DE69109793T2

DE69109793T2 - Temperaturschutzvorrichtung, insbesondere zum Schutz des Flugschreibers eines Flugzeuges.

Info

Publication number: DE69109793T2
Application number: DE69109793T
Authority: DE
Inventors: Didier Ducassou
Original assignee: Societe de Fabrication dInstruments de Mesure SFIM SA
Current assignee: Societe de Fabrication dInstruments de Mesure SFIM SA
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1991-10-03
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2011-10-04
Also published as: EP0479680A1; FR2667675A1; DE69109793D1; FR2667675B1; EP0479680B1

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Schutzvorrichtung für ein gegen thermische Beanspruchung empfindliches Gerät, insbesondere zum Schutz der elektronischen Ausstattung der "Black Box" eines Luftfahrzeugs.
Der thermische Schutz der Ausstattung der Black Box eines Luftfahrzeuges ist schwer zu realisieren, weil dieser Schutz nicht nur gegenüber Feuer und hohen Temperaturen zumindest während einer bestimmten Minimalzeitdauer wirksam sein muß, sondern auch sehr extremen Bedingungen wie denjenigen standhalten können muß, die durch einen Aufschlag auf die Erde oder auf das Wasser nach einem Fall von mehreren tausend Metern und ein Eintauchen in tiefes Wasser erzeugt werden.
Es wurde bereits vorgeschlagen, diesen Schutz dadurch zu erreichen, daß das empfindliche Gerät in einem Behälter angeordnet wird und zwischen dem Gerät und dem Behälter ein thermischer Isolationsschirm hergestellt wird, der einen Werkstoff enthält, der unter dem Einfluß einer thermischen Beanspruchung Kristallisationswasser freisetzen kann (GB-A-1 498 177).
Bestimmte Materialien enthalten nämlich Strukturwasser, welches sie unter dem Einfluß einer Erhöhung der Temperatur freisetzen können. Dies ist insbesondere bei den Materialien der Fall, welche in der Veröffentlichung des französischen certificat d'utilité Nr. 2 512 909 beschrieben sind und die in einer zeolithischen Struktur eingefangenes Wasser enthalten. Diese Veröffentlichung weist darauf hin, daß dieses Konstitutionswasser verdampfen und auf diese Weise dazu beitragen kann, die Isolationsfähigkeit der beschriebenen Materialien zu erhöhen, die als "Geopolymer"-Schaumstoffe beschrieben werden.
Es erschien interessant, diese Materialien als Isolationsmaterial in der obengenannten Vorrichtung zu verwenden, bei der das empfindliche Gerät in einem Behälter angeordnet ist.
Eine solche Anwendung führt jedoch wegen der Dicke des Isolationsmaterials, die nötig ist, um die gewünschte Isolation zu gewährleisten, und wegen der extremen Bedingungen (Quetschung, Durchbohren, Eintauchen), denen der Geopolymer-Schaumstoff standhalten muß, zu zahlreichen Problemen.
Die Materialien mit einer Schaumstoffstruktur weisen insbesondere eine Oberflächenbrüchigkeit auf, welche bei der vorangehend ins Auge gefaßten Anwendung einen wesentlichen Mangel darstellen würde.
Daher kann das einfache Einfügen eines Schirms aus einem Material mit einer zeolithischen Struktur zwischen dem empfindlichen Gerät und einem Behälter keine akzeptable Lösung für das vorliegende Problem darstellen.
Es wurde mittlerweile festgestellt, daß es dennoch möglich ist, sehr zufriedenstellende Resultate mit einer Vorrichtung zu erreichen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Der metallische Schirm gestattet es dadurch, daß er im Fall einer Beanspruchung durch Feuer einen Teil der einfallenden thermischen Energie zur Außenseite des Komplexes reflektiert, die Dicke der zeolithischen Masse zu verringern.
Die Matte, ein weiterer essentieller Bestandteil des Erfindungskomplexes, stellt in überraschender Weise eine perfekte enge Verbindung zwischen der zeolithischen Masse und dem metallischen Schirm her.
Ein solcher Komplex bildet also eine wirksame thermische Abschirmung bei der Anwendung zum Schutz einer Black Box wie auch für jede ähnliche Anwendung (Schutz eines elektronischen Geräts) und erst recht für weniger extreme Anwendungen.
Im folgenden wird im Rahmen eines nicht einschränkenden Beispiels eine Realisation einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei die Beschreibung und die Zeichnungen weitere Besonderheiten der vorliegenden Erfindung deutlich werden lassen.
In den Zeichnungen sind
Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Gesamtansicht der Schutzvorrichtung im Schnitt und
Fig. 3 ein Diagramm, das sich auf eine thermische Prüfung des Schirms bezieht.
Die in Fig. 1 dargestellte Schutzvorrichtung umf aßt einen inneren Kasten, dessen Wand mit 6 bezeichnet ist und der in dem Behälter angeordnet ist, dessen Wand mit 8 bezeichnet ist, wobei der Zwischenraum zwischen diesen zwei Wänden durch eine zusammgesetzte Abschirmung E ausgefüllt wird, die vergrößert in einem Schnitt längs ihrer Dicke dargestellt ist, welche durch den Doppelpfeil 1 angedeutet ist.
Diese zusammengesetzte Abschirmung besteht aus drei Schichten, nämlich
einer Wand 2, vorzugsweise ein metallisches Blatt mit einigen zehn Millimetern Dicke, dessen zur Außenseite des Komplexes weisende Seite 2a poliert und dann durch chemisches Abscheiden oder durch Vakuumabscheiden mit einem Metall 3 überzogen wurde, das einen hohen Reflexionskoeffizienten über einem großen Wellenlängenbereich aufweist; die physiko-chemischen Eigenschaften des Überzugs und des metallischen Blattes werden entsprechend der thermischen Umgebung gewählt, d.h. derart, daß man einen hohen Schmelzpunkt und eine gute Oxidationsfestigkeit erhält;
einer hitzebeständigen keramischen Matte 4 mit einer Dicke von 2 mm bis 3 mm, welche auf die nicht polierte Fläche 2b des reflektierenden Schirms mit Hilfe eines Silikonklebstoffs oder eines anderen Klebstoffs aufgeklebt ist; diese Matte setzt sich aus Fasern aus Aluminiumoxid (75%) und Quarzglas hoher Reinheit derart zusammen, daß sie eine hohe thermische Beständigkeit aufweist;
einer gehärteten Masse 5 aus einem mineralischen Material, welches zeolithisches Wasser enthält, die man durch "in situ"-Polykondensation eines zeolithischen Gemischs aus Aluminiumsilikat an der Matte 4 erhält; derartige Gemische sind zum Beispiel in dem unter Nr. 2 464 227 veröffentlichten französischen Patent beschrieben und werden unter der Bezeichnung GEOPOLYMITE von der Gesellschaft GEOPOLYMERE-France verkauft.
Zum Beleg für die Bekanntheit dieser Materialien kann auf andere Patentveröffentlichungen und auf Artikel von Herrn J. Davidovits Bezug genommen werden, insbesondere auf "Synthesis of new high-temperature geo-polymers for reinforced plastics/composites" (Society of Plastics Engineers, Inc., PACTEC '79), "Processing and applications of ultra-high temperature, inorganic matrix resin for cast composite structures..." (PACTEC '83) und den Übersichtsartikel "Les matériaux GEOPOLYMERES" (Oktober 1986).
Diese Veröffentlichungen beschreiben Natrium- oder Kalium-Alumiumsilicate, welche in basischer Umgebung polykondensieren und ein dreidimensionales mineralisches Polvmer bilden, das eine Struktur analog zu den natürlichen Zeolithen aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung führt man diese Polykondensation in situ an der Matte derart durch, daß das breiige Ausgangsgemisch mehr oder weniger die Matte durchsetzt, was jeden Leerraum zwischen dem metallischen Schirm und dem gehärteten Geopolymer verhindert. Man beachte, daß die mineralische Matte außer dieser wichtigen Funktion, die den Schutz der Oberfläche der Geopolymermasse gewährleistet, auch die Aufgabe hat, einen direkten Kontakt zwischen dem basischen Reaktionsmilieu und dem metallischen Schirm zu verhindern, der durch ein solches Milieu angegriffen werden kann.
Man gibt Natrium-Geopolymeren (Natrium-Polysialaten) den Vorzug, welche die Bildung einer großen Menge an zeolithischem Wasser gewährleistet.
Vorzugsweise fügt man dieser mineralischen Matrix organische Flüssigkeiten, die in der Lage sind, unter der Einwirkung von Hitze die Wirkung von Hydroxylgruppen zu entfalten, zum Beispiel Glykol, in einem Verhältnis bei, das vorzugsweise zwischen 5 Gew.-% und 10 Gew.-% der mineralischen Matrix liegt.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, zum mechanischen Verstärken der Matrix darin Fasern einzubauen, zum Beispiel kurze Aluminiumoxidfasern (1 mm bis 2 mm), wie sie unter der Bezeichnung SAFFIL durch die Gesellschaft ICI auf den Markt gebracht werden.
Der Anteil der in die Matrix eingebrachten Fasern kann im Bereich von ungefähr 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% liegen, wobei ein Anteil von 10% bereits sehr zufriedenstellende Resultate liefert.
Der erzielte thermische Schutz ist bei tiefen Temperaturen (unterhalb von 0ºC) stabil, ohne daß die Gefahr einer Eisbildung besteht, und es ist nicht erforderlich, die Undurchlässigkeit des zu schützenden Systems herbeizuführen, weil das freie Wasser, d.h. das Wasser außerhalb des Gitters, durch Trocknen während der Polymerisationsphase der Matrix beseitigt wurde.
Vorzugsweise führt man die Reaktion an der Matte durch, nachdem man die Matte an den metallischen Reflexionsschirm geklebt hat; es ist jedoch nicht ausgeschlossen, zuerst die Reaktion an der Matte in einer Form durchzuführen und dann die Matte an den metallischen Schirm zu kleben.
Der innere Kasten 6 ist zum Beispiel ein Stahlkasten 6, welcher ein elektronisches Gerät 7 enthält.
Tatsächlich verfährt man im allgemeinen in zwei Schritten (Fig. 2). In einem ersten Stadium setzt man den Kasten 6 in den Behälter 8, bei dem man den Boden und die Seiten nit dem reflektierenden Schirm 2, 3 und der an den Schirm geklebten Matte 4 ausgekleidet hat, und man gießt die Reaktionsmischung in den Zwischenraum zwischen der Matte und dem Kasten, wobei man den Raum, der schließlich durch den Deckel 9 des Behälters abgeschlossen wird, freiläßt. Dieser Deckel 9 wird gesondert hergestellt und dann an seinen Platz gebracht. Der Deckel 9 enthält ebenfalls eine erfindungsgemäße Abschirmung.
Die Bezugsziffer 11 bezeichnet in der Fig. 2 den Verlauf der elektrischen Leiter der Black Box.
Die Wand des Behälters ist in Form von Mikrolöchern 10 (Fig. 1) durchbohrt, welche für das Abführen des Dampfes im Brandfall vorgesehen sind, der durch das Verdampfen des zeolithischen Wassers des Materials 5 vorgesehen ist.
Unter dem Einfluß einer thermischen Beanspruchung spielt das mineralische Material die Rolle eines thermischen Stabilisators, da das zeolithische Wasser ab 200ºC freigesetzt wird, wodurch eine bei 100ºC stabilisierte thermische Umgebung geschaffen wird, deren Dauer von der Menge des zeolithischen Wassers abhängt.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Resultate zeigt, die man im Falle des oben beschriebenen Beispiels beim Angreifen von Flammen mit 1100ºC erhält, welche durch zwei Brenner erzeugt werden, deren Gesamtfluß 150 Kw/m² beträgt.
Man bemerkt, daß die Temperatur nach einer Belastung von 30 min 110ºC nicht überschreitet und unterhalb von 130ºC nach dem Abstellen der Flammen bleibt, dies bei einer Dicke des thermischen Schutzes von 15 mm.
Die Erfindung ist nicht auf die Wahl eines "Geopolymers" als zeolithisches Wasser enthaltendes Material beschränkt und erstreckt sich auf die Verwendung jedes mineralischen Materials, das eine dreidimensionale Matrix festlegt, die in zeolithischer Form eingeschlossenes Wasser enthält.

Claims

1. Thermische Schutzvorrichtung für gegen thermische Beanspruchung empfindliches Gerät umfassend einen Behälter (8), der das Gerät (7) umgibt, sowie einen thermischen Isolationschirm (E), der zwischen dem Gerät und dem Behälter (8) angeordnet ist und einen Werkstoff enthält, der unter der Wirkung einer thermischen Beanspruchung entstandenes Kristallisationswasser freigeben kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationschirm den Zwischenraum zwischen dem Behälter (8) und einem Kasten (6) ausfüllt, welcher das Gerät aufnimmt, und daß der Isolationschirm (E) eine metallische Wand (2) umfaßt, deren zum Behälteräußeren weisende Oberfläche (2a) reflektierend (2, 3) ist, wobei eine hitzebeständige Matte (4) auf den Rücken dieser Wand geklebt ist und eine feste mineralische Masse (5) enthaltend zeolithisches Wasser, die durch Aushärten auf der Matte eines Trennfluids aufbereitet ist, von der ein Anteil die Matte impregniert hat, den Zwischenraum zwischen der Matte (4) und dem Kasten (6) ausfüllt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte (4) eine Keramikmatte ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feste mineralische Masse durch Polykondensation eines Aluminium-Silikates in einem basischen Milieu erhalten ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feste mineralische Masse durch Polykondensation in einem basischen Milieu eines Aluminium-Silikates von Natrium erhalten ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte feste mineralische Masse 5 bis 50 Gewichtsprozent Fasern, insbesondere Aluminiumfasern, enthält.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Behälters (8) Mikrolöcher zum Evakuieren von Dampf aufweist, der durch Verdampfen von zeolithischem Wasser dann erzeugt wird, wenn die Vorrichtung einem Brand ausgesetzt wird.

7. Anwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Schutz des schwarzen Kastens eines Luftfahrzeuges.