УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КРИОГЕННОЙ ЕМКОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
DEVICE TO PROVIDE CRYOGENIC CONTAINER THERMAL CONDITIONS IN OPERATION OF SPACE OBJECTS

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к вопросам обеспечения режима эксплуатации криогенных емкостей.
Экранно-вакуумная теплоизоляция - наиболее распространенный вид теплоизоляции емкостей с криогенным компонентом, предназначенных для длительного пребывания в космических условиях. Эта теплоизоляция применяется для теплозащиты емкостей как в атмосферных условиях, так и в условиях космического пространства. Экранно-вакуумная теплоизоляция состоит из металлизированных пленок (экранов) с малотеплопроводными прокладками.
-4
Одним из главных условий эффективной работы экранно-вакуумной теплоизоляции, применяемой для теплозащиты криогенных емкостей, предназначенных для длительного пребывания в космических условиях, является создание и поддержание давления остаточных газов между ее экранами не более 1·10 мм рт.ст. При этом давлении основными составляющими теплового потока через экранно-вакуумную теплоизоляцию являются излучение и перенос тепла теплопроводностью по твердому телу. Повышение давления сверх названного приводит к увеличению эффективного коэффициента теплопроводности изоляции за счет теплопроводности остаточного газа, величина которой может значительно превышать теплопроводность по твердому телу и передачу тепла излучением.
Известно устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости, представляющее собой вакуумно-многослойную теплоизоляцию (экранно-вакуумную теплоизоляцию), нанесенную на наружную поверхность криогенной емкости, поверх которой установлен жесткий герметичный кожух (гермооболочка) с предохранительным устройством (мембрана или предохранительный клапан) предохраняющее кожух от разрушения от внутреннего давления. Для снижения эффективного коэффициента теплопроводности и, соответственно, потерь криогенного компонента из полости между емкостью и кожухом откачивается воздух. (См. М.Г.Каганер «Тепловая изоляция в технике низких температур». Издательство «Машиностроение». Москва 1966 г., стр.237-262). Это устройство принято за прототип.
Недостатками прототипа является:
- применение жесткого металлического герметичного кожуха в составе криогенной емкости космического объекта приводит к значительному увеличению его массы;
- даже незначительная негерметичность кожуха в процессе эксплуатации космического объекта приводит к проникновению в полость между криогенной емкостью и кожухом атмосферного воздуха, к увеличению эффективного коэффициента теплопроводности и, соответственно, к потерям криогенного компонента за счет его прогрева и испарения.
Задачей устройства является уменьшение потерь криогенного компонента на его испарение при длительной эксплуатации космических объектов и снижение массы космического объекта.
Задача решается за счет того, что в устройстве обеспечения теплового режима криогенной емкости при эксплуатации космического объекта, содержащем экранно-вакуумную теплоизоляцию, гермооболочку поверх экранно-вакуумной теплоизоляции и предохранительные клапаны, сообщенные с полостью между гермооболочкой и криогенной емкостью и предотвращающие разрушение гермооболочки от внутреннего давления, гермооболочка выполнена из мягкого неметаллического материала, опертого на экранно-вакуумную теплоизоляцию с помощью равномерно распределенных по внутренней поверхности гермооболочки неметаллических бобышек, образуя полость между криогенной емкостью и гермооболочкой. Полость между криогенной емкостью и гермооболочкой сообщена с пироклапанами, вскрывающими полость между гермооболочкой и криогенной емкостью на начальном участке выведения объекта в космическое пространство, и с дренажными клапанами, которые открываются с падением атмосферного давления в процессе выведения объекта в космическое пространство и сообщают полость между гермооболочкой и криогенной емкостью с окружающей атмосферой, в результате чего происходит истечение газа из полости между гермооболочкой и криогенной емкостью до полного вакуумирования экранно-вакуумной теплоизоляции.
На фиг.1 и 2 схематично представлено устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости при эксплуатации космического объекта, где:
1. криогенная емкость;
2. экранно-вакуумная теплоизоляция;
3. гермооболочка;
4. неметаллические бобышки;
5. полость между гермооболочкой и криогенной емкостью;
6. предохранительные клапаны;
7. пироклапаны;
8. дренажные клапаны.
В устройстве обеспечения теплового режима криогенной емкости 1 при эксплуатации космического объекта, содержащем экранно-вакуумную теплоизоляцию 2 и гермооболочку 3 поверх экранно-вакуумной теплоизоляции 2 с предохранительными клапанами 6, сообщенными с полостью между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 и предотвращающими разрушение гермооболочки от внутреннего давления, гермооболочка 3 выполнена из мягкого неметаллического материала, опертого на экранно-вакуумную теплоизоляцию 2 с помощью равномерно распределенных по внутренней поверхности гермооболочки 3 неметаллических бобышек 4, образуя полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5, включая межслойные пространства экранно-вакуумной теплоизоляции 2. Полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 сообщена с пироклапанами 7, вскрывающими полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 на начальном участке выведения объекта в космическое пространство, и дренажными клапанами 8, которые открываются с падением атмосферного давления в процессе выведения объекта в космическое пространство и сообщают полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 с окружающей атмосферой, в результате чего происходит истечение газа из полости между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 до полного вакуумирования экранно-вакуумной теплоизоляции 2.
Гермооболочка 3 выполняется герметичной и полностью охватывает криогенную емкость 1. Между гермооболочкой 3 и криогенной емкостью размещается экранно-вакуумная теплоизоляция 2. Сборка гермооболочки 3 может выполняться и монтироваться на криогенной емкости 1, например, путем склеивания отдельно скроенных ее элементов. При наличии элементов конструкции (трубопроводы, кабели и др.), проходящих через гермооболочку 3 к криогенной емкости 1, в гермооболочку 3 могут быть вклеены, например, рукава, охватывающие эти элементы конструкции и герметизирующиеся на них, например, с помощью резиновых вкладышей и шнуров.
Полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 сообщена с предохранительными клапанами 6, автоматическое срабатывание которых происходит при превышении давления в полости между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 выше настроечного давления предохранительных клапанов 6. Наличие предохранительных клапанов 6 предотвращает разрушение гермооболочки 3 от внутреннего давления независимо от степени герметичности гермооболочки 3.
Количество предохранительных клапанов 6 и дренажных клапанов 8 выбирается исходя из объема экранно-вакуумной теплоизоляции 2 и из условия беспрепятственного выхода из нее газа.
Получение вакуума в экранно-вакуумной теплоизоляции 2 космического объекта за минимальное время выхода экранно-вакуумной теплоизоляции 2 на стационарный режим вакуумирования приводит к уменьшению потерь криогенного компонента на его испарение.
Устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости 1 при эксплуатации космического объекта работает следующим образом.
После старта ракеты срабатывают пироклапаны 7, вскрывается полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5, обеспечивая выход газа с падением атмосферного давления на начальном участке полета ракеты. Далее под действием снизившегося атмосферного давления срабатывают дренажные клапаны 8, которые в дополнении к пироклапанам 7 увеличивают площадь сообщения полости между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 с окружающей космический объект средой, при этом обеспечивается беспрепятственный выход газа из полости гермооболочки 3, тем самым вакуумируется экранно-вакуумная теплоизоляция 2 до степени вакуума окружающей среды, и она приобретает готовность к работе в космических условиях.
Предлагаемое устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости 1 при эксплуатации космического объекта за счет увеличение степени вакуумирования экранно-вакуумной теплоизоляции 2 за минимальное время путем сообщения ее с окружающей средой, начиная с момента выведения объекта в космическое пространство, обеспечивает сокращение времени выхода экранно-вакуумной теплоизоляции 2 на стационарный режим вакуумирования без ограничения площади теплоизолируемой поверхности, при этом используется возможность естественного достижения вакуума в экранно-вакуумной теплоизоляции 2 в процессе эксплуатации объекта в космическом пространстве и снижаются потери криогенного компонента криогенной емкости 1 на его испарение при длительной эксплуатации космических объектов, в результате чего значительно снижается масса космического объекта.
Кроме того, такое устройство за счет выполнения гермооболочки 3 из мягкого неметаллического материала позволяет уменьшить массу устройства, не требует высокой степени герметичности гермооболочки 3.