CC BY
34
CLASSIFICATION AND COMPARATIVE EVALUATION OF METHODS FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGERS FOR THE HEAT LOSS RECOVERY SYSTEM OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT
A.M. Kalashnikov
In this paper, a classification and comparative assessment of methods for increasing the efficiency of a heat exchanger for a heat loss recovery system is carried out. From the research it can be concluded that an increase in the efficiency of the heat exchanger to heat loss recovery systems following main areas can be identified and recommendations on: 1) select the type of the heat exchanger (the most effective was a shell-and-tube heat exchanger); 2) selection of thermal insulation (screen-vacuum insulation turned out to be the most effective); 3) selecting a degree of insulation of the heat exchanger housing (the most optimal value is 50% insulation, from the supply side of the cooled medium); 4) selection of operating parameters of the heat exchanger (increasing the pressure of the heated liquid and changing its flow rate make it possible to increase the efficiency of the heat exchanger).
Key words: heat losses, heat exchanger, insulation, vacuum insulation, recuperation.
Kalashnikov Alexander Mikhailovich, assistant, kalashnikov__omgtu@.mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 623.4 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-244-250
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ УНИФИКАЦИИ КАЛИБРОВОЧНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СРЕДСТВ
Д.Ю. Убоженко, А.А. Закутаев, В.В. Широбоков
Обоснована возможность создания унифицированного радиооптического эталонного космического аппарата для калибровки наземных радиолокационных и кванто-вооптических средств. Предложен вариант технического облика указанного космического аппарата, представляющего собой цилиндр, основания которого дополнены усеченными конусообразными деталями с разным углом конусности, заканчивающиеся сферическими ретрорефлекторами.
Ключевые слова: калибровочное обеспечение, унификация, радиолокационное средство, квантово-оптическое средство.
Активное освоение околоземного космического пространства привело к созданию большого количества радиолокационных и оптических средств дистанционного зондирования, связи, передачи энергии и т.д. Повышение характеристик указанных средств сопряжено с ужесточением требований, предъявляемых к их обеспечению как на этапе создания, так и в процессе применения. Одним из основных элементов обеспечения является калибровочное. С учетом больших дальностей действия вышеуказанных средств проведение их калибровки в наземных условиях весьма затруднительно, а ее техническая реализация зачастую нереализуема. Одним из способов решения данной проблемы является использование калибровочных средств космического базирования. В настоящее время на околоземных орбитах функционирует множество разнотипных калибровочных средств как отечественного, так и иностранного производства. Вместе с тем, остается нерешенным вопрос их унификации. Основной целью данного
244
направления, прежде всего, является необходимость сокращения эксплуатационных расходов. Таким образом, формирование предложений по унификации калибровочного обеспечения и поиск вариантов их технической реализации является актуальной научно-технической задачей.
Анализ требований назначения, предъявляемых к калибровочным средствам космического базирования. Для средств, функционирующих в радиолокационном диапазоне длин волн, основной целью калибровки является определение или уточнение их потенциала и связанных с ним характеристик (дальности обнаружения объектов наблюдения, точности и качества измерения их сигнальных характеристик и др.) [1]. Калибровка квантово-оптических средств (КОС) заключается в определении энергетических и пространственных характеристик их излучения после прохождения атмосферы [2].
В обоих случаях калибровка реализуется методом натурных наблюдений за объектами с точно известными и стабильными во времени характеристиками - эталонными объектами (ЭО). В радиолокационном диапазоне это, прежде всего площадь эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) [3], а в оптическом - коэффициент ослабления отраженного сигнала и его индикатриса. Рассмотрим более подробно требования, предъявляемые к калибровочному обеспечению радиолокационных средств (РЛС) и КОС.
Условием построения потенциального рельефа РЛС в зоне его действия является проведение калибровки для каждой точки проводки ЭО в зоне действия [4]. Характеристики калибруемых РЛС накладывают следующие ограничения на используемые эталонные данные. Точность эталонных данных об ЭПР для высокоточных РЛС дистанционного зондирования не должна превышать 1 дБ. При этом калибровка должна проводиться в широком диапазоне ЭПР (как минимум, от 0,01 м2 до 1000 м2) [4].
Динамический диапазон современных РЛС дистанционного зондирования может достигать более 100 дБ, из них половину составляет мгновенный динамический диапазон, а вторая половина обеспечивается за счёт перестройки по дальности. Ширина диапазона обусловлена необходимостью измерения ЭПР космических объектов в диапазоне от долей квадратного метра до тысяч квадратных метров на дальностях от 200 до 6000 км [5]. Как показываю расчеты, создание и вывод на орбиту сферических ЭО диаметром более 10 метров, обеспечивающих указанные уровни ЭПР, причём с точностью порядка одного децибела, проблематично с конструктивной точки зрения.
Для калибровки КОС необходимо оснащение ЭО отражающими поверхностями. Наиболее подходящим типом поверхности указанного типа является зеркальная. В настоящее время в качестве основного элементов ЭО используют специальные уголковые отражатели - ретрорефлекторы [6]. Наиболее существенный недостаток их применения связан с необходимостью стабилизации ЭО для ориентации УО на Землю. В случае ее потери ЭО становится ограниченно годен для проверок, ввиду необходимости выполнения множества пространственно-временных условий появления нестабилизи-рованной панели УО в луче калибруемого КОС.
Учитывая схожесть задач калибровки и контроля энергетических характеристик РЛС и КОС, заключающаяся в необходимости обеспечения появления эталонной поверхности или УО в диаграмме антенного устройства или лазерного излучения, с учетом использования единых подходов существует предпосылка к созданию унифицированных калибровочных средств космического базирования.
Обзор существующих калибровочных средств космического базирования. В классической постановке задачи, в качестве калибровочных, в настоящее время в мире используются два класса объектов: пассивные отражатели с известными формой -ЭО, размерами и диаграммой ЭПР и активные калибровочные космические аппараты (КА), которые при подлете к зоне действия калибруемой РЛС излучают калибровочный сигнал на частоте РЛС с заданными характеристиками мощности и поляризации. В качестве основного способа калибровки высокопотенциальных РЛС рассматривать использование ЭО. В качестве типовой формы в этом классе ЭО широко используются
металлические сферы с различными диаметрами, расположенные на разных орбитах, а также более сложные, но все же простой формы объекты - цилиндры, стержни и цилиндры, днища которых представляют части сферических поверхностей [7].
Калибровочные КА используются уже более 50-ти лет различными странами. В рамках различных отечественных космических программ были созданы такие аппараты, как «ДС-П1-Ю», «ДС-Ш-И», «Тюльпан»; «Тайфун-1А», «Дуга-К», Тайфун-1Б», «Тай-фун-2А» и др. На рис. 1а представлен один из наиболее современных образцов калибровочных КА типа «СКРЛ» (2013 г.) [8]. В качестве калибровочных объектов также использовались элементы конструкции сторонних космических систем. Примером может служить использование составной части КА типа «УС-А» (рис. 1б) [9].
Адаптер 188 КС
10 МКА -АИСТ» Балластный груз
:А СКРЛ 756
БВ -»Волга»
а б
Рис. 1. Отечественные КА, предназначенные для калибровки наземных радиолокационных станций: а — КА «СКРЛ»; б — составная часть КА типа «УС-А»
КА «СКРЛ» представляет собой алюминиевую сферу заданного диаметра. КА в виде разгонного блока типа «УС-А» имеет форму цилиндра длиной 3,5 м с конусом диаметром - 1,3 м. В настоящее время использование второго варианта КА для калибровки РЛС проблематично, т.к. вращение большинства из них замедлилось настолько, что период вращения превышает время наблюдения и фиксация даже единичного главного максимума не гарантирована.
В США с середины 1960-х годов предпринимались попытки запуска специальных калибровочных КА: КА «Dodecapole-1» (1965 г.), КА «Tempsat-1» (1965 г.), КА «Radcat» (1993 г) [10]. Последний представлял собой жёсткую пластмассовую оболочку, покрытую тончайшей металлизированной плёнкой для уменьшения диссипативного момента, но достаточной для обеспечения коэффициента отражения, близкого к единице. Общий вид КА «Radcat» представлен на рис. 2.
Рис. 2. Схематичное представление КА «КайеМ» (длина образующей —1,9 м, радиус цилиндрической части — 0,65 м)
Одним из вариантов проведения калибровки РЛС также может быть использование в качестве объектов наблюдения отработанных элементов конструкции ракет-носителей (РН).
Для калибровки КОС в настоящее время активно используются КА используемые Международной службой лазерной дальнометрии (англ. International Laser Ranging Service, ILRS). Группировка ILRS насчитывает более 30 КА и постоянно пополняется [6]. Отличительной особенностью КА, входящих в ILRS является их сферическая форма, а также наличие лазерных ретрорефлекторов с известными отражательными характеристиками. Наличие технологий и опыта их производства есть, в том числе и у отечественных предприятий промышленности. Так, в состав ILRS входят следующие отечественные КА: «Блиц» и «Эталон», представленные на рис. 3 [6].
а б
Рис. 3. Внешний вид отечественных КА, входящих в состав 1ЬЯ8: а — КА «Блиц»; б — КА — «Эталон»
Предложения по унификации калибровочных средств космического базирования. При рассмотрении процессов калибровки РЛС по попутным элементам конструкции РН цилиндрической формы стоит отметить, что, несмотря на наличие конечного решения, существует неопределённость значения их расчетной ЭПР, возникающая за счет априорной неопределенности (отличия конструкции ракеты от цилиндрической, наличие элементов, искажающих ЭПР, незнания электромагнитных свойств конструктивных материалов). Поэтому с метрологической точки зрения эти объекты требуют паспортизации, что особенно затруднительно сделать по РН иностранного производства. Кроме того наличие в РН остатков топлива, а также существенный диссипатив-ный магнитный момент, возникающий за счет вихревых токов в оболочке РН, приводит к затуханию скорости вращения РН на орбите. Удвоение периода происходит за срок от одного до нескольких месяцев, учитывая наличия диссипативного момента вязкого трения топлива. Оснащение указанных объектов уголковыми отражателями также является сложной задачей ввиду необходимости разработки способов их защиты от воздействия высоких температур, возникающих на начальных этапах выведения.
Также рассматривался вариант использования КА из состава международной лазерной сети для калибровки РЛС. Примером могут служить результаты координатных наблюдений японского КА «EGP» (после запуска переименован, новое название -Ajisai) Иркутским радаром некогерентного рассеяния (рис. 4) [11].
Одним из вариантов доработки корпуса КА для обеспечения постоянной ЭПР является технология, применяемая в КА типа «Ларец», в которых отражатели оптического диапазона располагаются таким образом, чтобы форма КА была идеальной сферой, а апертура отражателя покрывается афокальным иллюминатором с напыленным оптически прозрачным металлизированным покрытием. Такая конструкция КА должна иметь ЭПР, как и у эталонной сферы. Принципиальная схема конструкции калибровочного радиооптического КА типа «Ларец» показана на рис. 5 [6].
Недостатком использования в качестве основы КА международной лазерной сети со сферической формой является малая площадь ЭПР.
Авторами статьи предложен к рассмотрению вариант построения калибровочного радиооптического средства на основе цилиндра по типу КА «АСС». Для контроля ориентации цилиндра и направления его вращения предлагается дополнить основания
цилиндра усеченными конусообразными деталями с разным углом конусности (рис. 6), заканчивающиеся сферическими ретрорефлекторами, аналогичными по конструкции сферическому наноспутнику «Блиц-М».
Рис. 4. Результаты координатных наблюдений КА «БОР»: а — внешний вид КА «БОР» (Б=215 см); б — динамика амплитуды радиолокационного сигнала при прохождении спутника через диаграммы направленности антенны на разных
азимутах
Радиоотража ющее
Рис. 6. Внешний вид предлагаемого к созданию унифицированного радиооптического калибровочного КА
Оснащение КА УО, обеспечивающими получение отражения лазерного излучений от боковой поверхности цилиндра при любом ракурсе его наблюдения, позволяет создать пассивный вращающийся радиооптический контрольно-калибровочный КА.
Заключение. Проведенный анализ требований назначения, предъявляемых к калибровочным средствам РЛС и КОС, показал, что используемые к их применению подходы весьма схожи, следовательно, существует предпосылка к созданию унифицированных калибровочных средств космического базирования. По результатам обзора отечественного и иностранного опыта создания калибровочных КА с учетом требований, предъявляемых к современным образцам РЛС и КОС, были выявлены недостатки реализуемых подходов. Авторами статьи был предложен вариант построения унифици-
рованного калибровочного радиооптического средства в виде цилиндра, основания которого дополнены усеченными конусообразными деталями с разным углом конусности, заканчивающиеся сферическими ретрорефлекторами. Предложенный вариант конструкции обеспечивает получение как отраженного лазерного излучений от боковой поверхности цилиндра при любом ракурсе его наблюдения, так и стабильную во времени ЭПР с известными характеристиками отражения.
Список литературы
1. Леонов А.И., Леонов С.А., Нагулинко Ф.В. и др. Испытания РЛС / под ред. Леонова А.И. М.: Радио и связь. 1990. С. 37.
2. Жуков А.Н., Зотов С.М., Шаргородский В.Д. Принципы действия и использования беззапросных квантово-оптических систем для калибровкибеззапросных радиотехнических измерительных средств // Труды института прикладной астрономии РАН. СПб: ИПА РАН, 2013. № 27. С. 26 - 33.
3. Дикий В.И., Зарипов Д.И., Купцов И.В. Методические аспекты оценки текущих характеристик РЛС // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 25-29.
4. Радиолокационные системы: учеб. / В.П. Бердышев, Е.Н. Гарин, А.Н. Фомин [и др.]; под общ. ред. В.П. Бердышева. Красноярск: Сиб. федер. ун-т. 2011. 400 с.
5. Бабкин Ю.В., Якубовский С.В. Возможность мониторинга высокоорбитальных космических объектов радиолокационными средствами дальнего обнаружения // Междунар. науч. журнал «Экологический вестник научных центров ЧЭС». Краснодар: Научный центр ЧЭС 2017. № 4. Вып. 2. С. 28 - 33.
6. Соколов А.Л., Акентьев А.С., Ненадович В.Д. Космические ретрорефлектор-ные системы // Журнал «Светотехника». М.: ООО «Редакция журнала «Светотехника», 2017, № 4. С. 19 - 23.
7. Малые космические аппараты информационного обеспечения / под ред. Фатеева В.Ф. М.: Радиотехника. 2010. 259 с.
8. СКРЛ-756 1,2 (SKRL-756 1, 2) [Электронный ресурс]. URL: https://mapgroup.com.ua/kosmicheskie-apparaty/27-rossiya/632-skrl-756-1-2 (дата обращения: 30.04.2021).
9. US-A. [Электронный ресурс]. URL: http://www.astronautix.com/craft/usa.htm (дата обращения: 30.04.2021).
10. Большие возможности при малых размерах [Электронный ресурс]. URL: http://www.vko.ru/oruzhie/bolshie-vozmozhnosti-pri-malyh-razmerah (дата обращения: 30.04.2021).
11. Лебедев В.П., Заворин А.В., Караваев Ю.С. и др. Анализ результатов координированных наблюдений ИСЗ «EGP» радаром некогерентного рассеяния и оптическим телескопом АЗТ-14 ИСЗФ СО РАН // Сб. тр. междунар. Конф. «Околоземная астрономия - 2003». М.: Институт астрономии РАН, МЦ АМЭИ, 2003. С. 89 - 96.
Убоженко Дмитрий Юрьевич, начальник управления, ubozhenko.d@rambler.ru, Россия, Москва, Научно-исследовательский испытательный центр Центрального научно-исследовательского института Воздушно-космических сил, кандидат технических наук,
Закутаев Александр Александрович, начальник лаборатории, zakuta-ev.a@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Широбоков Владислав Владимирович, канд. техн. наук, начальник лаборатории, sh. vladislav. vl@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
RESEARCH OF ISSUES OF UNIFICATION CALIBRATION SUPPORT OF QUANTUM-
OPTICAL AND RADAR EQUIPMENT
D.Yu. Ubozhenko, A.A. Zakutaev, V.V. Shirobokov
The article substantiates the possibility of creating a unified radio-optical reference spacecraft for calibrating ground-based radar and quantum-optical means. A variant of the technical appearance of the said spacecraft is proposed, which is a cylinder, the bases of which are supplemented with truncated cone-shaped parts with different taper angles, ending in spherical retroreflectors.
Key words: calibration support, unification, radar facility, quantum-optical
facility.
Ubozhenko Dmitry Yurievich, head of department, ubozhenko.d@rambler.ru, Russia, Moscow, Research and Testing Center (Moscow) of the Central Research Institute of the Aerospace Forces, candidate of technical sciences,
Zakutaev Alexander Alexandrovich, head of laboratory, zakutaev.a@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky,
Shirobokov Vladislav Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of the laboratory, sh. vladislav. vl@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, A.F. Mozhaisky
УДК 631.3 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-250-256
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКИ
ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШЛИЦЕВЫХ ВТУЛОК ПРИВОДА ШЕСТЕРЕННОГО НАСОСА НШ-50
А.В. Морозов, А.Н. Еремеев, Д.Р. Мушарапов, А.Е. Абрамов, Н.И. Шамуков
Рассмотрены результаты практической реализации способа электромеханической закалки рабочих поверхностей шлицевой втулки на примере втулки шестерён-ного насоса НШ-50. Выполнен сравнительный анализ эффективности существующих способов и предлагаемого способа изготовления втулки шестерённого насоса НШ-50.
Ключевые слова: шестерённый насос НШ-50, шлицевое соединение, шлицевая втулка, рабочие поверхности, электромеханическая закалка.
Важное значение для обеспечения работоспособности техники в целом имеет надежность и безотказность работы ее отдельных узлов и агрегатов, преждевременный выход которых из строя может привести к потере работоспособности техники и, вследствие этого, ее простою и финансовым убыткам для предприятия.
В конструкциях современных тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин для передачи крутящего момента, широкое распространение нашли подвижные прямобочные шлицевые соединения, износ которых при работе может достигать 1.. .2, иногда до 3.4 мм по ширине шлица [1].
Проблема износа особенно актуальна для шлицевых втулок, так как отсутствуют эффективные упрочняющие технологии применительно к данным деталям, вследствие затрудненного доступа к рабочим поверхностям и трудоемкости процесса.
250
