Способ имитации давления в вакуумной камере при наземной проверке космических аппаратов на работоспособность
METHOD FOR SIMULATING PRESSURE IN A VACUUM CHAMBER DURING GROUND TESTING OF SPACECRAFT FOR OPERABILITY

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к наземной проверке космических аппаратов (КА) на работоспособность в условиях, приближенных к эксплуатации КА в космическом пространстве, и может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к условиям проведения экспериментальных исследований при оценке работоспособности аппаратуры КА.
Известен способ испытаний КА на работоспособность, заключающийся в том, что устанавливают КА в вакуумную камеру, вакуумируют вакуумную камеру с помощью системы вакуумирования до остаточного давления и проверяют КА на работоспособность (Патент РФ RU №2302983 С1, Бюл. №20, 20.07.2007 г., МПК B64G 7/00 (2006.01)).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ имитации давления в вакуумной камере при наземной проверке КА на работоспособность, заключающийся в том, что помещают КА в вакуумную камеру, вакуумируют вакуумную камеру с помощью вакуумной откачной системы до остаточного давления и проверяют КА на работоспособность (Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982 г., стр. 105). Этот способ принят за прототип.
Недостатком аналога и прототипа является то, что в этих способах при проверке работоспособности КА не учитывается влияние на остаточное давление в вакуумной камере собственной внешней атмосферы КА, которая складывается, в основном, из продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов КА, а также газовыделения пневматических систем КА, например, двигателей ориентации, имеющих малую тягу, расположенных на КА и используемых для ориентации и стабилизации его положения в космическом пространстве. Это влияние проявляется, например, в виде повышения давления в вакуумной камере во время включения аппаратуры КА и включения двигателей ориентации. Повышение остаточного давления собственной внешней атмосферы КА опасно для работающей аппаратуры КА, критичной к низкому вакууму, с точки зрения возможности возникновения высоковольтного электрического пробоя. Особенно это важно учитывать при проверке работоспособности аэрокосмических высокоманевренных аппаратов среднего класса, эксплуатируемых на низких орбитах, так как режим течения газа при понижении разрежения (повышении давления) собственной внешней атмосферы КА может меняться с молекулярного на молекулярно-вязкостный или вязкостный.
Задачей изобретения является обеспечение создания в вакуумной камере остаточного давления, близкого к давлению при эксплуатации КА на рабочей орбите.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности результатов проверки КА на работоспособность при имитации натурных условий эксплуатации КА.
Технический результат достигается за счет того, что в способе имитации давления в вакуумной камере при наземной проверке КА на работоспособность, заключающемся в том, что помещают КА в вакуумную камеру, вакуумируют вакуумную камеру до остаточного давления с помощью вакуумной откачной системы и проверяют КА на работоспособность при электрических включениях аппаратуры, входящей в его состав, при этом рассчитывают величину давления собственной внешней атмосферы КА в зависимости от высоты рабочей орбиты КА, величину остаточного давления в вакуумной камере принимают равной расчетной величине давления собственной внешней атмосферы КА, причем при повышении величины давления собственной внешней атмосферы КА в вакуумной камере в процессе проверки КА на работоспособность поддерживают его величину на заданном уровне путем увеличения производительности вакуумной откачной системы.
При полете КА в космическом пространстве окружающий его космический вакуум выполняет роль вакуумных откачных средств с высокой производительностью, заведомо превышающей производительность откачных средств вакуумных камер, и поэтому при полете КА давление собственной внешней атмосферы КА при включении аппаратуры КА практически не будет возрастать, тогда как при испытаниях КА в наземных условиях в вакуумной камере давление собственной внешней атмосферы КА будет при включении аппаратуры КА увеличиваться в связи с ограниченной производительностью откачных средств вакуумных камер. Таким образом, при проверке работоспособности КА в вакуумной камере поддержание заданного давления собственной внешней атмосферы КА возможно только с помощью увеличения производительности имеющихся вакуумных откачных средств вакуумной камеры.
По сравнению с прототипом заявленное техническое решение позволяет повысить достоверность испытаний КА при его проверке на работоспособность путем улучшенной имитации натурных условий эксплуатации КА.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом:
- помещают КА в вакуумную камеру, например, в ВК 600/300;
-7
-8
-4
-5
- вакуумируют вакуумную камеру с помощью вакуумной откачной системы (вакуумных насосов, например, механических насосов Oerlikon Leybold RUTA WH7000/DV1200/G, высоковакуумных турбомолекулярных насосов Edwards STP-iXA4506C) до остаточного давления, равного давлению собственной внешней атмосферы КА. Давление собственной внешней атмосферы КА определяют расчетным путем в зависимости от высоты рабочей орбиты КА на основании результатов измерений, ранее полученных исследовательскими КА. Например, на орбите высотой от 300 до 400 км давление будет составлять от 10 до 10 мм рт. ст., а расчетное давление собственной внешней атмосферы вокруг КА будет на 2-3 порядка выше, то есть составит от 10 до 10 мм рт. ст. Такое разрежение создают при испытаниях КА в вакуумной камере и измеряют его, например, с помощью вакуумметра Televac СС-10;
- начинают проверку КА на работоспособность по программе полета. В ходе проверки проводятся электрические включения аппаратуры, входящей в состав КА, при которых происходит нагрев аппаратуры и КА в целом. В результате роста температуры КА начинается интенсивный процесс газовыделения продуктов неметаллических конструкционных материалов, применяемых в КА, повышается давление собственной внешней атмосферы КА и происходит изменение режима течения газа как вокруг КА, так и в негерметичных отсеках КА, что довольно опасно для работающей аппаратуры КА с точки зрения возникновения высоковольтного электрического пробоя;
- при повышении давления собственной внешней атмосферы КА в вакуумной камере в процессе проверки КА на работоспособность поддерживают его величину на заданном уровне, то есть понижают давление собственной внешней атмосферы КА до заданного остаточного значения путем увеличения производительности вакуумной откачной системы вакуумной камеры, например, подключив дополнительно высоковакуумный криогенный насос HSRAG VELCO630, имеющий большую производительность: до 45000 л/с;
- продолжают проверку КА на работоспособность по программе полета до ее завершения.
Пример реализации.
-4
-4
-4
-4
Поместили экспериментальный КА в вакуумную камеру и отвакуумировали вакуумную камеру до расчетного давления 1⋅10 мм рт. ст. При проведении электрических включений аппаратуры КА наблюдалось повышение температуры КА и повышение расчетного давления в камере с 1⋅10 мм рт. ст. до 3,8⋅10 мм рт. ст. Подключили дополнительно к вакуумной камере высоковакуумный криогенный насос, имеющий большую производительность. В результате понизили в вакуумной камере давление до величины расчетного значения 1⋅10 мм рт.ст. и продолжили электрические проверки аппаратуры по программе до ее завершения. Полученные результаты проведенного эксперимента подтверждают заявленное техническое решение.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить достоверность результатов испытаний КА при его проверке на работоспособность за счет улучшения имитации и поддержания натурных условий эксплуатации при наземной отработке. Предлагаемый способ достаточно прост в эксплуатации и не требует разработки нового оборудования.