УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СКАФАНДРЕ ДЛЯ РАБОТЫ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ
DEVICE FOR AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL IN SPACESUIT FOR OUTER SPACE OPERATION

Изобретение относится к космической технике, а именно к снаряжению космонавта для выхода в космос.
Известно устройство для регулирования температуры в скафандре (Алексеев С.М. Космические скафандры вчера, сегодня, завтра. - М.: Знание, 1987. - 64 с.), которое представляет собой костюм водяного охлаждения. Костюм водяного охлаждения состоит из комбинезона и системы трубок, по которым циркулирует хладагент, приводящийся в движение электронасосом. Комбинезон изготовляется из сетчатого полотна - спандекса трикотажного переплетения. Трубопроводы костюма водяного охлаждения изготавливают из гибких трубок с внутренним диаметром 1,5-3,6 мм и толщиной стенки 0,5-1 мм. Количество трубок зависит от конструктивной схемы и находится в пределах от 20 до 60 шт. Общая длина трубок 80-120 м.
Чем меньше длина трубок, тем меньше гидравлическое сопротивление костюма, и поэтому необходима меньшая мощность электронасоса для обеспечения циркуляции воды. Обычно при расходе около 100 л/ч гидравлическое сопротивление костюма составляет 5 кПа (500 мм вод.ст.).
Здесь в качестве электронасоса используется электродвигатель мокрого типа (Бобков А.В. Центробежные насосы систем регулирования космических аппаратов. Владивосток: Дальнаука, 2003. С.196-203), где теплоноситель циркулирует во внутренней полости через зазоры между статором и ротором и зазоры подшипников, поэтому в насосе наблюдаются большие потери мощности на трение, которые могут достигать 50% и более от полезной мощности насоса, в результате происходит увеличение гидравлического сопротивления костюма. Сказанное приводит к необходимости увеличивать мощность электронасоса, т.е. ухудшать его массогабаритные показатели.
Известно устройство автоматического регулирования температуры в скафандре для работы в открытом космосе (RU №95640, B64G 6/00, опубл. 10.07.2010), выбранное в качестве прототипа, состоящее из контура водяного охлаждения, включающего теплообменник, насос для перекачки охлаждающей воды, костюм водяного охлаждения с датчиком температуры на входе в костюм, и вентиляционного контура, включающего поглотитель углекислого газа, теплообменник для охлаждения газа, вентилятор для создания расхода газа. Данное устройство также включает в себя микроЭВМ, которая обрабатывает сигналы, поступающие с установленных в вентиляционном контуре датчика расхода газа и датчиков углекислого газа на входе и выходе патрона-поглотителя, рассчитывает величину энерготрат космонавта, определяет необходимый уровень температуры воды в костюме водяного охлаждения и передает управляющие сигналы на электромагнитные клапаны, открывающие и закрывающие потоки воды в охлаждаемой и байпасной линиях.
Основным недостатком прототипа является то, что в качестве насоса для перекачки охлаждающей воды используется электродвигатель мокрого типа, который повышает гидравлическое сопротивление контура водяного охлаждения, что приводит к необходимости повышать мощность электродвигателя. Сказанное ухудшает массогабаритные показатели насоса, а следовательно, и всего устройства.
Перед авторами стояла задача улучшить массогабаритные показатели за счет уменьшения гидравлического сопротивления насоса.
Технический результат достигается тем, что в устройстве автоматического регулирования температуры в скафандре для работы в открытом космосе, содержащем контур водяного охлаждения, состоящий из теплообменника-сублиматора, водяной выход которого соединен с входом водяного насоса, выход которого соединен с входом костюма водяного охлаждения, выход которого соединен через первый электромагнитный клапан с водяным входом теплообменника-сублиматора, причем вход водяного насоса также соединен с выходом костюмом водяного охлаждения байпасовой линией с вторым электромагнитным клапаном; вентиляционный контур, состоящий из вентилятора, выход которого соединен с входом патрона-поглотителя, выход которого соединен с воздушным входом теплообменника-сублиматора, воздушный выход которого соединен с входом устройства вентиляции скафандра, выход которого соединен с входом вентилятора, и микроЭВМ входы которой соединены с датчиком расхода газа, установленным в вентиляционном контуре, датчиками углекислого газа, которые установлены на входе и выходе патрона-поглотителя, и датчиком температуры, установленным на входе костюма водяного охлаждения, выходы микроЭВМ соединены с клеммами электромагнитных клапанов, водяной насос выполнен в виде электромеханического преобразователя, состоящего из корпуса, к которому жестко прикреплен ферромагнитный магнитопровод с первичной обмоткой, внутри которого расположена вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка, выполненная в виде полого цилиндра, отделенного от магнитопровода дополнительным теплоизолирующим элементом из композиционного антифрикционного неэлектропроводящего материала, и выполняющего функцию радиально-упорного подшипника скольжения, торцы ферромагнитного магнитопровода герметично закрыты крышками, на внутренней поверхности вторичной обмотки сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти.
Схема устройства автоматического регулирования температуры в скафандре для работы в открытом космосе показана на фиг.1. На фиг.2 показан насос для перекачки охлаждающей среды.
Заявляемое устройство (фиг.1) включает в себя: контур водяного охлаждения, состоящий из теплообменника-сублиматора 1, водяной выход которого соединен с входом водяного насоса 2, выход которого соединен с входом костюма водяного охлаждения 3, выход которого соединен через первый электромагнитный клапан 4 с водяным входом теплообменника-сублиматора 1, причем вход водяного насоса 2 также соединен с выходом костюмом водяного охлаждения 3 байпасовой линией с вторым электромагнитным клапаном 5; вентиляционный контур, состоящий из вентилятора 6, выход которого соединен с входом патрона-поглотителя 7, выход которого соединен с воздушным входом теплообменника-сублиматора 1, воздушный выход которого соединен с входом устройства вентиляции скафандра 8, выход которого соединен с входом вентилятора 6, и микроЭВМ 9, входы которой соединены с датчиком расхода газа 10, установленным в вентиляционном контуре, датчиками углекислого газа 11, 12, которые установлены на входе и выходе патрона-поглотителя 7, и датчиком температуры 13, установленным на входе костюма водяного охлаждения 3, выходы микроЭВМ 9 соединены с клеммами электромагнитных клапанов 4, 5.
Насос 2 выполнен в виде электромеханического преобразователя, содержащего корпус 14, к которому жестко прикреплен цилиндрический ферромагнитный магнитопровод 15 (фиг.2) с размещенной на нем первичной обмоткой 16. Внутри магнитопровода 15 расположена вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка 17, выполненная в виде несплошного полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти 18. Неподвижный ферромагнитный магнитопровод 15 представляет собой капсулированный композиционным изоляционным материалом статор электромеханического преобразователя. Между внутренней расточкой магнитопровода 15 и внешней поверхностью вторичной обмотки 17 расположен дополнительный теплоизолирующий элемент 19 из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющий функцию радиально-упорного подшипника скольжения. Неподвижный ферромагнитный магнитопровод 15 представляет собой статор электромеханического преобразователя, капсулированный композиционным изоляционным материалом, в состав которого входят компоненты, например оксид алюминия, в количестве, обеспечивающем повышение эквивалентного коэффициента теплопроводности материала до 120…250 Вт/(м×К). Дополнительный теплоизолирующий элемент 19 из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющий функцию радиально-упорного подшипника скольжения, включает компоненты, например фтортермопластов (тефлон, фторопласт), обеспечивающие коэффициент трения между элементом 19 и внешней поверхностью вторичной обмотки 17 при сухом ходе не более 0,14…0,15 и не более 0,010…0,020 при наличии воды. Торцы магнитопровода 15 герметично закрыты крышками 20 со штуцерами 21. Стрелками показано направление перемещения охлаждаемой воды.
Устройство работает следующим образом.
Тепло, выделяемое человеком, отводится в контуре водяного охлаждения (фиг.1), в котором имеется КВО 3. Охлаждение воды осуществляется с помощью теплообменника-сублиматора 1, где за счет фазового превращения (сублимации воды в вакуум окружающего космического пространства) происходит отвод тепла.
Вода в контуре водяного охлаждения после теплообменника-сублиматора 1 имеет температуру около 5°С. КВО 3, одетый на человека, за счет контакта охлаждающих трубок с поверхностью тела может обеспечивать теплосъем до 500 Вт. Вода в контуре водяного охлаждения приводится в движение с помощью насоса 2. После подачи питания на первичную обмотку 16 (фиг.2) последняя создает вращающееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в короткозамкнутой вторичной обмотке 17. Взаимодействие этих вихревых токов с вращающимся магнитным полем обмотки 16 приводит к возникновению вращающего момента, под действием которого вторичная обмотка 17 начинает вращаться. Напорные лопасти 18 приводят в движение охлаждаемую воду. Т.к. канал, по которому проходит охлаждаемая вода, образован внутренней полостью вторичной обмотки 17 и штуцерами 21 - элементами с большой площадью внутреннего сечения, он характеризуется пониженным гидравлическим сопротивлением.
вхКВО
Каждому уровню энерготрат ставится в соответствие интервал автоматически регулируемых температур Т (фиг.1).
Устройство автоматического регулирования температуры в скафандре обеспечивает регулирование режимов охлаждения с помощью микроЭВМ 9, в которую поступает текущая информация о параметрах с датчиков содержания углекислого газа 11, 12 и датчика расхода газа 10.
МикроЭВМ 9 в соответствии с программой выдает сигналы на открытие-закрытие электромагнитных клапанов 4, 5, установленных в линии теплообменника-сублиматора 1 и линии байпаса.
Основное регулирование осуществляется при открытии-закрытии клапана 4 в охлаждаемой линии теплообменника-сублиматора 1. Большую часть времени клапан 5 в линии байпаса находится в открытом состоянии.
вхКВО
При увеличении начальных энерготрат выше исходного уровня, которому соответствовала температура воды Т, клапан 4 охлаждаемой линии теплообменника-сублиматора 1, который до этого момента был закрыт, открывается, и в гидросистему скафандра начинает поступать вода, охлаждаемая в теплообменнике-сублиматоре 1.
вхКВО
Когда температура воды Т понижается до уровня, соответствующего текущему уровню энерготрат, клапан 4 закрывается, обеспечивая необходимое равновесие.
вхКВО
В случае дальнейшего повышения уровня энерготрат клапан 4 снова открывается и происходит дальнейшее понижение температуры воды Т и т.д.
вхКВО
При понижении уровня энерготрат, когда космонавт переходит к более легкой работе или отдыху, клапан 4 закрывается и остается в закрытом состоянии до тех пор, пока температура воды Т не увеличивается до расчетного уровня, требующего понижения температуры, то есть открытия клапана 4.
вхКВО
В случае необходимости понижения температуры Т до минимального уровня, обеспечиваемого теплообменником-сублиматором 1, предусматривается, кроме открытия клапана 4, кратковременное закрытие нормально открытого клапана 5 линии байпаса.
В этом случае также достигается максимальная скорость понижения температуры, которая не может быть получена только за счет включения клапана 4 линии теплообменника-сублиматора 1.
Таким образом, из-за того, что канал насоса 2, по которому проходит охлаждаемая вода, имеет пониженное гидравлическое сопротивление, требуемый напор охлаждаемой воды может быть создан при меньшей мощности насоса 2 по сравнению с прототипом, что ведет к улучшению массогабаритных показателей заявляемого устройства.