Способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации
METHOD FOR COOLING DOWN SYSTEM OF SPACE OBJECT OPERATING IN VACUUM WHEN SIMULATING NORMAL OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к наземным тепловакуумным испытаниям космических объектов в условиях, приближенных к эксплуатации космических объектов в открытом космическом пространстве, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к вопросам теоретических и экспериментальных исследований при отработке тепловых режимов.
При проведении тепловакуумных испытаний, например, автоматического космического аппарата, который во время штатной эксплуатации может иметь различные траектории полета и режимы работы аппаратуры, очень трудно реализовать многочисленные рабочие режимы, поэтому возникает необходимость воспроизвести экстремальные условия полета, одним из которых является создание предельно низких значений температур на объекте.
Известен способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающийся в том, что устанавливают систему в вакуумную камеру, вакуумируют камеру до заданного значения и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полость криоэкрана, контролируют температуру на системе, подают в вакуумную камеру поток инертного газа, прекращают его подачу в момент достижения на системе заданной температуры, и испытывают ее (Патент РФ №2205140, МПК: B64G 7/00, (2006.01), опубликовано 27.05.2003 г., Бюл. №15).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающийся в том, что устанавливают систему в вакуумную камеру, имеющую криоэкран, вакуумируют камеру до заданного давления и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полость криоэкрана, и контролируют температуру на испытываемой системе во время ее функционирования (Патент РФ №2172709, МПК: B64G 7/00 (2000.01), B64G 1/50 (2006.01), опубликовано 27.08.2001, Бюл. №24). Этот способ принят за прототип.
Недостатком аналога и прототипа является то, что достижение предельно низких температур этими способами довольно длительный процесс, который связан с большими энергозатратами и трудозатратами, а именно: большим расходом дорогостоящего азота при захолаживании и длительным временем выхода на режим. При захолаживании испытываемой системы важно создать равномерное температурное поле вокруг нее, поэтому после установки системы в вакуумную камеру и вакуумировании камеры криогенный экран чаще всего заполняют полностью и поддерживают этот уровень до конца испытаний. Однако равномерное температурное поле вокруг системы будет создано и при заполнении криоэкрана жидким азотом до высоты равной высоте системы, установленной в вакуумной камере и это даст ощутимую экономию дорогостоящего жидкого азота. Кроме того меньше времени будет затрачено на отогрев криоэкрана теплым сжатым воздухом и системой инфракрасного нагрева по окончании испытаний, так как температура верхней части криоэкрана будет выше той температуры, если бы криоэкран был заполнен полностью или выше высоты испытываемой системы, установленной в вакуумной камере и, соответственно, это даст экономию электроэнергии и сжатого теплого воздуха.
Задачей изобретения является создание равномерного температурного поля вокруг испытываемой системы при ее захолаживании в моделируемых условиях штатной эксплуатации, а также сокращение расхода жидкого азота с одновременным уменьшением продолжительности захолаживания системы космического объекта.
Техническим результатом изобретения является снижение энерго- и трудозатрат, сокращение времени проведения захолаживания системы космического объекта.
Технический результат достигается за счет того, что в способе захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающимся в том, что устанавливают систему в вакуумную камеру, имеющую криоэкран, вакуумируют вакуумную камеру до заданного давления и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полость криоэкрана, контролируют температуру на системе, при этом размечают высоту криоэкрана на заданные с определенным шагом интервалы, вакуумируют вакуумную камеру без системы до заданного давления, при подаче жидкого азота в полость криоэкрана по мере его заполнения на каждом упомянутом интервале измеряют температуру криоэкрана, соответствующую температуре, близкой к температуре кипения жидкого азота, и одновременно с этим измерением фиксируют температуру криоэкрана в самой верхней его точке при достижении квазистационарного состояния, сравнивают ее с измеренной температурой криоэкрана по его высоте до момента полного заполнения криоэкрана жидким азотом, получают зависимость изменения температуры верхней точки криоэкрана от высоты заполнения его жидким азотом, после чего отогревают криоэкран до нормальной температуры, разгерметизируют вакуумную камеру, помещают в нее систему, фиксируют верхнюю точку системы и проецируют ее в горизонтальной плоскости на размеченный криоэкран, после вакуумирования вакуумной камеры заполняют криоэкран жидким азотом только до указанной спроецированной точки, контролируя температуру в самой верхней точке криоэкрана в соответствии с полученной зависимостью.
вт
Сущность изобретения поясняется графическими материалами (Фиг. 1), на которых представлен график зависимости изменения температуры верхней точки криоэкрана (Т) от высоты заполнения его жидким азотом (Н).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом:
- размечают криоэкран по высоте на заданные с определенным шагом интервалы (например, через 0,1 м);
-2
-4
- вакуумируют вакуумную камеру, имеющую криоэкран, без системы с помощью вакуумных насосов (например, механических Oerlikon Leybold RUTA WH7000/DV1200/G, турбомолекулярных Edwards STP-iXA4506C) до заданного давления (например, до давления 1⋅10 -1⋅10 Па, которое обеспечивает чисто радиационный характер внешней теплопередачи);
- одновременно с вакуумированием камеры захолаживают криоэкран, подавая в полость криоэкрана жидкий азот и измеряют температуру криоэкрана (например, с помощью датчиков температур ТЭП 018-06), соответствующую температуре близкой к температуре кипения жидкого азота (например, 190±3°С), на каждом интервале (например, через 0,1 м) по мере заполнения его жидким азотом;
- одновременно с предыдущей операцией фиксируют температуру криоэкрана в самой верхней его точке при достижении квазистационарного состояния (изменение температуры не более 2°С/час) и сравнивают ее со значением температуры криоэкрана по его высоте, до момента полного заполнения криоэкрана жидким азотом;
вт
- получают зависимость изменения температуры верхней точки (Т) криоэкрана от высоты заполнения его жидким азотом (Н) (Фиг. 1);
- отогревают криоэкран с помощью подачи в него теплого воздуха и системы инфракрасного нагрева до нормальной температуры (15-20°С) и разгерметизируют вакуумную камеру;
- помещают в вакуумную камеру систему, фиксируют верхнюю точку системы и проецируют ее в горизонтальной плоскости на размеченный криоэкран;
- вакуумируют вакуумную камеру до заданного давления, заполняют криоэкран жидким азотом только до спроецированной точки на криоэкран, контролируют температуру в самой верхней точке криоэкрана в соответствии с полученной зависимостью и на системе во время ее функционирования;
- по окончании испытаний отогревают криоэкран с помощью подачи в него теплого воздуха и системы инфракрасного нагрева до нормальной температуры (15-20°С) и разгерметизируют вакуумную камеру.
Работа по проведению тарировки и получения зависимости изменения температуры криоэкрана по высоте при его заполнении жидким азотом для вакуумной камеры делается один раз и при последующих испытаниях в вакуумной камере используется полученная зависимость. Измерение температуры в самой верхней точке криоэкрана позволяет получить достоверное температурное поле для изделий любой высоты и дополнительно подтверждает создание требуемого температурного поля, что в свою очередь повышает достоверность испытаний.
3
В настоящее время способ находится на этапе экспериментальной отработки и проведенные эксперименты показали, что при проведении захолаживания одной из систем космического объекта в вакуумной камере объемом 120 м до температуры минус 60°С по способу-прототипу было израсходовано около 9 тонн жидкого азота и затрачено 72 часа на испытания, а при проведении захолаживания по предлагаемому способу до температуры минус 60°С было израсходовано 7,8 тонны жидкого азота и затрачено 66 часов на испытания.
Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить расход дорогостоящего жидкого азота и сократить время проведения захолаживания системы космического объекта.
Предлагаемый способ достаточно прост в эксплуатации, не требует разработки нового оборудования и может найти применение для получения данных при решении проблем, связанных с обеспечением теплового режима космических объектов.