Термовакуумные испытания на уровне гелиевых температур элементов космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения

УДК 629.7

ТЕРМОВАКУУМНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА УРОВНЕ ГЕЛИЕВЫХ ТЕМПЕРАТУР ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

А. Ю. Вшивков*, А. В. Хахленков, Ю. М. Иванова

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 *E-mail: Avshivkov@iss-reshetnev.ru

Рассматриваются проблемы и перспективы вопроса построения рабочего места - криотермовакуумной установки для испытаний изделий космической техники на гелиевом уровне температур. Представлен перечень решаемых вопросов для формулировки требований к разработке гелиевых термовакуумных камер.

Ключевые слова: криотермовакуумная камера, гелий, космический аппарат.

SPACECRAFT ELEMENT THERMAL VACUUM TEST AT HELIUM THEMPERATURE LEVEL

A. Yu. Vshivkov*, A. V. Khakhlenkov, Yu. M. Ivanova

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

*E-mail: Avshivkov@iss-reshetnev.ru

The research considers problems and perspectives of the construction of cryo thermal vacuum workplace to test spacecraft products at the helium temperature level. It represents a list of issues to be resolved to formulate the requirements to develop helium thermal vacuum chambers.

Keywords: Cryo thermal vacuum chamber, helium, spacecraft.

Криотермовакуумные установки (КТВУ) широко используются в испытаниях космической техники для моделирования космических условий полета и функционирования, а также подтверждения тактико-технических характеристик составных частей КА, приборов и вспомогательного оборудования, работающих при низких и сверхнизких температурах.

Задача таких испытаний - проверка работы аппаратуры и узлов в реальных космических условиях, обеспечивая реальные проектные температуры; определение теплофизических параметров отдельных частей и элементов космического аппарата, определение прочностных характеристик, а также проверка специального оборудования и корректировка различных систем космического аппарата (КА). Испытания проводятся в вакуумных камерах, в которых создаются условия пониженного давления и широкого диапазона температур, которыми характеризуется окружающая среда в космосе или условия работы специальной аппаратуры. Такие испытания проводятся на разных стадиях проектирования космических аппаратов, оборудования и различных систем.

Традиционная термобарокамера для проведения наземной экспериментальной отработки представляет собой герметичную конструкцию с вакуумными насосами и размещенными внутри криоэкранами. Крио-экраны предназначены для охлаждения и регулирования теплового режима размещенного в ней объекта испытаний, съема выделяемой внутри КТВУ тепловой нагрузки от приборов и имитаторов излучения, вымораживания остаточного газа и продуктов дегазации

и играют роль щита, блокируя излучение теплой стенки обечайки. По сути криоэкраны представляют собой радиационные теплообменники с использованием жидкого азота.

Конструирование камер для испытаний в температурных условиях ниже 80 К представляет собой достаточно сложную инженерную и научную задачу.

Использование криоагентов с температурой кипения ниже 80 К, таких как жидкий кислород, водород, неон и гелий или применение криокулеров замкнутого типа влечет за собой существенные финансовые и временные затраты, связанные с технологией их применения, физико-техническими свойствами материалов и веществ, и стоимостью энергоносителей [1; 2].

Перед тем как выпустить проект и сформулировать основные конструктивные требования к крио-термовакуумной установке, работающей на уровне температур ниже азотного, прежде всего, необходимо ответь на ряд вопросов:

- какой температурный интервал работы криотер-мовакуумной установки, требования по обеспечению теплового состояния объекта;

- каковы габаритные характеристики наибольшего из планируемых объектов испытаний;

- какова максимальная разовая продолжительность проведения испытаний в требуемых температурных условиях;

- каковы условия выхода на режим объекта исследований, темп охлаждения или нагрева, величина теплосъема, внутренние тепловыделения;

Решетневскуе чтения. 2017

- является ли требуемым поддержание определенной температуры на объекте исследований или есть необходимость провести испытания в каком-либо узком или широком интервале температур;

- каковы требования распределения температуры по экранам-холодильникам и максимальные отклонения ее поддержания в зависимости от величины тепловой нагрузки;

- какая «среда обитания» исследуемого образца -вакуум или допускается присутствие газообразного или жидкого криоагента в полости камеры в подрежимах, требования к поглощающей способности стенок экранов и т. д.;

- какой объем и какое количество средств измерения и управления будет использоваться при проведении испытаний объекта

- какие дополнительные устройства необходимо ввести в камеру, то есть, что необходимо из элементов испытательной оснастки, какие требуются системы измерения, нужны ли специальные окна для ввода лазерного, теплового излучения или другого рода;

- нужно ли в процессе исследований проводить механические движения объекта во время исследований (вибрационные колебания, акустические воздействия, вращение и т. д.).

Только получив ответы на эти вопросы, большинство которых для каждого случая однозначны, можно приступить к проектированию соответствующей криотермовакуумной установки.

С точки зрения основополагающих законов термодинамики и тепломассообмена, любая базовая модель термобарокамеры теоретически сможет функционировать, например, на уровне гелиевых температур при разрешении паразитной составляющей теплопритоков и их нивелировании. Основная задача проектировщика таких систем будет сводиться к определению оптимального баланса между затратами энергии и времени на достижение требуемых рабочих условий

термобарокамеры и объекта исследований, и рациональностью применяемых технических решений.

За основу для разработки базисных решений крио-термовакуумных установок можно принять только существующие в природе основополагающие законы передачи массы и энергии. Отвести или подвести тепловую энергию к телу можно только тремя способами: путем теплопередачи от горячего к холодному за счет разницы температур, действующих на тело (закон Фурье); конвективным способом за счет омы-вания тела потоком жидкости (закон Ньютона-Рихмана) и за счет взаимного излучения.

Разработка рабочего места для проведения наземной термовакуумной отработки должна выполняться исходя из будущих потребностей, которые определяются на этапе планирования, так как универсальности требований и задач для гелиевого уровня не существует.

Для каждого конкретного гелиевого рабочего места и самого процесса проведения испытаний на нем с учетом типа объекта исследований потребует разработки своих расчетных методик для определения параметров теплообмена и необходимости конструктивного уточнения множества элементов.

References

1. Tuttle J., DiPirro M., Canavan E. Thermal properties of double-aluminized kapton at low temperatures: NASA Goddard Space Flight Center. Electronic textbook StatSoft. URL: https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R= 20080045503 (accessed: 16.08.2017).

2. Electronic textbook StatSoft. Available at: http:// www.shicryogenics.com (accessed: 15.08.2017).

© Вшивков А. Ю., Хахленков А. В., Иванова Ю. М., 2017