CC BY
33
УДК 536.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ТЕПЛОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
А. В. Делков, А. А. Ходенков, А. В. Приходько, П. В. Широких
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: delkov-mx01@mail.ru
Рассматривается вопрос моделирования процесса захолаживания объектов космической техники при тепловакуумных испытаниях. Приводится расчетная схема и описание математической модели испытаний, необходимые для оценки эффективности различных конструктивных решений установки.
Ключевые слова: тепловакуумные испытания, объекты космической техники, численное моделирование.
NUMERICAL SIMULATION OF THE PROCESS OF SPACE ENGINEERING OBJECTS COOLING DOWN IN THERMAL-VACUUM TESTS
The paper deals with the modeling of the cooling down process of space engineering objects during thermal-vacuum tests. The calculation scheme and the mathematical model of the tests are presented. It is necessary for the evaluation of the efficiency of various design solutions of the installation.
Keywords: thermal-vacuum tests, space engineering objects, numerical simulation.
Тепловакуумные испытания объектов космической техники являются неотъемлемой частью процесса их разработки и создания. Такие испытания широко используются для моделирования космических условий полета или условий пребывания на поверхностях, не имеющих атмосферу небесных тел, таких как Луна и астероиды [1]. Для проведения тепловакуумных испытаний используются вакуумные камеры, в которых создаются условия пониженного давления и температуры [2]. Такие испытания проводятся на различных стадиях проектирования космических аппаратов.
Задача таких испытаний - проверка работы аппаратуры и узлов в реальных космических условиях, определение теплофизических параметров отдельных частей и элементов космического аппарата, определение прочностных характеристик и проверка и корректировка математических моделей систем терморегулирования [3; 4]. Тепловые испытания отличаются большой сложностью, трудоемкостью и значительными материальными затратами [5].
Значительная часть тепловакуумных испытаний имеет своей целью достижение на объекте криогенных температур, имитируя условия теневых зон орбит. Наиболее распространенный способ захолаживания испытуемых объектов в вакуумных камерах - с использованием криогенных экранов. Криогенный экран представляет собой пластину с циркулирующем внутри криогенным агентом [6]. Охлаждение объекта достигается за счет механизма теплового излучения.
Проектирование и расчет таких систем требуют анализа процессов охлаждения объекта испытаний за счет лучистого переноса теплоты к криогенным экранам. Задача осложняется нестационарностью процесса, а также сложностью учета излученных, поглощенных и отраженных тепловых потоков внутри камеры.
Поэтому необходимо заранее планировать тепловые испытания для предварительной оценки потребных мощностей и времени охлаждения. Данная задача может быть решена с помощью математического моделирования тепловых испытаний, которое позволит оценить затраты энергии, необходимые для охлаждения объекта, время выхода системы на режим для различных конструктивных решений испытательного стенда, и выбрать из них оптимальные.
Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»
Для моделирования была использована система, представленная на рис. 1, состоящая из рефрижератора для обеспечения циркуляции криогенного агента и термовакуумной камеры, в которой размещен объект испытания и криогенный экран. К экрану подается рабочее вещество -жидкий азот или жидкий гелий, получаемый в рефрижераторе. Размеры объекта, его тепловыделения и температурный режим определяются назначением испытаний. Основной задачей моделирования является снижение температур объекта до заданной в программе испытаний.
Рис. 1. Моделируемая установка тепловакуумных испытаний
Задача математического моделирования теплообмена излучением осложняется сложной геометрией поверхностей источника излучения (объекта охлаждения) и приемника излучения (криогенного экрана), а также возможностью их различного пространственного размещения друг относительно друга. Для представленной установки была создана математическая модель, позволяющая получать характеристики захолаживания объектов испытаний по времени при различных режимных и конструктивных параметрах. Модель позволяет учитывать влияние геометрии и расположения криогенного экрана.
Для тестовой задачи использовался экран, состоящий из трубок из сплава АМг6 диаметром 10 мм и толщиной стенки 1 мм. Криогенный агент, обеспечивающий охлаждение, - гелий. Излучающая и поглощающая поверхности экрана и охлаждаемого объекта представляют собой прямоугольники с центрами, размещенными на одной прямой. Экран и объект размещаются в камере с отражающими стенками.
т,К[
85
Изменение температуры по времени
Температура1
Темперагура2
80 --
60 55
_ , , , , 1,11 1.11 1111 1111 11,1 , , , , II,
.....|_ = 2 .м.........
1- = 1 ^———____
■ . . . . .... .... .... .... .... . . . . ■
10 20 30 40 50 Время,с (10л3)
60
70
80
90
Рис. 2. Кривые захолаживания объекта при различных расстояниях Ь до гелиевого экрана
Полученные по разработанной математической модели расчетные зависимости температуры захолаживаемого объекта массой 16 кг и площадью поверхности излучения 1,5 м2 с первоначальной температурой 77,5 К от времени для криогенного экрана площадью 2 м2 представлены на рис. 2. Материал тела - сплав АМг6.
Приведенная методика расчета позволяет при заданных параметрах камеры, криоэкранов и объекта охлаждения определить изменение температуры в системе по времени, достижимую температуру объекта, время выхода на стационарный режим. Для увеличения интенсивности охлаждения возможно применение экранов разнообразной формы, размещаемых вблизи объекта, сокращение потерь криагента на испарение в подводящих магистралях, применение экранно-вакуумной теплоизоляции, что так же может быть учтено в созданной расчётной модели.
Библиографические ссылки
1. Колесников А. В. Испытания конструкций и систем космических аппаратов : конспект лекций. М. : Изд-во МАИ, 2007. 155 с.
2. Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов / В. А. Афанасьев и др. ; под ред. Н. В. Холодкова. М. : Изд-во МАИ, 1994. 412 с.
3. Денисова Л. В., Калинин Д. Ю., Резник С. В. Теоретические и экспериментальные исследования тепловых режимов сетчатых рефлекторов космических антенн // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № 1. С. 92-105.
4. Дражников Б. Н. Стенд для проведения термовакуумных испытаний крупноформатных-фотоприемных устройств космического применения / Б. Н. Дражников, Я. С. Бычковский, И. С. Кондюшин, К. В. Козлов // Успехи прикладной физики. 2013. Т. 1, № 3. С. 386-389.
5. Крат С. А., Христич В. В. Тепловакуумная отработка КА: развитие современных тенденций // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 4 (30). С. 123-129.
6. Виноградов И. С. Результаты термовакуумных испытаний конструкции и систем обеспечения теплового режима космического радиотелескопа КА «Спектр-Р» [Электронный ресурс] / И. С. Виноградов, С. Б. Новиков, Д. В. Тулин и др. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. ЦКЬ: www.chemphys.edu.ru/pdf/2011-03-24-001.pdf (дата обращения: 10.03.2017).
© Делков А. В., Ходенков А. А., Приходько А. В., Широких П. В., 2017
