Выбор способа охлаждения криоагента ниже температуры кипения при проектировании криогенного испытательного оборудования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов

УДК 629.78.01

Н. В. Батуров

ОАО «Красноярский машиностроительный завод», Россия, Красноярск

ВЫБОР СПОСОБА ОХЛАЖДЕНИЯ КРИОАГЕНТА НИЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КРИОГЕННОГО ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Описаны основные подходы к выбору способа охлаждения криоагента ниже температуры кипения. Рассмотрено влияние выбора криоизоляциии на процесс охлаждения.

Спроектированное криогенное оборудование для испытания узлов космических летательных аппаратов должно обеспечивать условия испытаний, заложенных в конструкторской документации, в том числе и испытаний в жидких криоагентах в недогретом состоянии. Использование жидкого криоагента в недог-ретом состоянии требует затрат энергии на охлаждение ниже температуры насыщения, поэтому при проектировании необходимо правильно выбрать способ охлаждения и оборудование для реализации выбранного способа охлаждения.

Для сравнительно небольших узлов космических летательных аппаратов наиболее целесообразно использовать охлаждение вакуумированием парового объема над зеркалом жидкости. Данный способ не требует сложного оборудования, больших капитальных и эксплуатационных затрат. Охлаждение жидкого криоагента при вакуумировании парового пространства над зеркалом жидкости обусловлено ее испарением, поэтому процесс охлаждения описывается простыми балансными соотношениями.

Если принять, что жидкий криоагент находится в термодинамическом равновесии с отводными парами, то получим уравнение, определяющее количество испарившейся жидкости и тепловой баланс:

Ос. йТ = гйО, (1)

где О - масса криоагента; с. - удельная теплоемкость криоагента; йТ - понижение температуры; йО - масса испарившегося криоагента; г - теплота испарения.

Если записать уравнение (1) в виде

| йО = Г С. йт, ] О 3 г

получим

1

1п(О0 / О) = Г ^ йт,

з V

(2)

(3)

где О0 и Т0 - начальные масса и температура криоа-гента; О и Т - текущие их значения.

Для расчета по формуле (3) нашли зависимости от температуры с. и г в справочной литературе и выполнили численное интегрирование. При приближенном расчете принимаем среднее значение с., а теплоту испарения аппроксимируем зависимостью

г / г1 =

' 1 -т^38

где т = Т / Ткр; индекс 1 относится к состоянию при

атмосферном давлении.

Подставив эти значения в (3) и проинтегрировав его, получаем

1п О = 5.(1 -т г ■ Т

0,38 ^,0,38 кр

О0 0,62т

/ \0,62 / ч0 (Ткр - Т) -(Ткр - Т0 )

(5)

1 -т1

(4)

Рассмотренные зависимости относятся к идеализированному процессу без учета потерь. Реальный процесс вакуумирования происходит при наличии ряда потерь, основные из которых связаны с неравновесностью процесса испарения, гидросопротивлением на линии вакуумирования и теплопритоками.

Весьма существенны потери от неравновесности процесса испарения. При откачке температура паровой фазы и поверхностного слоя жидкости Т ниже среднемассовой температуры Тж жидкости. Жидкость как бы перегрета относительно паровой фазы на ДТ = Тж - Т и внутри объема не успевает следовать за изменением поверхностного слоя. В результате давление в паровой полости оказывается ниже равновесного давления при температуре жидкости, соответственно ниже и плотность откачиваемых паров. В итоге производительность системы уменьшается и время вакуумирования увеличивается.

Для уменьшения потерь от неравновесности процесса испарения в конструкцию испытательного оборудования установлен механизм, позволяющий искусственно разрушать поверхностный слой жидкости.

Гидросопротивление магистрали откачки приводит к уменьшению количества откачиваемых паров, так как давление перед вакуумным насосом ниже, чем над зеркалом жидкости. Теплопритоки определяют конструкцией криостата и качеством теплоизоляции.

При понижении температуры теплопроводность уменьшается в 1,5...2 раза примерно по линейному закону. Такой же линейный закон характерен для зависимости 1 от плотности.

Теплоприток, Вт, через изоляцию определяют по формуле

е=(1 / 5) ■ ^ ■ т - тх), (6)

где 5 - толщина изоляции, м; Т0 и Тх - температура окружающей среды и холодной полости;

1 = 1,4 ■Ю-3 Т1/2 О-1.

Решетневскце чтения

Средняя эффективная площадь, м2, определяется по формуле

Кр , (7)

где К0 и ¥х - площади соответственно теплой и холодной поверхностей изоляции.

Формулы (6) и (7) применимы для различных геометрических поверхностей - плоского, шарового и цилиндрического слоев.

Правильный выбор способа охлаждения криопро-дукта и криоизоляции позволяет обеспечить наиболее стабильный и устойчивый режим работы криогенного оборудования за счет уменьшения теплопритоков, а также выполнение условий испытания и повышение достоверности измеряемых параметров внутри криогенного оборудования за счет снижения пульсирующих колебаний криоагентов.

N. V. Baturov

JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant», Russia, Krasnoyarsk

SELECTION OF CRYOGENIC AGENT COOLING BELOW BOILING TEMPERATURE AT OF CRYOGENIC TEST EQUIPMENT

The article is devoted to basic approaches for method selection of cryogenic agent cooling below boiling temperature and influence of cryogenic insulation selection on cooling process.

© EaTypoB H. B., 2011

УДК 629.7.01

Т. Ю. Бобылев, И. Н. Захарова, В. В. Христич

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ТЕПЛОВАКУУМНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМИ ПОТОКАМИ

Рассмотрены вопросы повышения точности, эргономики, качества измерения и управления тепловыми потоками при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов в термобарокамере. Улучшение вышеприведенных характеристик было произведено путем создания автоматизированной системы управления тепловыми потоками.

Тепловакуумные испытания (ТВИ) - это испытания, целью которых является экспериментальная отработка теплового режима, тепловых схем элементов космического аппарата (КА) и подтверждение температурных требований по элементам его конструкции и оборудования.

Для создания определенных температурных условий при таком виде испытаний необходимо управлять непрерывными медленно меняющимися процессами теплового обмена элементов конструкции КА в вакууме. Частным случаем такого управления является регулирование тепловых потоков, которое в общем случае сводится к поддержанию определенных температур с помощью нагревательных элементов и криогенных экранов на КА [1].

Для выполнения задач ТВИ необходимо соблюдение теплофизических характеристик космической среды, для чего испытания проводятся в специальных наземных испытательных комплексах, основой которых является термобарокамера (ТБК).

На КА устанавливается около 400 датчиков измерения температуры. Для создания необходимого теплового режима применяют нагревательные элементы в количестве до 100. При этом расположение как дат-

чиков, так и нагревательных элементов от одного испытания к другому меняется, и в целом - достаточно непредсказуемо.

В современных испытаниях задействуется коллектив в количестве от 5 человек, выполняющих ручное регулирование и контроль системы теплового баланса внутри термобарокамеры. Контроль температуры должен вестись в пределах 3 оС.

До недавнего времени измерение и контроль температуры, управление мощностью имитатора теплового потока (ИТП) на испытуемым объекте производились с помощью следующих устройств: компенсационных самопишущих мостов КСМ и тиристорных усилителей У-13. Данные виды устройств позволяли регистрировать (КСМ) и управлять мощностью, подаваемой на нагревательные элементы (У-13). Точность КСМ позволяла фиксировать температуру в пределах 2 оС, а управление мощностью ИТП через У-13 производилось при помощи потенциометра, что фактически означает управление по аналоговому принципу.

Проведенные научно-технические расчеты показали, что для выполнения задач производства недостаточно простого обновления аппаратной базы, например, установления устройства более высокой точно-