УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

Полезная модель относится к средствам испытательной техники и является частью стенда термовакуумных испытаний (далее СТВИ) и комплексной настройки аппаратуры космических аппаратов (далее КА) в наземных условиях имитации космического пространства, а также может найти применение в других областях техники, с повышенными требованиями к изделиям, изготовленным из различных материалов или имеющих различные покрытия, свойства которых зависят от значений характеристик теплового излучения и отражения.
При проведении электрических и тепловых испытаний создаваемых крупногабаритных космических аппаратов и их модулей возникает необходимость моделирования имитации тепловых потоков (далее ИТП) на наружные поверхности КА: прямые и отраженные солнечные тепловые потоки от планеты; собственное излучение планеты; излучение и переотражение от крупногабаритных элементов КА, отсутствующих в составе экспериментальной сборки (Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2017, т. 16, №3, с. 28).
Из уровня техники известны устройства ИТП, представляющие собой определенное количественное множество одинаковых индивидуальных источников падающих тепловых потоков, суммарно воздействующих на внешнюю поверхность КА с заданной плотностью. Известна конструкция устройства, имитирующего воздействие внешних тепловых потоков на КА для наземной отработки его теплового режима, используемая в вакуумной камере ВК 600/300 (Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2017, т.16, №3, с. 28-32, рис. 1, 2, 3). Устройство ИТП ВК 600/300 состоит из модулей, размещенных на цилиндрическом стальном каркасе. Каркас имеет кронштейны и платы для прокладки, фиксации и присоединения модулей, а также держатели модулей с механизмами юстировки. Модули по высоте размещаются в 8 ярусах. В каждом ярусе находится по 24 равномерно расположенных по окружности модуля. Модули содержат излучатели в виде токопроводящих стеклографитовых лент шириной 20 мм. Излучатели размещаются в отражателях, изготовленных из алюминиевого сплава АМЦ в виде профиля ПС 835-928.
Недостатком данного технического решения известного устройства является излишняя сложность конструкции, обусловленная необходимостью поддержания при помощи специального пружинного механизма натяжки ленты излучателя, которая постоянно удлиняется в процессе нагрева, а также использование массивного профиля в качестве отражателя, что в совокупности приводит к существенному увеличению веса известного устройства в целом. Сложность конструкции также увеличивает риск поломок и, как следствие, возникновение затрат на возможный ремонт.
Известно также устройство ИТП, используемое в термобарокамере ТБК-110, предназначенной для проведения термовакуумных испытаний элементов КА системы «ГЛОНАСС» (электронный ресурс http://npopm-mkb.ru/files/МБК Буклет-презентация 2013, с. 11.pdf).
ИТП ТБК-110 состоит из сварного каркаса, изготовленного из профильной прямоугольной стальной трубы, на котором размещены 20 излучателей. Излучатели выполнены в виде цилиндрического плафона с опорами крепления к каркасу. Каждый излучатель состоит из двух полуцилиндров, один из которых является отражателем, а второй выступает в роли излучателя. Материал отражателя - листовой алюминий марки АМг6.БМ1 ГОСТ 21631-76, поверхности которого обработаны со всех сторон способом электрохимического полирования по ОСТ 92-1176-77. Материал излучателя листовой алюминий марки АМг6.БМ1 ГОСТ 21631-76, поверхности которого анодированы со всех сторон. Внутри цилиндрического плафона размещается кварцевая лампа КГТ220-1000-1 ОСТ 16 0.535.024, которая разогреваясь, преобразует электрическую энергию в тепловую, которая передается на излучатель. Подключение лампы к питающему напряжению выполняется при помощи вилки 2РМД42БПН45Ш5В1 ГЕО.364.126 ТУ.
Недостатками известного решения является излишняя сложность конструкции, что приводит к увеличению ее веса. Подключение кварцевой лампы осуществляется при помощи специального разъема,- вилки 2РМД42БПН45Ш5В1 ГЕО.364.126 ТУ, тогда как в предложенной полезной модели питание подается при помощи обычного кольцевого наконечника (клеммы типа "О"). Преобразование энергии электрической в энергию инфракрасного излучения идет в два этапа: сначала нагревается лампа КГТ220-1000-1, потом она, за счет излучения собственного и излучения, переотраженного от отражателя, нагревает излучатель, и только потом, уже «вторичным» тепловым потоком излучатель обогревает испытываемый объект, что ведет к увеличению потери энергии и усложняет конструкцию, тогда как в предлагаемой полезной модели нагретая спираль напрямую отдает тепло КА в виде инфракрасного излучения. Кроме того кварцевые лампы работают в спектре 2500К и, как следствие, нерационально расходуют часть подаваемой энергии на видимый свет, увеличивая таким образом общую потребляемую мощность ИТП. Также, кварцевые лампы не ремонтопригодны, что удорожает обслуживание эксплуатации известного устройства.
Устройство ИТП термобарокамеры ТБК-110 принято за прототип заявленной полезной модели, так как является наиболее близким по технической сущности и содержит наибольшее количество одинаковых с ним существенных признаков.
В основу заявленной полезной модели положена задача создания конструкции ИТП, с осуществлением возможности перемещения источников тепловых потоков, открывая тем самым доступ в рабочее пространство камеры СТВИ. Причем успешная реализация поставленной задачи возможна только при максимальном снижении веса всей конструкции в целом. Так же необходимо обеспечить наличие теплового потока плотностью 500 Вт/м кв. в условиях вакуума (инфракрасный диапазон с длиной волны 5…50 мкм), обеспечивая неравномерность теплового потока по площади облучаемой поверхности, равной 10 м кв. не более 15%. При этом необходимо обеспечить еще и низкую энергоемкость заявленного устройства за счет минимума общей потребляемой мощности, не более 10 кВт.
Технический результат от использования заявленной полезной модели заключается в снижении веса конструкции, а также обеспечении заданных параметров теплового потока при снижении общей энергоемкости.
Поставленная задача может быть реализована, а ее технический результат может быть достигнут посредством конкретного технического решения полезной модели, характеризующегося тем, что заявленное устройство:
- содержит множество одинаковых индивидуальных источников тепла в виде излучателей тепла с отражателями, расположенными в рабочем пространстве вакуумной камеры ярусно и радиально в каждом ярусе (что традиционно используется в конструкциях подобного типа и надежно зарекомендовано на практике);
- излучатели с отражателями равномерно размещены на двух зеркально расположенных подвижных панелях радиальной конфигурации с идентичной геометрией обеих, установленных вертикально внутри вакуумной камеры по радиусу постоянной величины и образующих совместно сомкнутыми в рабочем положении полусферический суммарный источник внешнего теплового потока (что обеспечит заданные технические параметры теплового потока);
для доступа к рабочей области стенда термовакуумных испытаний и комплексной настройки аппаратуры космических аппаратов подвижные панели смонтированы с возможностью радиального перемещения в пространстве вакуумной камеры посредством опор качения по верхней и нижней радиальным направляющим, жестко прикрепленным к корпусу вакуумной камеры при помощи кронштейнов (что обеспечит требуемый режим доступа к рабочей области СТВИ посредством перемещения панелей на заданный угол);
- для равномерного распределения теплового потока по наружной поверхности космического аппарата, каждый излучатель теплового потока выполнен в виде кварцевой трубки с размещенным внутри нагревателем из проволочной спирали, концы которой сочленены с электродами подачи напряжения на излучатель, вмонтированными в кварцевую трубку с обеих сторон и прикрепленными с помощью кронштейнов к отражателю коробчатой формы, перекрывающим кварцевый излучатель на всю его длину и представляющим собой равнобедренную трапецию в поперечном сечении (что упрощает и облегчает заявленную конструкцию в сравнении с прототипом);
- проволочная спираль излучателя теплового потока выполнена из хромоникелевого сплава марки 0,80-Х20Н80Н ГОСТ 12766.1-90, заменяемой при ее перегорании (которая при общей мощности ИТП равной 9,4 кВт обеспечивает температуру нагрева до 350 град. С и не создает видимого свечения, (что свидетельствует о том, что максимальное количество тепловой энергии трансформируется в энергию инфракрасного потока);
- отражатель излучателя теплового потока выполнен из листового алюминия марки АМг6.Б.М1 ГОСТ 21631-76, поверхности которого обработаны способом электрохимического полирования по ОСТ 92-1176-77 (что обеспечит равномерность излучения и распределения теплового потока);
- кронштейны крепления отражателя выполнены из теплостойкого и диэлектрического материала, преимущественно микалекса (что обеспечит требуемые параметры теплового потока в условиях работы отражателя в режиме высоких температур);
Заявленное техническое решение имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: более простую конструкцию (минимум необходимых конструктивных решений, обеспечивающих требуемую работоспособность); обеспечение ремонтопригодности (кварцевая лампа КГТ220-1000-1 не ремонтопригодна); меньшую потребляющую мощность и больший рабочий ресурс за счет отсутствия переотраженного теплового потока и меньшей, но достаточной, рабочей температуры излучателя;
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленной полезной модели в сравнении с ее аналогами свидетельствует, что из известного уровня техники на дату подачи заявки не известно и не следует явным образом устройство того же назначения, что и заявленная полезная модель, в котором бы применялась вся совокупность приведенных в независимом пункте формулы и раскрытых в описании существенных признаков.
При этом предложенная совокупность существенных признаков обеспечивает возникновение у заявленной полезной модели новых свойств, позволяющих реализовать поставленную задачу, что означает ее соответствие критерию «новизна».
В целом конструкция заявленной полезной модели технологична в изготовлении, поэтому ее производство не представляет технических трудностей, что свидетельствует о соответствии полезной модели также и критерию «промышленная применимость».
Заявленная полезная модель проиллюстрирована рисунками, где изображено:
- на рис. 1 - схематичное изображение общего вида заявленного устройства;
- на рис. 2 - схематичное изображение вида сверху заявленного устройства;
- на рис. 3 - вид на излучатель теплового потока в сборе с отражателем;
- на рис. 4 - поперечное сечение излучателя в сборе с отражателем;
- на рис. 5 - вид на конструкцию излучателя и его крепление к кронштейну отражателя;
Заявленное устройство имитации тепловых потоков (рис. 1) содержит множество одинаковых индивидуальных источников тепла в виде излучателей тепла 1 с отражателями 8 (рис. 4), расположенными в рабочем пространстве вакуумной камеры ярусно и радиально в каждом ярусе.
Излучатели 1 с отражателями 8 при помощи резьбового соединения равномерно размещены на двух зеркально расположенных подвижных панелях 2 (рис. 1, 2) радиальной конфигурации с идентичной геометрией обеих. Панели 2 установлены вертикально внутри вакуумной камеры по радиусу постоянной величины, и будучи совместно сомкнутыми в рабочем положении образуют полусферический суммарный источник внешнего теплового потока, который облучает поверхность, равную 10 м кв.
Для доступа к рабочей области стенда термоваккумных испытаний и комплексной настройки аппаратуры космических аппаратов подвижные панели смонтированы с возможностью радиального перемещения в пространстве вакуумной камеры посредством опор качения (на рисунках условно не показано) по верхней 3 и нижней 5 радиальным направляющим, жестко прикрепленным к корпусу вакуумной камеры при помощи кронштейнов 4 и 6. Верхняя радиальная направляющая 3 выполнена в виде рельса из профильной прямоугольной трубы. В качестве нижней направляющей 5 также применена профильная прямоугольная труба.
Для равномерного распределения теплового потока по наружной поверхности космического аппарата, каждый излучатель 1 теплового потока выполнен в виде кварцевой трубки 11 диаметром 14 мм, толщиной стенки 1 мм ТУ 21-54598235-560-2001 (рис. 3, 4, 5) с размещенным внутри нагревателем из проволочной спирали 7, концы которой сочленены, например, запрессованы, с электродами стержневого типа 10 подачи напряжения на излучатель 1, вмонтированными в кварцевую трубку 11 с обеих сторон и прикрепленными с помощью кронштейнов 9 к отражателю 8 коробчатой формы, перекрывающим кварцевый излучатель 1 на всю его длину и представляющим собой равнобедренную трапецию в поперечном сечении.
Проволочная спираль 7 излучателя 1 теплового потока выполнена из хромоникелевого сплава марки 0,80-Х20Н80Н ГОСТ 12766.1-90. За счет высокого электрического сопротивления хромоникелевой проволоки при подаче напряжения спираль разогревается и начинает излучать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне спектра. Спираль 7 легко заменяема при ее перегорании.
Отражатель излучателя теплового потока выполнен из листового алюминия марки АМг6.Б.М1 ГОСТ 21631-76, поверхности которого обработаны способом электрохимического полирования по ОСТ 92-1176-77. Трапецеидальная коробчатая форма отражателя 8 рассчитана на получение равномерного распределения теплового потока по поверхности КА.
Кронштейны 9 крепления отражателя 8 выполнены из теплостойкого и диэлектрического материала, преимущественно микалекса, ТУ 21-25-48-83.
Принцип работы заявленного устройства имитации тепловых потоков состоит в следующем: при включении питающего напряжения происходит преобразование электрической энергии в энергию теплового излучения за счет наличия большого электрического сопротивления спирали 7. Проволока, из которой выполнена спираль 7, разогревается и начинает испускать волны в инфракрасном спектре диапазона. Испускаемые спиралью тепловые потоки, попадая на отражатель 8, направляются на поверхность КА и облучают его равномерным потоком с требуемой интенсивностью. В рабочем состоянии раздвижные панели 2 находятся в сомкнутом положении и образуют совместно единый источник ИК излучения, состоящий из 42 излучателей. После проведения испытаний, питающее напряжение отключается, и раздвижные панели 2 перемещают в стороны друг от друга, тем самым освобождая доступ рабочему персоналу к объекту испытаний.
Использование заявленной конструкции полезной модели позволит обеспечить создание стабильного теплового потока с заданными значениями его параметров и успешно провести тепловые испытания космических аппаратов в условиях наземной имитации космического пространства.