CC BY
23УДК 669.713.7
Н. В. Батуров, Ю. А. Филиппов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КРИОГЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ УЗЛОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Рассмотрены особенности технологии криогенных испытаний узлов пневмогидравлических систем и автоматики с целью совершенствования и повышения работоспособности изделий летательных аппаратов.
В процессе изготовления узлов летательных аппаратов большое значение имеет проверка их работоспособности в реальных условиях. Испытание узлов является актуальным как с точки зрения отработки научных и технических решений, так и создания новых систем космических аппаратов, а также испытание узлов летательных аппаратов при сверхнизких температурах является неотъемлемой частью проверки их работоспособности. Имитация воздействия низких температур космического пространства на летательные аппараты производится с использованием криогенных жидкостей, таких как кислород, азот и водород. Узлы летательных аппаратов, а также различного рода клапаны, вентили и другая запорная арматура, установленная на летательных аппаратах, также подвергаются воздействию сверхнизких температур. Процесс испытаний начинается с подготовки испытательного оборудования к криогенным испытаниям, затем узел помещается в криостат, где происходит его охлаждение до заданной температуры испытания. После охлаждения в одну из полостей узла подается криогенная жидкость, а через другую проверяется герметичность закрытия и уплотнения испытываемого узла. Здесь охлаждение узла в криостате применяется для того, чтобы уменьшить влияние окружающей среды на процесс испытаний. Если испытываемый узел не помещать в криостат, то при подаче рабочей криогенной жидкости из-за теп-лопритока она выкипит, превратившись в газ, что нарушит условия испытаний и вследствие чего текучесть газа станет больше текучести жидкости. Кроме того, ввиду теплопритока невозможно довести температуру до заданных значений.
В ходе исследований был разработан криостат, в который помещается узел для проверки его герметичности и работоспособности при воздействии на него жидкого азота. Одна из проблем -организация условий испытаний в соответствии с требованиями конструкторской документации (КД). Согласно требованиям КД узел должен подвергаться испытанию при температуре от -180 до -196 °С, что соответствует температуре кипения жидкого азота при атмосферном давле-
нии. Известно, что используемый жидкий азот имеет температуру -170 °С. Дальнейшее изучение материала показало, что в данном результате нет никакой ошибки и никакого противоречия законам физики. Производителю проще заполнять сосуды жидким азотом под высоким давлением, так как это занимает меньше времени на охлаждение емкости. Дело в том, что по мере роста давления, увеличивается температура жидкого азота (см. таблицу). Так, при давлении 0,8 МПа температура кипения азота составит 103 К или -170 °С. Следовательно при заправке криостата жидким азотом его температура не будет ниже температуры жидкого азота, находящегося в емкости для транспортировки. Хоть температура -170 °С и выше температуры кипения азота при атмосферном давлении -196 °С, но при данной температуре азот еще может находиться в жидкой фазе, так как эта температура ниже температуры предельного перегрева (для азота она равна 107 К или 165 °С).
Зависимость температуры кипения жидкого азота от давления
Характеристика Давление паров азота в сосуде, МПа
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,5 2
Температура кипения азота, К 78 88 95 99 103 106 108 112 117
Для охлаждения жидких криопродуктов применяют термостатирование: от внешних источников холода, вакуумированием парового пространства, барботированием малорастворимым охлажденным газом, дросселированием или частотным излучателем, погруженным в жидкость. Наиболее экономичным способом охлаждения является ва-куумирование парового пространства с перемешиванием жидкости для увеличения интенсивности испарения. Охлаждение жидких криопродуктов при вакуумировании парового пространства над зеркалом жидкости обусловлено ее испарением. Если принять, что жидкий криопродукт находится в термодинамическом равновесии с отводимыми парами, то можно составить уравнение, определяющее количество испарившейся жидкости [1]:
Решетневские чтения
dm WH•p dx = RT ''
(1)
где - объемная производительность вакуумного насоса; p, T - давление и температура паров жидкости; m - масса жидкости; т - время; R - универсальная газовая постоянная.
Можно составить уравнение теплового баланса системы:
dL=qF _ r pwh
dx mc mcRT'
(2)
где г - теплота испарения; с - теплоемкость жидкости.
Так как в конструкторской документации задан уровень, до которого необходимо погружать испытываемый узел, то необходимо составить уравнение для расчета положения уровня жидкости в процессе испарения:
dh 1 ( dm d р j dh d t р ^ d t d t) dv'
(3)
где V - объем жидкости; к - уровень жидкости; р - плотность жидкости.
Результаты исследования позволили создать рациональную технологию испытаний с оптимизацией режимов технологических испытаний при низких температурах.
По результатам исследования будут доработаны руководящие технические материалы, методика и технология ускоренных испытаний узлов космических аппаратов.
Библиографический список
1. Беляков, В. П. Криогенная техника и технология / В. П. Беляков и др. М. : Машиностроение, 1984.
N. V. Baturov, Yu. A. Filippov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
PERFECTION OF CRYOGENIC TEST TECHNOLOGY OF FLYING MACHINE NODES
Cryogenic test technological parameters of pneumohydraulic node systems and automatics for the purpose of perfection and increase of working capacity of aircraft products are considered.
© Батуров Н. В., Филиппов Ю. А., 2009
УДК 620.178.154.56
С. С. Безруких, Н. П. Седлов, Е. Н. Головенкин, А. А. Купцов
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
ПРОБЛЕМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕРМОВАКУУМНЫХ И ТЕРМОБАЛАНСНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НЕГЕРМЕТИЧНОГО ИСПОЛНЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ НА БАЗЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
Отражена необходимость создания новейшего комплекса для проведения термобалансных и термовакуумных испытаний космического аппарата негерметичного исполнения.
В настоящее время поставщик космических услуг, желающий добиться коммерческого успеха, для достижения поставленных целей вынужден не только закладывать в свои изделия высокие тактико-технические характеристики, надежность работы и срок активного существования, но и подтверждать их заказчику до выведения космического аппарата на орбиту, проверяя его работу в условиях, близких к штатным условиям эксплуатации.
Одной из важнейших операций при изготовлении космического аппарата (КА) являются термо-
балансные и термовакуумные испытания, при которых осуществляются проверки в основном всех характеристик, связанных с необходимостью штатного включения бортовой аппаратуры и ее эксплуатации. Целью данной операции является проверка функционирования бортовой аппаратуры, влияние на элементы конструкции и характеристики КА в условиях температурных полей, создаваемых в режиме эксплуатации и проверки по термобалансу.
Основным инструментом для проведения термовакуумных и термобалансных испытаний явля-
