя и способностью увеличиваться в объеме не менее чем в 10 раз при тепловом воздействии пламенем на него, при этом наружный ударожаропрочный слой перфорирован сквозными дренажными отверстиями, отношение диаметра каждого из которых к толщине наружного ударожаропрочного слоя больше значения 0,1 и не превышает значения 0,5, а относительное число дренажных отверстий составляет от одного до двух отверстий на 1 см² поверхности этого слоя.