CC BY
24УДК 629.78.048.7
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ МАКЕТ ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ «МИЛЛИМЕТРОН». НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ТЕРМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ С ЖИДКИМ ГЕЛИЕМ
А. Ю. Вшивков, Е. Н. Головенкин, О. В. Шилкин, Е. Ю. Бакуров
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: Avshivkov@iss-reshetnev.ru
Описаны решения, которые позволили осуществить термовакуумные испытания макета пассивной системы терморегулирования космической обсерватории «Миллиметрон» с применением жидкого гелия. Описаны цели и задачи тепловой отработки, результаты и предварительные рекомендации по разработке квалификационного рабочего места испытаний.
Ключевые слова: космическая обсерватория «Миллиметрон», термовакуумные испытания, термобарокамера, жидкий гелий.
THE SPACE OBSERVATORY "MILLIMETRON". THERMOPHYSICAL MODEL OF THE THERMAL CONTROL PASSIVE SYSTEM. SOME ASPECTS OF THE THERMAL VACUUM TESTS WITH LIQUID HELIUM
A. Yu. Vshivkov, E. N. Golovenkin, O. V. Shilkin, E. Yu. Bakurov
JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: Avshivkov@iss-reshetnev.ru
The solutions that allow the thermal vacuum test of the thermal regulation passive system model of the Space Observatory "Millimetron" with liquid helium is presented. The goals and objectives of the thermal test, results and preliminary recommendations for the development ofplace qualification tests are described.
Keywords: the space observatory "Millimetron", thermal vacuum tests, thermal vacuum chamber, liquid helium.
Диапазоны миллиметровых, субмиллиметровых и инфракрасных волн являются уникальными для астрономических исследований. Именно в этом электромагнитном диапазоне расположен максимум реликтового излучения: единственного излучения, сохранившегося со времен начального взрыва нашей Вселенной. Единственный способ проведения полноценных и широкомасштабных исследований межзвездной среды, компактных объектов Галактик, массивных черных дыр, мазеров, пульсаров и других процессов и объектов от 2 = 1100 до 2 = 7 в силу невозможности наземной интерферометрии возможен с применением космической обсерватории «Миллиметрон»
Для решения поставленных научных задач телескоп обсерватории «Миллиметрон» должен обладать предельной чувствительностью, для обеспечения которой требуется большая собирающая площадь и глубокое охлаждение зеркальной системы и приемной аппаратуры. Задача охлаждения космического телескопа (КТ) решается с использованием нескольких систем охлаждения: пассивной, состоящей из нескольких экранов и служащей для защиты КТ от теплового воздействия Солнца и Земли, минимизируя при этом их тепловое воздействие, и активной, состоящей из криомашин и обеспечивающей заданный
температурный режим: основных элементов КТ до температур порядка 20 К; зеркальной системы до температур порядка 4,5 К; детекторов до температур порядка долей К.
Высокие требования, предъявляемые к конструкции космического телескопа по точности и охлаждению зеркал, а также высокие требования к наведению и стабилизации обсерватории определяют необходимость разработки и создания специализированных комплексов для определения характеристик материалов, а также проведения предварительных оценочных термовакуумных испытаний (ТВИ) образцов возможных компоновочных решений при создании принципиальной схемы КТ.
Для проведения таких оценочных термовакуумных испытаний в ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Ре-шетнева был разработан и изготовлен теплофизиче-ский макет пассивной системы охлаждения центрального зеркала (ЦЗ). Ввиду заявленных требований по габаритам КТ макет для проведения экспериментальных исследований был изготовлен в масштабе 1:10 к реальному. Для выполнения требований теплового режима основных элементов КТ термовакуумные испытания было принято проводить с применением жидкого гелия, который позволил бы обеспечить необходимую температуру на зеркальной системе.
Решетневские чтения. 2014
Принципиальная схема термовакуумных испытаний
ТВИ проводились на базе ОАО НПО «Молния», г. Москва, по предварительно разработанной программе и методике и решали следующие задачи:
- оценка идеологии построения пассивной системы охлаждения космической обсерватории «Милли-метрон» с учетом геометрической формы и количества экранов;
- верификация математической модели радиаци-онно-кондуктивного теплообмена между элементами конструкции экранов и элементами силовых конструкций трансформируемых механических систем;
- проверка соответствия температур элементов конструкции требованиям технического проекта при имитации предельных значений внешних тепловых потоков при функционировании КТ в точке Ь2 (точка Лагранжа);
- отработка методов и алгоритмов проведения термовакуумной отработки с применением жидкого гелия;
- определение необходимости и разработка рекомендаций по корректировке технической документации на тепловые схемы элементов системы пассивного охлаждения;
- определение необходимости и разработка рекомендаций по корректировке математической модели на тепловые схемы элементов системы пассивного охлаждения.
Принципиальная схема испытаний показана выше (см. рисунок).
Испытания были реализованы в два этапа, согласно логике функционирования КТ. Первый ввиду до-
роговизны жидкого гелия заключался в предварительном захолаживании криогенных экранов термобарокамеры до азотных температур и непрерывной их поддержке до проваливания образца до максимально низких температур. На втором этапе в гелиевый криоэкран подавался жидкий гелий до достижения стационарных значений на имитаторе ЦЗ и защитных тепловых экранов, после чего на имитатор Солнца подавалась мощность, соответствующая нахождению аппарата в заданной точке Ь2 до достижения стационарных значений температур по образцу.
В результате испытаний без имитатора Солнца удалось опустить температуру на ЦЗ ниже 14 К. Последующее включение Солнца и выдержка на стационарном режиме выявило наиболее чувствительные зоны притечек тепла по трансформируемой конструкции. Были выданы соответствующие рекомендации по полномасштабному исследованию применяемых материалов в части определения теплофизических, термооптических и прочностных свойств в диапазоне температур от 50 до 4,5 К, а также исходные данные для проработки возможностей совершенствования несущей конструкции и изоляционных материалов.
В качестве рекомендаций к рабочему месту с жидким гелием можно выделить следующие:
- в отличие от ТВИ космических аппаратов хозяйственного назначения, где температуру имитатора космического окружения можно поддерживать на уровне 85 К без значимой погрешности (из-за температурных условий функционирования КА, близких к нормальным), отработку систем КТ «Миллиметрон»
нужно проводить в условиях, близких к температуре реликтового излучения 2,73 К, с учетом УФ, видимого и ИК-излучения от других объектов Вселенной. Следовательно, ТБК с рабочим местом для гелиевых испытаний должно быть полностью автономным, т. е. с циклом регенерации хладагента, и обеспечивать окружающую среду с температурой, близкой к реликтовому излучению. По грубым расчетам, это позволит убрать паразитные теплопритоки около 2 Вт/м2;
- для имитации внешних теплопритоков нужно разработать прецизионную систему подачи мощности на объект испытаний (ИСИ, ИК-излучатели) с высоким процентом равномерности плотности теплового потока, чтобы с высокой точностью оценить параметры конструктивно сложного объекта испытаний;
- при разработке гелиевых криогенных экранов, как стационарных, так и сложной формы, нужно учесть, что космическое пространство есть теплообменник с бесконечной теплоемкостью, а значит, количество снимаемой тепловой мощности с объекта испытаний должно идти непрерывно согласно законам радиационного теплообмена с бесконечной сферой;
Эти и многие другие аспекты должны быть максимально учтены при разработке комплекса для проведения испытаний на уровне температур жидкого гелия. Экспериментальные термовакуумные исследования космической обсерватории «Миллиметрон» в таком случае перейдут на качественно более высокий уровень.
© Вшивков А. Ю., Головенкин Е. Н., Шилкин О. В., Бакуров Е. Ю., 2014
УДК 621.71
ЗАЗОР В РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ДНИЩАХ
Б. А. Евтушенко
ОАО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29
E-mail: kras@krasmail.ru
Приводятся необходимые для проектирования разделительных днищ экспериментальные данные о величине зазора между элементами разделительных днищ.
Ключевые слова: днище, зазор.
BACKLASH IN DIVIDING AFT HEADS
B. A. Evtushenko
JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant» 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. E-mail: kras@krasmail.ru
Necessary for designing dividing aft heads the experimental data of the backlash size between the elements of dividing aft heads are given.
Keywords: aft head, backlash.
1. Основной задачей при проектировании изделий ракетно-космической техники является уменьшение их массы и габаритных размеров при заданных параметрах полезной нагрузки.
Применительно к собственно ракетной технике одним из решений данной задачи является уменьшение «сухого» отсека между топливными баками ступени, что в предельном случае сводится к применению разделительного днища между компонентами, располагаемыми в едином топливном баке [1; 2].
Однако при подобном подходе первостепенной становится задача обеспечения герметичности этого днища, особенно в случае самовоспламеняемых компонентов при длительном хранении ракеты в заправленном состоянии.
Для исключения потери герметичности разделительное днище проектируют двойным: собственно
разделительное днище - силовое, способное выдерживать нагрузки от наддува баков, и связанная с ним (как правило, сваркой) мембрана, создающая сухой отсек (межбаковую полость), обеспечивающий возможность газоанализа или откачки паров компонентов до ремонта ракеты.
Основным недостатком мембраны является её малая несущая способность (не более десятой доли технической атмосферы) при необходимости обеспечения ненулевого зазора, т. е. зазор должен быть таким, чтобы обеспечивать полное прилегание мембраны при давлении наддува к силовому днищу в области упругих деформаций.
2. Особенностью определения оптимального зазора является факт наличия его минимального ненулевого значения, в большей мере зависимый от технологии изготовления. Наиболее важными технологиче-
