CC BY
20
УДК 621.762.61
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВИБРОГАСЯЩЕГО УСТРОЙСТВА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
УСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
12 12 23 12
Н. А. Тестоедов , , В. В. Двирный , , Г. Г. Крушенко , , Г. В. Двирный ,
1АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: [email protected]
Описана оригинальная конструкция виброгасящего устройства энергетической установки космического аппарата, важнейшим элементом которого является амортизатор, представляющий собой металлокомпозит, состоящий из металлической спирали, впрессованной в резину, упрочненную нанопорошком углерода.
Ключевые слова: космические аппараты, энергетические установки, виброгасящее устройство, металлорезиновый амортизатор.
IMPROVING THE RELIABILITY OF THE VIBRATION-DAMPING DEVICE FOR POWER PLANTS OF SPACECRAFT
N. A. Testoedov1, 2, V. V. Dvirnyi1, 2, G. G. Krushenko2, 3, V. V. Dvirnyi1, 2
1JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: [email protected]
This paper describes the original design vibration-damping device of the power plant of a spacecraft, the most important element is the absorber, which are metalcomposite consisting of a metal spiral embedded in the rubber reinforced with carbon nanopowder.
Keywords: space vehicles, power plants, vibro-damping device, metal rubber absorber.
Основным источником энергоснабжения космических аппаратов (КА) в настоящее время являются солнечные батареи (СБ) [1]. Однако со временем СБ деградируют от воздействия ионизирующего излучения космического пространства [2]. При этом также существуют сложности раскрытия и обеспечения требуемой ориентации СБ по отношению к Солнцу [3]. Таким образом, в настоящее время существуют проблемы применения СБ в КА, не только, исходя из их «физической» и «механической» специфики, но и при том, что одной из основных тенденций развития ракетно-космической техники является рост эффективности энергетического обеспечения КА. Анализ альтернативных источников энергии показал, что наиболее высокоэффективным и стабильным источником энергии могут служить ядерные энергетические установки (ЯЭУ) [4]. Однако их хранение и транспортировка требует соблюдения особых мер предосторожности. Основным элементом технологии транспортировки является контейнер. В общем случае, транспортировке с завода-изготовителя на полигон, предшествует хранение КА и ЯЭУ в заводских условиях. При этом следует исключить отклонения их выходных параметров от паспортных данных, что может быть связано с воздействием окружающей среды и естественными внутренними процессами в отдельных элементах. В связи
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
с этим хранение и транспортировка КА и ЯЭУ должна осуществляется в герметичных контейнерах повышенной прочности с теплоизоляционным покрытием. Контейнеры необходимо заполнить нейтральным газом, например азотом, что предотвратит окисление элементов изделий, а также уменьшит вероятность пожара в случае разгерметизации жидкометаллических контуров теплоносителя. Требования ядерной и радиационной безопасности во всех случаях остаются неизменными, несмотря на различие в условиях их обеспечения. Так, при перевозках наземными средствами опасными могут быть вибрационные нагрузки [5].
В технической литературе представлено большое количество конструкций таких контейнеров. Важное значение конструкции контейнера можно усмотреть, например, в описании к патенту США № 5438597 [6], изложенного на 18 стр., включая 10 рисунков, в котором в качестве прототипов рассмотрено 25 патентов США и 2 Японии.
Основываясь на анализе патентной и технической литературы, была разработана оригинальная конструкция контейнера для ЯЭУ КА (см. рисунок) [7].
6 3 2 12 5 10 11 9 1
Транспортировочный контейнер: 1 - ядерная энергетическая установка; 2 - термосифон; 3 - вентилятор; 4 - металлорезиновый
амортизатор; 5 - датчик температуры; 6 - система управления температурным режимом; 7 - система поддержания давления азота; 8 - датчик давления; 9 - газовод; 10 - электронагреватель; 11 - энергетическая установка; 12 - компрессионная холодильная установка [7]
Внутри контейнера, заполненного азотом с давлением 1,2 кг/см2, отсутствуют подвижные части, а тепловой поток выносится в газовод 9 с помощью тепловых труб, выполненных в виде термосифонов 2, где возврат теплоносителя (аммиак КН3) осуществляется самотеком. Необходимый нагрев для обеспечения температуры в контейнере выше +5 °С (чтобы не замерз теплоноситель ЯЭУ - эвтектика Ка-К) обеспечивается нагревателем 10 по сигналу датчика температуры 5. Питание всех потребителей энергии осуществляется от энергетической установки 11. Охлаждение осуществляется вентилятором 3 обдувающим оребренные конденсаторы термосифонов через испаритель холодильной машины 12. Система позволяет поддерживать температуру 20±1 °С, что является безопасными условиями транспортировки ЯЭУ. Важнейшим элементом конструкции контейнера является амортизатор, представляющий собой металлокомпозит, состоящий из металлической спирали, впрессованной в резину. Его назначение заключается в уменьшении амплитуды вибраций за счет трения на поверхностях спирали. При этом с целью повышения прочностных характеристик амортизатора в резину предварительно вводили нанопорошок углерода с размерами частиц около 50 нм, который получали из природного скрытокристаллического графита путем измельчения с одновременной механоак-тивацией в центробежно-планетарной мельнице при ускорении 40g по технологии, разработанной отделом инжиниринга минеральных ресурсов Ноттингемского университета [8]. Присутствующие в объеме резины наночастицы углерода не только приводят к ее упрочнению [9], но и, вследствие того, что важнейшей особенностью ультрадисперсных систем является их исключительно развитая поверхность, вблизи которой находится значительная доля атомов [10], наночастицы также вносят свой
антивибрационный вклад за счет уменьшения амплитуды колебаний в результате возникновения эффекта трения на их поверхностях.
Библиографические ссылки
1. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.
2. Токовый преобразователь энергии солнечной батареи в системе электропитания космических аппаратов / Ю. М. Казанцев, К. Г. Гордеев, А. Ф. Лекарев и др. // Изв. Томск. политех. ун-та. 2011. Т. 319. № 4. С. 148-153.
3. Патент РФ № 2509694. Способ управления ориентацией солнечной батареи космического аппарата с ограничением угла поворота солнечной батареи С1 МПК B54G1/44 Заявка № 2012150757/11 от 28.11.2012 / С. В. Гордийко, Б. Г. Бурдыгов. Бюл. 2014. № 8.
4. Коротеев А. С., Акимов В. Н., Гафаров А. А. Создание и перспективы применения космической ядерной энергетики в России // Полет. 2008. № 7. С. 3-15.
5. Виброзащита оборудования и аппаратуры летательных аппаратов / Г. С. Аверьянов, В. Н. Бельков, А. А. Перчун и др. // Решетневские чтения : материалы XVI Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева. Красноярск. Ч. 1. С. 227.
6. US Patent 5,438,597 Container for transportation and storage of spent nuclear fuel Appl. № 131,971 Oct. 8, 1993. Int, Cl.6 G21F 5/012. R. A. Lehnert, R. D. Quinn, S. E. Sisley et al. Date of Patent August 1, 1995.
7. Возможность применения ядерных энергетических установок в космических аппаратах и проблемы транспортировки / В. В. Двирный, Г. В. Двирный, Д. О. Козлов и др. // Интеллект и наука: Тр. XIII Междунар. молодеж. науч. конф. Железногорск: филиал СФУ, 2013. С. 11-12.
8. Preliminary Jameson cell flotation testing of Siberian graphite samples. Report prepared for B. Coope and Association Industrial Mineral Consulting / Department of Mineral Resources Engineering University Nottingham. 1993. 11 p.
9. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза / М. Ф. Жуков, И. Н. Черский, А. Н. Черепанов и др. Новосибирск : Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. 312 с.
10. Зубов В. И. Об особенностях термодинамики ультрадисперсных систем. Физикохимия ультрадисперсных систем : материалы IV Всерос. конф. М. : МИФИ, 1998. С. 23-26.
° Тестоедов Н. А., Двирный В. В., Крушенко Г. Г., Двирный Г. В., 2016
