СИСТЕМА ОТВОДА ТЕПЛОТЫ ПРИ ИСПЫТАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
HEAT REMOVAL SYSTEM FOR TESTING ELECTRIC ROCKET ENGINES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к стендовым испытаниям электрических ракетных двигателей.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Под электрическим ракетным двигателем (ЭРД) в уровне техники понимается ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию ускоренных частиц.  В данном случае под частицей понимается атом или ион, из которых состоит струя ЭРД.
ЭРД классифицируют по преобладающему механизму ускорения частиц.
Различают следующие типы двигателей: электротермические, электростатические двигатели, сильноточные (магнитоплазменные, магнитодинамические) двигатели, импульсные двигатели и др.
При стендовых испытаниях ЭРД возникает проблема отвода теплоты от испытательной камеры, поскольку тепловые потоки ускоренных частиц, истекающих при работе двигателя, воздействуют разрушающе на испытательную камеру, установленные в ней измерительные приборы и ЭРД. Под теплотой в уровне техники понимают энергию, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой.
В предшествующем уровне техники отвод теплоты реализовывался путем подачи охлаждающих средств (воды, воздуха и т.д.) непосредственно в камеру, либо путем установки в камеру специальных средств, например, теплообменников.
В соответствии с патентом RU2209751, представлено устройство для испытаний космического аппарата с системой отвода теплоты, включающей промежуточный теплообменник, перед которым установлен перепускной клапан. Вход этого клапана сообщен с жидкостным трактом полезной нагрузки, первый выход - с жидкостным трактом системы после выхода теплообменника, а второй выход - с входом теплообменника. Наземная полость теплообменника сообщена через гидроразъемы с наземной системой обеспечения теплового режима при испытаниях. Данная наземная система обеспечивает указанный отвод избыточной теплоты и размещена вне термобарокамеры, в которую помещен космический аппарат. Изобретение направлено на упрощение процесса и устройства для проведения испытаний спутников, а также на снижение материальных затрат и времени при испытаниях.
В патенте на полезную модель CN209142420 раскрывается система отвода теплоты, установленная в испытательной камере и включающая радиатор с цилиндрическим корпусом, впускную коллекторную трубу для жидкости, выпускную коллекторную труб для выпуска жидкости, расположенную параллельно впускной коллекторной трубе, множество патрубков по боковой стенке корпуса цилиндра радиатора, размещенных в осевом направлении корпуса цилиндра радиатора, где нижние концы патрубков сообщаются с трубой впуска жидкости, а верхние концы патрубка трубы сообщаются с   выпускной трубой и ребра, расположенные между патрубками и изогнутые для образования канавок. Такой радиатор обладает высокой поглощающей способностью и более идеальным эффектом рассеивания тепла для испытательного оборудования, позволяющего моделировать космическую среду.
К недостаткам данного технического решения можно отнести сложность конструкции системы отвода тепла, а также необходимость изначального проектирования испытательной камеры с двойным кожухом и системой циркуляции охлаждающей жидкости между внутренним и внешним кожухом. Данный подход значительно увеличивает стоимость испытательной камеры, её объемы, материалы камеры должны быть защищены от возможной коррозии вызванной охлаждающей жидкостью, должно быть проведено обеспечение герметичности между кожухами.
Наиболее близкое техническое решение раскрыто в патенте RU2614454 на реверберационную камеру для проведения стендовых испытаний ракетных двигателей космических аппаратов, в том числе, стационарных плазменных. Система отвода теплоты включает установленный в реверберационной камере охлаждаемый экран в форме круга, подключенный к циркуляционной системе охлаждения замкнутого типа. Функцией данного экрана является преобразование кинетической энергии направленного потока заряженных частиц в тепловую энергию и ее отвод.
К сожалению, в описании к патенту не сообщается о том, из какого материала выполнен охлаждаемый экран, а также, что он из себя представляет конструктивно, поэтому трудно судить об эффективности отвода тепла из испытательной камеры.
Все вышеперечисленные недостатки известных технических решений представляют определенные технические проблемы для проведения испытаний ЭРД.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является увеличение времени испытаний ЭРД и повышение срока эксплуатации камеры за счет улучшения эффективности отвода теплоты в процессе испытаний ЭРД.
Поставленная задача решается системой отвода теплоты при испытаниях электрических ракетных двигателей в вакуумных камерах, имитирующих космическую среду, включающей  теплоотводящий охлаждаемый экран из теплопроводящего металла или сплава,  установленный в вакуумной камере, и чиллер, установленный вне вакуумной камеры и связанный с теплоотводящим экраном посредством трубопроводов подачи охлажденного теплоносителя и отвода отепленного теплоносителя, при этом теплоотводящий экран обладает размером диаметра, обеспечивающим возможность полного перекрытия диаметра пучка ускоренных частиц, испускаемых двигателем, в месте установки упомянутого экрана, где упомянутый теплоотводящий экран  выполнен в форме массивного диска с прикрепленной к нему свернутой в спираль, по меньшей мере, одной трубкой с размещенным внутри трубки теплоносителем.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается системой, в которой теплоотводящий экран выполнен из меди или сплава на основе меди.
В других частных реализациях изобретения системы электрическим ракетным двигателем является магнитоплазменный двигатель.
В этом случае ускоренными частицами являются частицы плазмы.
Теплоотводящий экран может быть установлен в вакуумной камере с боковыми фланцами, причем теплоотводящий экран может быть закреплен в упомянутых боковых фланцах.
Система может быть снабжена гидромодулем, подключенным к чиллеру и включающим насосную группу, расширительный бак, регуляторы перепада давления и коллекторы отепленного теплоносителя и охлажденного теплоносителя.
В этом случае трубопроводы подачи охлажденного теплоносителя и отвода отепленного теплоносителя одним концом соединены, соответственно, с коллекторами отепленного теплоносителя и охлажденного теплоносителя, а другим концом присоединены к противоположным концам свернутой в спираль трубки.
В частных воплощениях системы теплоносителем является силиконовое масло или этиленгликоль.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведена схема заявленной системы отвода теплоты при испытаниях электрических ракетных двигателей в вакуумных камерах.
На фиг. 2 приведена схема, иллюстрирующая размещение теплоотводящего экрана в камере.
Позиции на чертежах означают следующее
1. Теплоотводящий экран
2. Испытательная вакуумная камера
3. Чиллер
4. Трубопровод подачи охлажденного теплоносителя
5. Трубопровод отвода отепленного теплоносителя
6. Трубка, свернутая в спираль
7. Массивный диск
8. Электрический ракетный двигатель
9. Гидромодуль
10. Расширительный бак
11. Насосная группа
12. Аккумулирующий бак
13. Коллектор охлажденного теплоносителя
14.Коллектор отепленного теплоносителя
15. Боковые фланцы.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как следует из фиг. 1, заявленная система отвода тепла при испытаниях электрических ракетных двигателей включает теплоотводящий экран (1), установленный в камере (2), чиллер (3), под которым понимается аппарат для охлаждения жидкости, использующий парокомпрессионный или абсорбционный холодильный цикл и соединяющие чиллер и экран трубопроводы подачи охлажденного (4) и отвода отепленного (5) теплоносителя.
Теплоотводящий экран (1) представляет собой свернутую в спираль трубку (трубки) (6), закрепленные на массивном диске (7). И трубки, и диск выполнены из металла или сплава с хорошими теплопроводящими свойствами и максимально прижаты друг к другу для обеспечения максимальной площади контакта.
В идеале экран (1) может быть выполнен из меди или сплавов на основе меди, например, латуни Л96 (содержание цинка от 2,8 до 5 масс%, остальное - медь и примеси). Внутри трубки (6) размещен теплоноситель.
Существенным является то, что экран (1) обладает размером диаметра, обеспечивающим возможность полного перекрытия диаметра пучка ускоренных частиц, испускаемых двигателем (8) в месте установки упомянутого экрана.  Это означает, что экран относительно небольшого диаметра для полного перекрытия пучка ускоренных частиц можно размещать ближе к двигателю, где величина диаметра пучка меньше, а экран большего диаметра – дальше от двигателя в зависимости от вида проводимых испытаний. Таким образом реализуется равномерное распределение теплоты по поверхности теплоотводящего экрана, минимизируется доступ тепла к стенкам испытательной камеры и размещенным в ней приборам, а также обеспечивается эффективный отвод тепла.
Экран (1) может быть размещен по отношению к двигателю (8) в испытательной камере (2) как массивным диском (7), так и трубкой (6).
В частных воплощениях изобретения целесообразно установить экран (1) по отношению к двигателю (8) массивным диском (7) (см. фиг. 1), что обеспечивает более эффективную защиту трубки  (6) с теплоносителем, а также внутреннего пространства камеры (2)  -  основная теплота от пучка ускоренных частиц поступает на массивный диск, а циркулирующий в трубке (6) теплоноситель эффективно отводит от диска (7) тепловую энергию.
В состав чиллера (3) входит холодильная машина со всеми основными элементами: компрессор, конденсатор, дросселирующее устройство и испаритель (не показаны). В зависимости от холодопроизводительности и типа, чиллер может комплектоваться различными дополнительными вспомогательными элементами.
Заявленная система может включать гидромодуль (9), подключенный к чиллеру (3), обеспечивающий циркуляцию холодного/нагретого теплоносителя и содержит такие элементы, как  расширительный бак (10), насосная группа (11), аккумулирующий бак (12) (в случае недостаточного объема теплоносителя в гидравлическом контуре), а также коллекторы охлажденного теплоносителя (13) и отепленного теплоносителя (14).
В качестве теплоносителя, циркулирующего в системе, могут быть использованы различные теплоносители, включая воду. Чиллер (3) установлен вне вакуумной испытательной камеры (2). Если чиллер (3), например, установлен в неотапливаемом помещении или на улице, то в качестве теплоносителя целесообразно использовать силиконовое масло (теплоемкость более 1,5 кДж/кг⋅К) или этиленгликоль (теплоемкость около 5 кДж/кг⋅К). Последний вследствие высокой теплоемкости также наиболее эффективно отводит тепло.
Циркулирование теплоносителя осуществляется следующим образом. Теплоноситель, поступающий из чиллера (3) через коллектор охлажденного теплоносителя (13) подводится к гибкому   трубопроводу подачи охлажденного теплоносителя (4) и через него поступает в трубку/трубки (6), далее осуществляется отбор тепла с теплоотводящего экрана (1) путем нагрева теплоносителя в трубке (6) при испускании двигателем струи плазмы. Затем нагретый теплоноситель через трубопровод отвода отепленного теплоносителя (5), один конец которого подсоединен к трубке (6), а другой – к коллектору отепленного теплоносителя (14) возвращается в чиллер (3) и процесс повторяется.
Если испытания электрического ракетного двигателя (8) проходят в вакуумной камере (2) с боковыми фланцами (15) (см. фиг.2), то теплоотводящий экран может быть закреплен в этих фланцах, что очень удобно для профилактического осмотра и текущего ремонта системы отвода теплоты.  Концы трубок (6) могут быть выведены наружу также через боковые фланцы (15) (фиг. 2) и соединены, соответственно, с трубопроводами (4, 5) вне испытательной камеры. Возможен, также, вариант, когда концы трубок (6) остаются в камере (2), а через боковые фланцы (15) в камеру входят трубопроводы подачи и отвода теплоносителя (4, 5).
При отводе тепловой энергии (теплоты), выделяемой в ходе работы двигателя, устраняется фактор возможности разрушения испытательной камеры и ее герметичных соединений с прорезиненными герметичными вкладками за счет общего теплового нагрева испытательной камеры.
Пример осуществления изобретения.
В вакуумной камере (2) устанавливали магнитоплазменный ракетный двигатель (8). В процессе формирования системы отвода поступающей теплоты от работающего двигателя монтировали теплоотводящий экран (1), состоящий из массивного диска (7) и трубки (6), свернутой в спираль и припаянной к диску. Размер диаметра экрана (1) в зависимости от места установки экрана в камере позволял полностью перекрыть падающий пучок, тем самым, поглощая теплоту, выделяемую испытываемым магнитоплазменным ракетным двигателем.
Теплоотводящий экран (1) был выполнен из меди и установлен в камере (2) так, что массивный диск (7) размещался со стороны двигателя (8).
Вход и выход медных трубок (6) через трубопроводы (4, 5) и коллекторы (13, 14) подсоединяли к мощному чиллеру (3) холодопроизводительностью в 33 кВт.
Внешний блок чиллера (3) с охлаждением теплоносителя был вынесен наружу помещения для создания комфортных температурных условий внутри лаборатории, а управляющий блок чиллера был размещен внутри лаборатории.
В процессе проведения испытаний пучок плазмы (мощностью 25 кВт), испускаемой магнитоплазменным ракетным двигателем (8) падает на теплоотводящий экран (1), который установлен так, что полностью перекрывает падающий пучок и тем самым поглощает выделяемую теплоту.
В качестве теплоносителя был использован этиленгликоль с теплоемкостью 3.90 кДж/(кг*К).
Проведенные испытания электрического ракетного двигателя показали, что время проведения ресурсных испытаний двигателя было увеличено до 100 часов непрерывной работы двигателя.