Анализ тепловых нагрузок на криогенное оборудование вакуумной установки гву-60 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения

УДК 629.783

АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК НА КРИОГЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ УСТАНОВКИ ГВУ-60

А. В. Хахленков

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: hahlenkov@iss-reshetnev.ru

Представлен анализ теплообменных процессов в вакуумной установке ГВУ-60 при проведении огневых испытаний систем коррекции космических аппаратов.

Ключевые слова: наземная экспериментальная отработка КА, огневые испытания, подсистема коррекции, вакуумная камера, теплообменные процессы.

ANALYSING THERMAL LOADS TO VACUUM CHAMBER OF HVU-60'S CRYOGENIC EQUIPMENT

A. V. Hahlenkov

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: hahlenkov@iss-reshetnev.ru

The article analyses heat exchange processes in vacuum chamber HVU-60 during the fire testing of spacecraft correction system.

Keywords: land experimental trying out, fire test, propulsion subsystem, vacuum chamber, processes of heat exchange.

АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева занимается созданием космических аппаратов (КА) связи, телевещания, ретрансляции, навигации, геодезии.

Неотъемлемой частью создания КА является многоступенчатая наземная экспериментальная отработка, в ходе которой проверяется функционирование сначала отдельных приборов, деталей и узлов, затем систем, а в конечном итоге и собранных спутников.

Одной из систем, подлежащих отработке, является система коррекции (СК). Её основной задачей является выработка импульса тяги для коррекции орбиты КА при выполнении маневров: приведения КА в рабочую область орбиты; удержания КА в рабочей области орбиты; перевода КА из одной рабочей области в другую (при необходимости); увод КА с орбиты в конце срока активного существования [1].

Целью отработки СК является проверка совместной работы ее составных частей. Для создания условий, максимально близких к эксплуатационным, СК, смонтированная на специальную оснастку, помещается в вакуумную камеру (ВК); затем ВК откачивается до рабочего давления (не более 6,65-Ш-4 Па), а элементы СК термостатируются в диапазоне эксплуатационных температур (25+15 °С).

Термостатирование достигается контролируемой подачей жидкого азота в криогенную панель, расположенную внутри криостола (см. рисунок), на который устанавливается монтажная плата с тестируемым оборудованием.

Для решения задачи анализа тепловых нагрузок на криогенную панель тепловая мощность криогенной панели сопоставлена с тепловыделением оборудования вакуумной установки и объектов испытаний.

Уравнение теплового баланса выглядит таким образом:

6кп = ви + вг + вг + 6 а + вой, где вКП - тепловая мощность криогенной панели, Вт; ви - теплопритоки от излучения корпуса вакуумной камеры, Вт; вГ - теплопритоки от конвекции и теплопроводности остаточной газовой среды вакуумной камеры, Вт; вт - теплопритоки по тепловым мостам, Вт; вА - теплопритоки в арматуре (прочие тепловые потери), Вт; вОИ - теплопритоки от объектов испытаний, Вт.

Тепловая мощность криогенной панели вКП = = 10800 Вт.

Поток излучения между замкнутыми поверхностями с температурами Тг (температура «горячей» поверхности) и ТХ (температура холодной поверхности) [2]:

ви = 5,77епРИВ-((Тг/100)4 -(Тх/100)4)-5Х = = 5,77-0,913-((300/100)4 - (78/100)4)-6,82 = 2896,85 Вт,

где еПРИВ - приведенный коэффициент черноты.

Для расчета теплопритока от конвекции и теплопроводности остаточной газовой среды применима формула, предложенная Я. Грошковским [3]:

P =

а • p

4м ■ Ta

(Ta - Tô ) =

0,957 • 0,0001 л/29 • 300

(300 - 78) = 0,000227774 Ân/në :

где а - приведенный коэффициент аккомодации; р -давление в ВК, Па; М - молекулярная масса рабочего газа, г/моль.

Решетневскуе чтения. 2017

Откатная крышка вакуумной установки с криостолом: 1 - криогенная панель; 2 - корпус криостола

Таким образом:

0Г = РГ^х 106 = 0,000227774-6,82-106 = 1553,4 Вт.

Расчет теплопритоков по тепловым мостам без учета теплообмена на боковой поверхности узлов выполнен на основе выражения закона Ньютона-Рихмана [4; 5]:

Qг = Х/с-(7Г - 7Х) 5Х, где X - коэффициент теплопроводности Вт/(м-К), с - толщина поверхности теплопередачи, мм.

По итогам расчетов суммарный теплоприток от всех видов тепловых мостов равен:

0Г = 116 + 45 + 13,58 = 174,58 Вт.

Также дополнительной тепловой нагрузкой для криогенного оборудования являются тепловые потери в трубопроводах, в тепловой изоляции запорной арматуры, расходной емкости, теплообменного аппарата и т. п.

0а = 0,05/0,15-(300 - 78)-40 = 2960 Вт.

Теплопритоки от объекта испытаний описаны в конструкторской документации на его составные части и не превышают 1,5 кВт.

Тепловая мощность криогенной панели равна 10800 Вт, суммарная тепловая нагрузка составляет 9078 Вт.

На текущий момент эффективность работы крио-панели снижена тем, что поглощающая поверхность криогенной панели на 40 % перекрыта панелями фальшпола: со стороны крышки на них установлены опоры монтажной платы, со стороны цилиндрической части камеры они установлены для защиты поверхности криогенной панели от воздействия плазмы функционирующего блока коррекции.

Запаса тепловой мощности нет, поэтому при увеличении тепловыделений от тестируемого оборудования необходимо задействовать дополнительное криогенное оборудование, что повлечет увеличение затрат на проведение огневых испытаний систем коррекции.

Библиографические ссылки

1. Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов и систем информационного обеспечения : в 2 кн. Кн. 2. Внутреннее проектирование космического аппарата. Красноярск : Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т., 2005. 168 с.

2. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М. : Атомиздат, 1979. 416 с.

3. Грошковский Я. Техника высокого вакуума / пер. с польск. В. Л. Булат, Э. Л. Булат // М. : Изд-во МИР, 1975. 623 с.

4. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов / под ред. Е. Б. Кузнецовой. М. : Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959. 356 с.

5. Цветков Ф. Ф., Григорьев Б. А. Тепломассообмен М. : Изд-во МЭИ, 2005. 550 с.

References

1. Chebotarev V. E. Proektirovanie kosmicheskih apparatov i system informacionnogo obespechenia [Design of space vehicles and information support systems]. Krasnoyarsk, Sib. Gos. Aerocosmich. Un-t., 2005. 168 p.

2. Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena [Foundations of the theory of heat transfer]. Moscow, Atomizdat, 1979. 416 p.

3. Groshkovskii Ya. Tehnika vysokogo vakuuma [High vacuum technique] Moscow, Izd-vo MIR, 1975. 623 p.

4. Chirkin V. S. Teplofizicheskie svoistva materialov [Thermophysical properties of materials] Moscow, Gosu-darstvennoe izdatelstvo fiziko-matematicheskoi literatury, 1959. 356 p.

5. Cvetkov F. F., Grigoriev B. A. Teplomassoobmen [Heat and mass transfer] M, Izdatelstvo MEI, 2005. 550 p.

© Хахленков А. В., 2017