Стенд для тепловакуумных испытаний элементов космических аппаратов
STAND FOR THERMAL VACUUM TESTING OF SPACECRAFT ELEMENTS

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к тепловакуумным испытаниям элементов космических аппаратов (КА) в условиях, приближенных к эксплуатации КА в открытом космическом пространстве, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к вопросам теоретических и экспериментальных исследований при отработке тепловых режимов.
Известен стенд для тепловакуумных испытаний элементов КА, содержащий вакуумную камеру, систему вакуумирования, сообщенную с вакуумной камерой, криогенный экран, расположенный по внутреннему контуру вакуумной камеры, имитатор внешних тепловых потоков, состоящий из секций, систему управления процессом проведения испытаний (Патент RU №2302983 С1, Бюл. №20, 20.07.2007 г., МПК B64G 7/00 (2006.01)).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стенд для тепловакуумных испытаний элементов КА, содержащий вакуумную камеру с установленным внутри нее КА, систему вакуумирования, подсоединенную к вакуумной камере, криогенный экран, имитатор внешних тепловых потоков, состоящий из секций, систему управления тепловакуумными испытаниями (Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982 г., стр. 23, рис. 3.1., стр. 45, рис. 3.18.).
Этот стенд принят за прототип.
-5
Недостатком аналога и прототипа является то, что в вакуумной камере практически невозможно получить сверхвысокий вакуум (<10 Па, Вакуумная техника, справочник. Под общей редакцией К.Е. Демихова, Ю.В. Панфилова. Москва, Машиностроение 2009 г., стр. 11) из-за большого газоотделения от крупногабаритных КА и очень большой площади стенок вакуумной камеры и уплотнительных элементов (в основном резиновых), входящих в состав вакуумной камеры, а также внешнего натекания из атмосферы через уплотнения в корпусе вакуумной камеры (например, через загрузочную крышку, фланцы, к которым стыкуются элементы откачной вакуумной системы, электрические разъемы).
-6
3
При экспериментальной отработке является важным подтверждение работоспособности элементов КА (например, приборов, различной аппаратуры) в условиях, максимально приближенных к натурным. В данном случае это подтверждение работоспособности элементов КА в условиях сверхвысокого вакуума (10 Па). Испытания различной аппаратуры в условиях сверхвысокого вакуума актуальны, например, при длительной работе космической станции на окололунной орбите или при полете КА к планетам Солнечной системы. Сверхвысокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, прошедшей предварительную дегазацию. В России существуют вакуумные камеры, в которых можно получить сверхвысокий вакуум, объемом до 1 л. Необходимо создать вакуумную камеру объемом до 1 м, что позволило бы проводить испытания аппаратуры с габаритами до 400×400×400 мм.
Задачей изобретения является обеспечение проведения тепловакуумных испытаний элементов КА в условиях сверхвысокого вакуума.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности испытаний и подтверждение работоспособности отдельных элементов КА при имитации натурных условий эксплуатации.
Технический результат достигается за счет того, что в стенд для тепловакуумных испытаний элементов КА, содержащий вакуумную камеру, систему вакуумирования, сообщенную с вакуумной камерой, криогенный экран, расположенный по внутреннему контуру вакуумной камеры, имитатор внешних тепловых потоков, состоящий из секций, систему управления процессом проведения испытаний, введены загрузочная крышка вакуумной камеры с размещенными между ее фланцем и фланцем корпуса вакуумной камеры внутренней и внешней уплотнительными прокладками, образующими между собой вакуумную полость, и оснащенная механизмом ее подъема и опускания с подвешенным к ней столом, на котором устанавливается элемент КА, подключенный к системе функционирования, система прогрева вакуумной камеры и исполнительных органов системы вакуумирования, выполненная в виде кабельных нагревателей с термопарами, теплоизолирующие чехлы для укрытия всех нагревательных узлов, пневматическая система для управления исполнительными органами системы вакуумирования и ее охлаждения, система подогрева и подачи сжатого воздуха в криогенный экран.
При этом внешняя уплотнительная прокладка вакуумной полости выполнена из фтористой резины круглого сечения, а внутренняя уплотнительная прокладка вакуумной полости выполнена из медной проволоки, механизм подъема и опускания загрузочной крышки выполнен в виде П-образного каркаса, на вертикальных стойках которого находятся роликовые направляющие для перемещения каретки с подвешенной к ней загрузочной крышкой, концы всех кабельных нагревателей с термопарами выведены на пластину с закрепленными на ней разъемами, теплоизолирующие чехлы для укрытия всех нагревательных узлов выполнены из кремнийорганических волокон.
На чертже (Фиг. 1) представлен общий вид стенда для тепловакуумных испытаний элементов КА, где:
1 - вакуумная камера;
2 - система вакуумирования с исполнительными органами;
3 - криогенный экран;
4 - имитатор внешних тепловых потоков;
5 - система управления процессом проведения испытаний;
6 - загрузочная крышка вакуумной камеры;
7 - стол;
8 - элемент КА;
9 - система функционирования элементом КА;
10 - вакуумная полость;
11 - внутренняя уплотнительная прокладка;
12 - внешняя уплотнительная прокладка;
13 - механизм подъема и опускания загрузочной крышки;
14 - П-образный каркас на вертикальных стойках;
15 - каретка с роликовыми направляющими;
16 - система прогрева вакуумной камеры и исполнительных органов системы вакуумирования;
17 - пластина с разъемами;
18 - теплоизолирующие чехлы;
19 - пневматическая система для управления исполнительными органами системы вакуумирования и ее охлаждения;
20 - система подогрева и подачи сжатого воздуха в криогенный экран;
21 - хранилище жидкого азота.
Стенд для тепловакуумных испытаний элементов КА включает вакуумную камеру 1, систему вакуумирования с исполнительными органами 2, сообщенную с вакуумной камерой 1, криогенный экран 3, расположенный по внутреннему контуру вакуумной камеры 1, имитатор внешних тепловых потоков 4, состоящий из секций, систему управления процессом проведения испытаний 5, загрузочную крышку 6 вакуумной камеры 1 с подвешенным к ней столом 7, на котором устанавливается элемент КА 8, подключенный к системе функционирования элементом КА 9. В загрузочной крышке 6 между ее фланцем и фланцем корпуса вакуумной камеры 1 размещены внутренняя 11 и внешняя 12 уплотнительные прокладки, образующие между собой вакуумную полость 10. Внутренняя уплотнительная прокладка 11 выполнена из медной проволоки, а внешняя уплотнительная прокладка 12 - из фтористой резины (например, «Viton» («Витон»), Вакуумная техника, справочник. Под общей редакцией К.Е. Демихова, Ю.В. Панфилова. Москва, Машиностроение 2009 г., стр. 93, табл. 4.16). Кроме того, в стенд введены механизм подъема и опускания загрузочной крышки 13, выполненный, например, в виде П-образного каркаса с вертикальными стойками 14, по которым движется каретка с роликовыми направляющими 15 с закрепленной на ней загрузочной крышкой 6, система прогрева вакуумной камеры и исполнительных органов системы вакуумирования 16, выполненная в виде кабельных нагревателей с термопарами, концы которых выведены на пластину с закрепленными на ней разъемами 17, теплоизолирующие чехлы 18 для укрытия всех нагревательных узлов вакуумной камеры 1 и системы вакуумирования с исполнительными органами 2, выполненные из кремнийорганических волокон (например, многофункциональный изоляционный материал «Supersil» («Суперсил»), URL: http://www.etnotrade.ru/ognezashhita/supersil/), пневматическая система для управления исполнительными органами системы вакуумирования и ее охлаждения 19, система подогрева и подачи сжатого воздуха в криогенный экран 20, хранилище жидкого азота 21, обеспечивающее имитацию «холодного» космического пространства.
Процесс тепловакуумных испытаний элементов КА осуществляется следующим образом.
-3
-5
Устанавливают на стол 7, подвешенный к загрузочной крышке 6, элемент КА 8 и соединяют его с системой функционирования этого элемента 9 в условиях, приближенных к условиям эксплуатации, закрывают загрузочную крышку 6 вакуумной камеры 1 с помощью механизма подъема и опускания загрузочной крышки 13, вакуумируют вакуумную камеру 1 и вакуумную полость 10 загрузочной крышки 6 с помощью системы вакуумирования 2 (например, механическим насосом EDWARDS GXS160/1750, турбомолекулярным насосом SHIMADZU ТМР-1103МР) и системы управления процессом проведения испытаний 5, пневматической системы 19 для управления исполнительными органами системы вакуумирования и ее охлаждения, до давления, исключающего конвективный теплообмен в вакуумной камере 1 (например, до давления 10 Па). Захолаживают криогенный экран 3, например, жидким азотом из хранилища жидкого азота 21 (например, на базе резервуаров ЦТК-8/0,25М3), до температуры, имитирующей «холод» космического пространства (например, до температуры минус 186±3°С). С помощью системы управления процессом проведения испытаний 5 одновременно включают имитатор внешних тепловых потоков 4 (например, из инфракрасных нагревателей), состоящий из секций, для поддержания на элементе КА 8 заданной температуры. Для достижения сверхвысокого вакуума начинают прогрев вакуумной камеры 1 и исполнительных органов системы вакуумирования 2 с помощью системы прогрева 16, например, до температуры 200°С, в течение, например, 10 часов. Продолжают вакуумирование вакуумной камеры 1 с помощью системы вакуумирования 2 (например, криогенными насосами Trillium Сгуо-Р1ех8) и системы управления процессом испытаний 5, пневматической системы 19, обеспечивающей управление исполнительными органами системы вакуумирования и ее охлаждение, например, до давления<10 Па. После получения заданных условий, при которых эксплуатируется элемент КА 8, то есть сверхвысокого вакуума в вакуумной камере 1 и заданной температуры на элементе КА 8, выключают систему прогрева вакуумной камеры и исполнительных органов системы вакуумирования 16, проверяют работоспособность элемента КА 8 с помощью системы функционирования 9 в течение заданного времени. По окончании испытаний отогревают криогенный экран 3 до нормальной температуры (например, 15-20°С) с помощью системы подогрева и подачи сжатого воздуха в криогенный экран 20, после чего разгерметизируют вакуумную камеру 1.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить достоверность испытаний и подтвердить работоспособность отдельных элементов КА за счет имитации натурных условий эксплуатации, в частности, сверхвысокого вакуума, и проводить испытания на новом качественном уровне.
Предлагаемый стенд может найти широкое практическое применение для получения экспериментальных данных при решении проблем, связанных с обеспечением длительной работоспособности аппаратуры, работающей в открытом космическом пространстве, при работе КА на окололунной орбите и полете автоматических КА к другим планетам Солнечной системы.