Способ тепловакуумных испытаний космического аппарата
METHOD OF SPACECRAFT THERMAL VACUUM TESTING

Техническое решение относится к области космической техники, а именно к тепловакуумным испытаниям (ТВИ) космических аппаратов (КА).
Учет компоновки и конструктивных особенностей проектируемых КА негерметичного исполнения, корпус которых выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с боковыми гранями из сотопанелей, содержащих тепловые трубы и сопряженных в тепловом отношении коллекторными тепловыми трубами, позволяет предложить новый, по мнению авторов, способ ТВИ с улучшенными технико-экономическими показателями.
Известен способ ТВИ КА, заключающийся в вакуумировании камеры с размещенным в ней КА до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, воздействии на КА с помощью имитатора внешних тепловых потоков определенной ранее тепловым расчетом температуры с одновременным воспроизведением внутреннего теплового нагружения КА (см. патент РФ 2564056, B64G 7/00, 2015, «Способ тепловакуумных испытаний космического аппарата»). Реализация этого технического решения снижает трудо- и энергозатраты при обеспечении необходимой степени достоверности ТВИ, но способ приемлем только для КА микро- и малого класса - массой до 100 кг и энергопотреблением до 100 Вт и корпус которых не имеет тепловых труб, расположенных в разных плоскостях. При этом отсутствует возможность определить температурные поля оснащенных аппаратурой или тепловыми имитаторами панелей корпуса КА большего размера и повышенного энерговыделения.
Известен также подход к проведению ТВИ негерметичных автоматических КА, заключающийся в отработке системы обеспечения теплового режима (СОТР) с целью определения достаточности холодопроизводительности радиационных теплообменников и температурных полей посадочных мест аппаратуры (см. ГОСТ Р 56519-2015. Аппараты космические автоматические. Тепловакуумная отработка. Общие требования, стр. 14). Документ содержит рекомендации по обеспечению возможности проведения тепловакуумных испытаний развертки СОТР, т.е. сотопанелей со встроенными тепловыми трубами (ТТ) в одной горизонтальной плоскости (при использовании в СОТР угловых, коллекторных и артериальных ТТ, не лежащих горизонтально). Также аналог содержит требования к методологии тепловакуумной отработки, которая должна разрабатываться с учетом влияния гравитации на работу элементов СОТР негерметичных КА (там же стр. 7 п. 5.6).
Однако этот подход к ТВИ с горизонтальной разверткой сотопанелей корпуса КА обладает следующими недостатками:
1) для испытаний крупных КА требуются горизонтальные вакуумные камеры больших размеров;
2) из имитаторов внешних тепловых потоков можно использовать только индивидуальные нагреватели сотопанелей;
3) необходимо проектировать и изготавливать специальные стендовые (не штатные) коллекторные трубы и стендовую кабельную сеть;
4) полностью исключается теплообмен излучением между сотопанелями и приборами;
5) отсутствует тепловая связь (по коллекторным тепловым трубам) между крайними сотопанелями, что влияет на теплообмен между всеми сотопанелями.
Технической задачей предложенного решения является устранение указанных недостатков, обеспечение необходимой степени достоверности ТВИ при одновременном снижении стоимости испытаний.
Поставленная техническая задача достигнута тем, что в способе тепловакуумных испытаний КА, заключающемся в вакуумировании камеры с размещенным в ней КА до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, воздействии на КА натурных тепловых потоков с помощью размещенного в вакуумной камере имитатора внешних тепловых потоков, воспроизведении внутреннего теплового нагружения КА, соответствующего штатной циклограмме энергопотребления КА в орбитальном полете, осуществляемого включением приборов КА с помощью наземной контрольно-проверочной аппаратуры, КА, корпус которого выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с боковыми гранями из сотопанелей, содержащих продольные тепловые трубы, и оснащен тепловыми эквивалентами или штатными образцами приборов и содержит несколько поясов коллекторных тепловых труб, перпендикулярных тепловым трубам сотопанелей, предварительно снабжают стендовыми нагревателями, расположенными в нижних зонах сотопанелей, и стендовыми охладителями, расположенными в верхних зонах сотопанелей, и устанавливают его в вакуумной камере вертикально с расположением боковых граней корпуса перпендикулярно земной поверхности, после создания в вакуумной камере необходимых внешних условий испытаний включают стендовые нагреватели с тепловыделением, эквивалентным суммарному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей при штатной эксплуатации, без включения приборов и определяют температурные поля сотопанелей, далее увеличивают подаваемую на стендовые нагреватели сотопанелей мощность до значения двойного суммарного тепловыделения приборов соответствующих сотопанелей и одновременно задействуют стендовые охладители для поглощения тепловыделения стендовых нагревателей, эквивалентного штатному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей, и при этом добиваются совпадения температурных полей сотопанелей в обоих режимах, с последующим включением установленных на сотопанелях приборов со штатным тепловыделением и одновременным снижением тепловыделения стендовых нагревателей до штатного значения тепловыделения приборов, при этом во время испытаний тепловое нагружение и контроль полей температур каждой боковой панели корпуса КА осуществляют индивидуально, а продолжительность режимов испытаний ограничивают условием не превышения температуры приборных блоков допустимого значения, по результатам испытаний, которые получают в виде температурных полей панелей корпуса КА и данных по функционированию агрегатов системы обеспечения теплового режима, уточняют предварительно созданную математическую модель тепловых режимов КА и выполняют тепловые расчеты для штатного КА и натурных условий эксплуатации.
Предложенный способ ТВИ поясняется чертежами фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлена схема корпуса КА, а на фиг. 2 - схема одной боковой панели корпуса КА.
Фиг. 1 поясняет проведение начального этапа ТВИ, на ней не показаны приборы, которые на этом этапе не включают.
Фиг. 2 поясняет проведение заключительного этапа ТВИ (не показан радиационный теплообменник).
На представленных чертежах введены следующие обозначения:
1 - сотопанель;
2 - аксиальная тепловая труба в сотопанели;
3 - коллекторная тепловая труба;
4 - стендовый нагреватель;
5 - стендовый охладитель;
6 - радиационный теплообменник;
7 - экранно-вакуумная теплоизоляция;
8 - прибор с тепловыделением 100 Вт;
9 - прибор с тепловыделением 50 Вт;
10 - прибор с тепловыделением 80 Вт.
Объектом ТВИ является КА или тепловой макет КА, но в том и другом случае оснащенный штатной системой обеспечения теплового режима, включающей аксиальные ТТ в сотопанелях, различные коллекторные и связующие аксиальные ТТ, нагреватели с системой управления их мощностью, экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ), радиационные теплообменники (РТО), терморегулирующие покрытия и т.п.
На начальном этапе ТВИ после создания в вакуумной камере необходимых внешних условий испытаний, т.е. создания внешних тепловых потоков, включают только расположенные в нижних зонах сотопанелей стендовые нагреватели с тепловыделением, эквивалентным тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей при штатной эксплуатации, а сами приборы не включают.
При такой подаче тепла снизу аксиальные ТТ в сотопанелях будут функционировать в условиях гравитации в режиме термосифона и обеспечивать распределение теплового потока по длине сотопанелей снизу вверх (по вертикали). Одновременно коллекторные ТТ, расположенные в горизонтальной плоскости в верхней части внутренних поверхностей сотопанелей, обеспечивают перераспределение тепла как в пределах каждой из четырех боковых сотопанелей, так и между ними.
Функционирование стендовых нагревателей обуславливает нагрев сотопанелей корпуса КА, с которых через радиационные теплообменники и закрытые ЭВТИ участки корпуса тепловой поток излучением сбрасывается на внутренние стенки вакуумной камеры. При этом между поверхностью КА и вакуумной камерой устанавливается равновесное состояние, обеспечиваемое работой холодильной установки вакуумной камеры, отводящей тепловыделения нагревателей.
Испытания проводятся для различных режимов функционирования КА, в т.ч. для экстремальных тепловых режимов - «горячего» и «холодного».
На этом этапе испытаний определяются средние температуры сотопанелей корпуса КА и достаточность основных параметров СОТР КА - величины площадей радиационных теплообменников и характеристик терморегулирующих покрытий внешних поверхностей КА (РТО и ЭВТИ).
На следующем этапе испытаний на КА воздействуют такими же внешними потоками, как и на первом этапе. Однако, внутреннее тепловое нагружение осуществляют по-другому - увеличивают подаваемую на стендовые нагреватели сотопанелей мощность до значения двойного суммарного тепловыделения приборов соответствующих сотопанелей и одновременно задействуют стендовые охладители для поглощения тепловыделения стендовых нагревателей, эквивалентного штатному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей. При этом, регулируя нагрузки нагревателей и охладителей, добиваются совпадения значений средних температур сотопанелей корпуса КА на обоих этапах.
Далее, включают установленные на сотопанелях приборы со штатным тепловыделением и одновременно снижают тепловыделения стендовых нагревателей до штатного значения тепловыделения приборов.
Вышеизложенные операции по внутреннему тепловому нагружению сотопанелей корпуса КА, а именно - первоначальная двойная тепловая нагрузка от стендовых нагревателей с последующим снижением ее до одинарной и включением приборов со штатным одинарным тепловыделением - необходимы для устойчивой гарантированной работы аксиальных тепловых труб, находящихся в составе сотопанелей и функционирующих в режиме термосифона в условиях земной гравитации.
Установленные и подключенные к системе охлаждения стендовые охладители компенсируют тепловыделение стендовых нагревателей, что позволяет осуществить на этом этапе испытаний штатное тепловое нагружение КА.
Стендовые охладители могут быть выполнены в виде жидкостных теплообменников, функционирующих автономно, т.е. каждый теплообменник поглощает тепловой поток отдельной сотопанели.
Также как и на начальном этапе испытаний, коллекторные ТТ, расположенные в горизонтальной плоскости, обеспечивают перераспределение тепла как в пределах каждой из четырех боковых сотопанелей, так и между ними.
Реализуемое таким образом внутреннее тепловое нагружение сотопанелей корпуса, соответствующее штатному нагружению КА, позволяет определить тепловое состояние и температурные поля посадочных мест аппаратуры с повышенной степенью достоверности.
Индивидуальный контроль за тепловым нагружением приборов и сотопанелей, а также контроль за их фактическими температурами обеспечивает безопасность эксплуатации и сохранность дорогостоящей материальной части, особенно в случае использования в испытаниях штатных приборных блоков.
По результатам испытаний, которые получены с необходимой степенью достоверности, уточняют математическую модель тепловых режимов КА и выполняют тепловые расчеты для натурных условий эксплуатации штатного КА.
Предложенный способ ТВИ КА осуществляют следующим образом. На всех этапах испытаний в вакуумной камере с криоэкранами создают необходимые условия традиционным способом - вакуумирование камеры до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, захолаживание криоэкранов для имитации холода окружающего космического пространства, облучение наружных поверхностей КА тепловыми потоками от имитаторов солнечного и земного излучений.
На начальном этапе включают расположенные в нижних зонах сотопанелей 1 стендовые нагреватели 4 с тепловыделением, суммарным тепловыделениям приборов соответствующих сотопанелей при штатной эксплуатации, а сами приборы не включают. Например, для сотопанели, показанной на фиг. 2, мощность стендового нагревателя 4 составит 100+50+80=230 (Вт). Аксиальные тепловые трубы 2, функционируя в режиме термосифона, распределят тепловой поток по сотопанели, коллекторные тепловые трубы 3 распределят его равномерно по сотопанели и между сотопанелями. При этом на каждой сотопанели с учетом теплообмена через радиационный теплообменник 6 и закрытые ЭВТИ 7 участками сотопанелей корпуса КА со стенками вакуумной камеры установится средняя температура.
На следующем этапе испытаний увеличивают мощность стендовых нагревателей 4 всех боковых сотопанелей, например, для сотопанели, представленной на фиг. 2 стендовый нагреватель 4 задействуют с мощностью тепловыделения 230×2=460 (Вт). Одновременно включают стендовые охладители 5 для поглощения тепловыделения стендовых нагревателей (в примере для представленной панели 230 Вт). Регулируя тепловые мощности нагревателей и охладителей, добиваются совпадения температурных полей сотопанелей в обоих этапах.
Далее включают сами приборы 8, 9, 10 или их тепловые эквиваленты со штатным тепловыделением, например 100, 50 и 80 Вт соответственно, и одновременно снижают мощность тепловыделения стендового нагревателя 4 с 460 до 230 Вт, а стендовый охладитель 5 по-прежнему поглощает 230 Вт.
Аксиальные тепловые трубы 2 и коллекторные тепловые трубы 3 функционируют так же, как и на первом этапе испытаний. При установлении равновесного состояния (с учетом теплообмена через радиационный теплообменник 6 и закрытые ЭВТИ 7 участками корпуса КА) определяют искомые поля температур по сотовым панелям и температуры посадочных мест под приборами.
Для проведения предложенного способа испытаний необходим корпус КА со штатной системой обеспечения теплового режима, что исключает изготовление нештатных агрегатов СОТР и тем самым снижает стоимость изготовления матчасти для ТВИ.
Таким образом, для представленной конструкции КА совокупность предложенных признаков - испытания КА в собранном виде в вертикальном положении без развертывания панелей КА в горизонтальной плоскости, задействование стендовых нагревателей и охладителей представленным способом позволяет использовать для ТВИ штатный корпус КА с минимальными доработками, точнее имитировать теплообмен между сотопанелями корпуса КА, что в итоге обеспечивает необходимую степень достоверности результатов испытаний при одновременном снижении их стоимости.