Стенд для проведения тепловакуумных испытаний космических аппаратов в условиях, имитирующих натурные
BENCH FOR CARRYING OUT THERMAL-VACUUM TESTS OF SPACECRAFT UNDER CONDITIONS THAT SIMULATE FULL-SCALE

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к тепловакуумным испытаниям космических аппаратов (КА) в условиях, приближенных к натурным, а именно, к эксплуатации КА в открытом космическом пространстве, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к излучательным и отражательным характеристикам изделий, изготовленных из различных материалов или имеющих разные покрытия.
Известен стенд для проведения тепловакуумных испытаний КА, содержащий вакуумную камеру с КА, установленным внутри нее, систему вакуумирования, криогенный экран, заполняемый жидким азотом, имитатор солнечного излучения, систему управления тепловакуумными испытаниями («Опыт эксплуатации камеры ВК 600/300», технический отчет 618-01-90, НИИХИММАШ).
Недостаток данного аналога заключается в недостаточной достоверности воспроизведения характеристик штатного облучения КА имитатором солнечного излучения, что приводит к температурным ошибкам имитации и недостоверным результатам.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стенд для проведения тепловакуумных испытаний КА в условиях, имитирующих натурные, включающий вакуумную камеру с крышкой для загрузки КА, систему вакуумирования, криогенный экран, заполняемый жидким азотом, имитатор солнечного излучения, опорно-поворотное устройство, систему управления работой вакуумной камеры, систему управления работой КА (Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982 г., рис. 3.26 на стр. 51, стр. 72-73).
Этот стенд принят за прототип.
Недостатком прототипа является то, что имитатор солнечного излучения облучает КА в одном направлении, что не позволяет попеременно (а в некоторых случаях и одновременно) облучать другие поверхности КА, что, в свою очередь, связано с имитацией натурных условий ориентации объекта при его вращении в космическом пространстве относительно Солнца. Кроме того, если система обеспечения теплового режима КА построена на тепловых трубах, которые работают только строго в горизонтальном положении в условиях действия гравитационного поля, также не представляется возможным в процессе проведения тепловакуумных испытаний в вакуумной камере осуществлять вращение КА с нарушением «горизонтирования» тепловых труб, что не гарантирует полноценную работу системы обеспечения теплового режима КА. Кроме того, например, при испытаниях в вакуумной камере крупногабаритных КА в сборе невозможно проводить необходимые развороты КА из-за ограниченного рабочего объема вакуумной камеры. Необходимо каждый раз останавливать испытания и производить операции по перестановке КА, что связано с большими трудозатратами и энергозатратами, например, слив жидкого азота из криогенного экрана, продувка его теплым воздухом, демонтаж КА и установка его в другое положение с повторными электрическими проверками, вывод вакуумной камеры на рабочий режим.
Задачей изобретения является обеспечение проведения тепловакуумных испытаний КА в условиях, имитирующих натурные.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности испытаний за счет приближения к натурным условиям облучения КА в условиях открытого космического пространства и сокращение трудозатрат, связанных с дополнительным расходом жидкого азота, используемого при захолаживании криогенного экрана и сжатого воздуха, используемого для продувки и отогрева криогенного экрана при каждом открытии вакуумной камеры, сокращение электроэнергии, расходуемой на питание систем стенда, а также возможность проведения тепловакуумных испытаний крупногабаритных КА в сборе, имеющих сложную конфигурацию, и оснащенных системой обеспечения теплового режима, построенной на тепловых трубах, которые работают только строго в горизонтальном положении в условиях действия гравитационного поля.
Технический результат достигается за счет того, что в стенде для проведения тепловакуумных испытаний КА в условиях, имитирующих натурные, включающем вакуумную камеру с загрузочной крышкой, систему вакуумирования, криогенный экран, заполняемый жидким азотом, имитатор солнечного излучения, опорно-поворотное устройство для размещения КА, систему управления работой вакуумной камеры и имитатором солнечного излучения, систему управления работой КА, при этом вакуумная камера выполнена в виде двух цилиндров - горизонтального и вертикального, расположенных взаимно перпендикулярно друг к другу, криогенный экран расположен по внутреннему контуру горизонтального и вертикального цилиндров, опорно-поворотное устройство размещено в нижней части горизонтального цилиндра по оси вертикального цилиндра, имитатор солнечного излучения выполнен в виде двух источников солнечного излучения - горизонтального и вертикального, соответственно первый размещен в торце горизонтального цилиндра, противоположном загрузочной крышке, а второй - в торце вертикального цилиндра, противоположном опорно-поворотному устройству, расстояния между горизонтальным источником солнечного излучения и боковой поверхностью КА, и вертикальным источником солнечного излучения и верхней поверхностью КА выбираются такими, чтобы при размещении КА на опорно-поворотном устройстве облучение солнечным потоком происходило с высокими точностными характеристиками по неоднородности уровней плотностей падающего потока излучения, непараллельности и удельной тепловой мощности падающего теплового потока, как от вертикального источника солнечного излучения, так и от горизонтального источника солнечного излучения.
На Фиг. 1 представлен общий вид стенда для проведения тепловакуумных испытаний К А в условиях, имитирующих натурные, где:
1 - вакуумная камера;
2 - горизонтальный цилиндр;
3 - вертикальный цилиндр;
4 - загрузочная крышка;
5 - система вакуумирования;
6 - криогенный экран;
7 - горизонтальный источник солнечного излучения;
8 - вертикальный источник солнечного излучения;
9 - опорно-поворотное устройство;
10 - объект испытаний (КА);
11 - система управления работой вакуумной камеры и источниками солнечного излучения;
12 - система управления работой КА.
Стенд для проведения тепловакуумных испытаний КА в условиях, имитирующих натурные, включает вакуумную камеру 1, выполненную в виде двух цилиндров: горизонтального цилиндра 2 и вертикального цилиндра 3, расположенных взаимно перпендикулярно друг к другу, загрузочную крышку 4, систему вакуумирования 5, криогенный экран 6, горизонтальный источник солнечного излучения 7, вертикальный источник солнечного излучения 8, опорно-поворотное устройство 9, на котором устанавливается объект испытаний (КА) 10, систему управления работой вакуумной камеры и источниками солнечного излучения 11, систему управления работой КА 12, расстояния между горизонтальным источником солнечного излучения 7 и боковой поверхностью объекта испытаний (КА) 10, и вертикальным источником солнечного излучения 8 и верхней поверхностью объекта испытаний (КА) 10 выбираются такими, чтобы при размещении объекта испытаний (КА) 10 на опорно-поворотном устройстве 9 он мог облучаться солнечным потоком с высокими точностными характеристиками по неоднородности уровней плотностей падающего потока излучения, непараллельности и удельной тепловой мощности падающего теплового потока, как от вертикального источника солнечного излучения 8, так и от горизонтального источника солнечного излучения 7.
На предлагаемом стенде процесс проведения тепловакуумных испытаний КА в вакуумной камере 1 в условиях, имитирующих натурные, осуществляется следующим образом.
2
Устанавливают объект испытаний (КА) 10 в вакуумную камеру 1 на опорно-поворотное устройство 9, проводят юстировку источников солнечного излучения 7 и 8 (например, ИС-500 ВК600/300) для получения оптимальной мощности и равномерности плотности теплового потока (например, неоднородность уровней плотностей падающего потока излучения <10% (Асланян P.O. и др. Имитаторы солнечного излучения для термовакуумных испытаний космического аппарата, Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18, №2, стр. 326), непараллельность лучей до 4 угловых градусов и удельная тепловая мощность падающего теплового потока 1340-1440 Вт/м (Асланян P.O. и др. Имитаторы солнечного излучения для термовакуумных испытаний космического аппарата, Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18, №2, стр. 324) на поверхностях объекта испытаний (КА) 10. Закрывают загрузочную крышку 4 и вакуумируют вакуумную камеру 1 с помощью системы вакуумирования 5 (например, механическими насосами Edwards GXS750/4200, турбомолекулярными насосами Shimadzu TMP-3304LMC, криогенными насосами HSR AG VELCO630A) и системы управления работой вакуумной камеры и источниками солнечного излучения 11 до давления, исключающего конвективный теплообмен в вакуумной камере 1 (например, до давления 10" Па). Одновременно с вакуумированием вакуумной камеры 1 захолаживают криогенный экран 6 (например, жидким азотом из хранилища жидкого азота на базе резервуаров ЦТК-8/0,25М3) до температуры, имитирующей «холод» космического пространства (например, до температуры минус 186±3°С), с помощью системы управления работой вакуумной камеры и источниками солнечного излучения 11. Подвергают объект испытаний (КА) 10 воздействию тепловых потоков солнечного излучения от источников солнечного излучения 7 и 8 попеременно (или одновременно) и вращают объект испытаний (КА) 10 относительно вертикальной оси, совпадающей с направлением силы тяжести, на опорно-поворотном устройстве 9 с помощью системы управления работой вакуумной камеры и источниками солнечного излучения 11 в потоке солнечного спектра, имитируя условия ориентации КА, с учетом штатной работы КА с помощью системы управления работой КА 12. По окончании испытаний отогревают криогенный экран 6 до нормальной температуры (например, 15-20°С) с помощью подачи в него теплого воздуха и разгерметизируют вакуумную камеру 1.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить достоверность испытаний за счет приближения к натурным условиям облучения КА в условиях открытого космического пространства и сократить трудозатраты, связанные с дополнительным расходом жидкого азота, используемого при захолаживании криогенного экрана, и сжатого воздуха, используемого для продувки и отогрева криогенного экрана, при каждом открытии вакуумной камеры, электроэнергии, расходуемой на питание систем стенда.
Предлагаемый стенд может иметь широкое практическое применение для получения экспериментальных данных при решении проблем, связанных с обеспечением теплового режима аппаратов, работающих в открытом космическом пространстве, особенно для крупногабаритных КА в сборе, имеющих сложную конфигурацию, и оснащенных системой обеспечения теплового режима, построенной на тепловых трубах, которые работают только строго в горизонтальном положении в условиях действия гравитационного поля.