Средства распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях
MEANS OF DISTRIBUTION AND SUPPLY OF THERMOSTAT AIR TO THE SURFACE OF THE PANELIZED SPACE APPARATUS IN CASE OF GROUND TESTS

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к воздушному термостатированию панельных космических аппаратов (КА) при проведении наземной подготовки, сопряженной с работой тепловыделяющего оборудования. Изобретение может быть использовано при создании средств наземного термостатирования панельных КА в рамках организации рабочего места для наземных испытаний.
Известно устройство подачи термостатирующей среды в отсек ракеты-носителя [патент RU 2368548, опубл. 27.09.2009, Бюл. №27, МПК: B64G 1/50 (2006.01), B64G 1/48 (2006.01)], содержащее устройство (трубопровод) для подачи термостатирующей среды в отсек ракеты-носителя и устройство для формирования газодинамического потока (диффузор), являющийся сменным и связанный с оболочкой отсека с помощью разъемного соединения.
Недостаток известного устройства - подача воздуха на объект термостатирования осуществляется интегрально, то есть отсутствует возможность распределенной подачи термостатирующей среды (ТС) на различные зоны объекта. В соответствии с этим для обеспечения требуемых коэффициентов теплоотдачи в наиболее теплонагруженных зонах общий расход термостатирующей среды является изначально завышенным для менее теплонагруженных зон.
Задачей изобретения является создание средств распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность КА при проведении наземных испытаний (далее устройство), обеспечивающих регулируемый перпендикулярный позонный обдув поверхности КА.
Техническими результатами изобретения являются:
- снижение требуемого расхода ТС для осуществления термостатирования КА;
- снижение стоимости и унификации средств распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность КА при наземных испытаниях;
- возможность адаптации имеющейся конструкции панелей термостатирования под любой объект термостатирования за счет модульной конструкции предложенного устройства.
Технический результат достигается за счет того, что средства распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях, выполненные в виде модульной конструкции - панели термостатирования, включают устройство для подачи термостатирующего воздуха и устройство для формирования газодинамического потока, причем устройство для подачи термостатирующего воздуха выполнено в виде коллекторов с распределителями термостатирующего воздуха по поверхности панельного космического аппарата, при этом входы коллекторов герметично соединены воздуховодом с установкой воздушного термостатирования, а выходы - с входами упомянутых распределителей, имеющих параллельные между собой ответвления, в каждом из которых выполнено выходное отверстие, устройство для формирования газодинамического потока выполнено в виде сопел с расположенными в них съемными дросселями, причем сопла установлены в выходных отверстиях упомянутых распределителей перпендикулярно поверхности панельного космического аппарата, а коллекторы и распределители выполнены в виде гребенок и установлены перпендикулярно относительно друг друга, при этом часть выходов распределителей или выходов коллекторов может быть закрыта крышками.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Конструктивно предложенное устройство выполнено в виде модульной конструкции - панели термостатирования. В устройство входят коллекторы с распределителями, выполненные в виде гребенок. Гребенка распределителя обеспечивает размещение выходных отверстий для термостатирующей среды в виде матричной структуры. Каждое выходное отверстие снабжается соплом с установленным в нем дросселем, формирующим необходимые газодинамические характеристики струи. Подача воздуха производится перпендикулярно поверхности КА. Регулируемость обеспечивается возможностью установки в каждое выходное отверстие дросселя заданного диаметра проходного сечения, изменяющей гидравлическое сопротивление канала. Распределение выходных отверстий по площади термостатируемой поверхности КА позволяет раздельную подачу воздуха на более нагруженные и менее нагруженные зоны. В качестве основного конструкционного материала коллекторов и распределителей используется полипропилен, являющийся радиопрозрачным неэкранирующим материалом.
Адаптация конструкции панелей термостатирования достигается благодаря модульности предложенного устройства, которая обусловлена разъемностью основных конструктивных элементов (коллекторов и распределителей) и возможностью оперативного изменения конструкции под конкретные требования объекта термостатирования путем изменения количества распределителей или закрытия крышками неиспользуемых соединений с распределителями.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-5).
На фиг. 1 и 2 приведен пример компоновки средств распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях в виде панели термостатирования с размещенными на ней четырьмя коллекторами (в трехмерном и двумерном изображениях соответственно).
На фиг. 3 приведен единичный коллектор с возможностью установки четырех распределителей, распределители не показаны.
На фиг. 4 приведен единичный распределитель с возможностью установки трех сопел, сопла не показаны.
На фиг. 5 приведено единичное сопло.
На фиг. 6 представлена таблица, в которой приведены данные по средним температурам термостатируемой поверхности с учетом параметров подачи воздуха.
На фигурах 1-5 введены следующие обозначения:
1 - вход коллектора 2;
2 - коллектор;
3 - технологическая оснастка;
4 - распределитель;
5 - выход коллектора 2;
6 - сопло;
7 - термостатируемая поверхность;
8 - выходное отверстие распределителя 4;
9 - дроссель;
10 - ответвления распределителя 4.
Средства распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях выполнены в виде модульной конструкции - панелей термостатирования (фиг. 1, 2), представляющих собой закрепленные на технологической оснастке 3 тракты движения воздуха, образованные соединенными между собой коллекторами 2 и распределителями 4 термостатирующего воздуха по поверхности панельного космического аппарата (устройство для подачи термостатирующего воздуха). На каждой панели термостатирования расположено несколько коллекторов 2 (фиг. 2) с установленными на них распределителями 4 (фиг. 4). Входы 1 коллекторов 2 герметично соединены воздуховодом с установкой воздушного термостатирования (на фигурах не показаны), а выходы 5 - с входами распределителей 4, имеющих параллельные между собой ответвления 10, в каждом из которых выполнено выходное отверстие 8.
В состав средств распределения и подачи входит также устройство для формирования газодинамического потока, выполненное в виде сопел 6 с расположенными в них съемными дросселями 9 (фиг. 5), причем сопла установлены в выходных отверстиях 8 распределителей 4 перпендикулярно поверхности панельного космического аппарата, а коллекторы 2 и распределители 4 выполнены в виде гребенок и установлены перпендикулярно относительно друг друга.
Часть выходов распределителей 4, а также выходов коллекторов 2 может быть закрыта крышками (на фигурах не показаны).
Дроссели 9, увеличивая гидравлическое сопротивление сопел 6, перераспределяют расход через остальные сопла, относящиеся к одному коллектору 2.
Соединение конструктивных элементов между собой выполняется пайкой (для соединения элементов коллектора 2 и распределителя 4 между собой) или резьбовым соединением (для присоединения коллекторов 2, распределителей 4 и сопел 6 друг к другу).
Коллекторы 2 и распределители 4 изготавливаются из полипропиленовых труб и соединителей (тройников, муфт, уголков и т.д.) ТУ 2248-032-00284581-98, сопла 6 изготавливаются методом 3D печати.
Конкретное количество элементов (распределителей, подключаемых к одному коллектору, и сопел, относящихся к одному распределителю) определяется геометрией термостатируемой поверхности и технологической возможностью состыковки элементов, входящих в состав коллектора и распределителей.
Эксплуатация устройства осуществляется следующим образом.
1. Положение устройства в режиме хранения
В режиме хранения панель термостатирования находится в разобранном состоянии: коллекторы 2 с установленными на них распределителями 4 отсоединены от технологической оснастки 3, сопла 6 отсоединены, дроссели 9 сняты. Места установки сопел 6 на распределителях 4, входные соединения 1 коллекторов 2 закрыты пылевыми фильтрами из плотной ткани или полимерного материала.
2. Подготовка устройства к работе
При подготовке устройства к работе снимаются все пылевые фильтры, выходные отверстия 8 распределителей 4 снаряжаются соплами 6, не снаряженными дросселями 9. Коллекторы 2 устанавливаются на технологическую оснастку 3 и закрепляются штатным крепежом.
3. Настройка расходных характеристик
При помощи переносного устройства измерения скорости воздушного потока термоанемометрического типа (например, модели ТТМ-2-01 или ТТМ-2-02-1) определяются расходы из каждого из сопел 6. При избыточном расходе устанавливаются дроссели 9, начиная с сопел 6, ближайших к входному соединению 1 коллектора 2.
4. Процесс термостатирования
После достижения нужных расходных характеристик панель термостатирования устанавливается напротив изделия, к входам 1 коллекторов 2 подсоединяют воздуховоды от установки воздушного термостатирования. При подаче термостатирующего воздуха в каждый из коллекторов 2 панели термостатирования воздух распределяется по внутренней полости коллекторов 2 и распределителей 4 (через выходы коллектора 5), при этом распределяясь между ответвлениями распределителей 10, не закрытыми соплами 6, и подается на термостатируемую поверхность 7. Регулирование расхода воздуха, проходящего через каждое сопло 6, определяется его удаленностью от входа 1 коллектора 2 и сечением дросселей 9, установленных на все сопла 6, относящиеся к одному коллектору 2.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения поясняется расчетами коэффициентов теплоотдачи при перпендикулярном обдуве плоской поверхности, а также результатами натурных испытаний экспериментального образца (таблиц сравнений результатов расчета и эмпирических данных).
Для моделирования процесса обдува плоской пластины с перпендикулярным направлением струи воздуха использовалось эмпирическое уравнение Шлюндера-Гнилинского для теплоотдачи в формируемой пристенной струе.
Общий вид уравнения Шлюндера-Гнилинского для одиночного круглого сопла:
где
2000≤Re≤400000;
, где
Nu - критерий Нуссельта;
Pr - критерий Прандтля;
r - удаленность от эпицентра попадания струи термостатирующего воздуха, м;
D - диаметр выходного сечения сопла, м;
H - расстояние от выходного сечения сопла до термостатируемой поверхности, м;
Re - критерий Рейнольдса.
Результатом расчета по уравнению (1) стало распределение локальных значений коэффициента теплоотдачи а по мере удаления от эпицентра попадания струи воздуха. Недостатком уравнения является его ограниченный диапазон применимости. Наивысших значений коэффициент теплоотдачи достигает в точке эпицентра, прямо напротив выходного сечения подачи воздуха. Определение коэффициента теплоотдачи в эпицентре струи может приблизительно быть рассчитано по формуле для лобовой точке при обтекании сферы:
где  - критерий Нуссельта;
d - характерный размер, м;
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К);
Pr - критерий Прандтля (для воздуха равен 0,71);
Re - критерий Рейнольдса.
Для определения промежуточных значений коэффициента теплоотдачи между точкой эпицентра зоны термостатирования и зонами, в которых коэффициент был рассчитан по уравнению 2, необходимо проведение аппроксимации. При рассмотрении различных вариантов по скорости струи и расстоянию от выходного сечения до термостатируемой поверхности была выбрана линейная комбинация степенной и показательной функций вида:
2
где y - значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м⋅К);
х - расстояние от эпицентра до рассматриваемой точки, м;
А, В, С, D, E - константы аппроксимации, подбираемые для каждой конкретной струи.
В результате проведенных расчетов было получено распределение локальных значений коэффициента теплоотдачи а. Для определения средней температуры обдуваемой поверхности необходимо определение среднего по площади значения коэффициента теплоотдачи. Это значение определяется как:
ср
2
где α - средний по поверхности коэффициент теплоотдачи, Вт/(м⋅К);
i
2
α - коэффициент теплоотдачи на i-м шаге от эпицентра, Вт/(м⋅К);
i
2
F - площадь участка, находящегося на i-м шаге от эпицентра, м;
∑
2
F - полная площадь рассматриваемой поверхности, м.
Значение средней температуры рассматриваемой поверхности определяется как:
где Тср - средняя температура пластины, °С
В дополнение к расчету был проведен эксперимент по обдуву плоской нагреваемой пластины воздухом с использованием экспериментальной установки, представляющей собой единичный коллектор с установленными направляющими и соплами.
В качестве объекта обдува использовалась плоская трехслойная сотопанель с установленными на ней пленочными электронагревателями. Панель имела габариты 1000×720 мм, мощность электронагревателей при номинальном режиме питания (27 В) составила 243 Вт.
Было проведено два эксперимента:
- режим «рабочий обдув», характеризующийся сниженным напряжением питания электронагревателей (напряжение 21,5 В, мощность тепловыделения 154 Вт);
- режим «стрессовый обдув, соответствующий номинальному режиму питания электронагревателей (напряжение 27 В, мощность тепловыделения 243 Вт).
3
От источника воздуха на средства распределения и подачи подавался воздух с расходом 80 м/ч и температурой 18°С.
По приведенной выше расчетной методике была определена средняя температура поверхности с учетом параметров подачи воздуха, характерных для эксперимента. Сравнение полученных данных приведено в таблице (фиг. 6).
В результате сравнения наблюдается положительный запас по температуре в сторону экспериментальных данных, что позволяет сделать вывод о допустимости использования предлагаемых средств распределения и подачи воздуха в реальных условиях наземных испытаний.