Способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации

 

Изобретение относится к технике испытаний космических объектов. Согласно предложенному способу устанавливают систему в вакуумную камеру с криоэкранами, вакуумируют камеру до заданного значения и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полости криоэкранов. При этом контролируют температуру на изделии. Отличие способа от известных заключается в том, что после достижения заданного давления в вакуумной камере подают в нее поток инертного газа с температурой кипения ниже температуры кипения жидкого азота. Величину потока инертного газа выбирают исходя из производительности насосов вакуумной камеры. Поддерживая заданное давление, подачу потока инертного газа продолжают до момента достижения на изделии заданной температуры захолаживания. Изобретение позволяет сократить продолжительность испытаний системы с одновременным уменьшением расхода жидкого азота и энергозатрат.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к тепловакуумным испытаниям космических объектов, и может найти применение также в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к вопросам теоретических и экспериментальных исследований при отработке тепловых режимов.

При проведении тепловакуумных испытаний, например, такого космического объекта, как пилотируемый космический корабль, который во время штатной эксплуатации может иметь различные траектории полета и режимы работы аппаратуры, очень трудно реализовать многочисленные рабочие режимы, поэтому возникает необходимость воспроизвести экстремальные условия полета, одним из которых является создание предельно низких значений температур на объекте.

Известен способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающийся в том, что после установки системы космического объекта в вакуумную камеру камеру вакуумируют, одновременно начинают захолаживание криоэкранов, при достижении заданного давления начинают испытание системы (1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающийся в том, что устанавливают систему в вакуумную камеру, имеющую криоэкраны, вакуумируют камеру до заданного давления и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полости криоэкранов, и контролируют температуру на изделии (2). Этот способ принят за прототип.

Недостатком аналога и прототипа является то, что достижение предельно низких температур этими способами - это довольно длительный процесс и он связан с большими трудозатратами и энергозатратами, а именно: 1) большим расходом дорогостоящего жидкого азота при захолаживании; 2) длительным временем выхода на низкий температурный режим.

Кроме того, в отдельных случаях наступает равновесное состояние по теплообмену и температура на системе перестает понижаться, не достигнув заданного значения. Особенно сильно это сказывается при проведении испытаний крупногабаритных систем в камерах объемом 100 м³ и более.

Задачей изобретения является сокращение продолжительности испытаний системы космического объекта с одновременным уменьшением расхода жидкого азота и энергозатрат.

Эта задача решается за счет того, что в известном способе захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающемся в том, что устанавливают систему в вакуумную камеру с криоэкранами, вакуумируют камеру до заданного давления и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полости криоэкранов, контролируют температуру на системе, при этом после достижения заданного давления в вакуумной камере подают в нее поток инертного газа, величину которого выбирают исходя из производительности насосов вакуумной камеры и поддерживают вышеупомянутое заданное давление, при этом инертный газ имеет температуру кипения ниже температуры кипения жидкого азота, подачу потока инертного газа продолжают до момента достижения на системе заданной температуры захолаживания.

По сравнению с прототипом заявленное техническое решение позволяет значительно сократить время достижения экстремально низких температур и экономить жидкий азот, используемый при захолаживании криоэкранов, а также гарантированно добиваться понижения температуры на объекте испытаний до заданного значения.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом: - устанавливают испытываемую сиcтему в вакуумную камеру, имеющую криокриогенные экраны и вакуумируют ее с помощью вакуумных насосов до заданного давления (обычно до давления 10^-2110^-4 Па, которое обеспечивает чисто радиационный характер внешней теплопередачи); - одновременно с вакуумированием камеры захолаживают сиcтему, подавая жидкий азот в полости криоэкранов вакуумной камеры; - после достижения заданного давления в вакуумной камере в нее подают поток инертного газа, например гелий, величину которого выбирают исходя из производительности насосов вакуумной камеры, и поддерживают вышеупомянутое заданное давление, при этом инертный газ имеет температуру кипения ниже температуры кипения жидкого азота; - продолжают подачу потока инертного газа, контролируя температуру на системе до момента достижения на ней заданной температуры захолаживания.

При подаче дополнительного потока в вакуумную камеру увеличивается доля инертного газа в остаточной атмосфере вакуумной камеры, имеющего более высокую удельную теплоемкость, чем воздух (например, для гелия Ср=1,24 ккал/кгград, а для воздуха Ср=0,24 ккал/кгград), то есть увеличивается концентрация, в результате возрастает коэффициент теплопередачи, следовательно, повышается эффективность охлаждения испытываемой системы, которая захолаживается значительно быстрее до более низкой температуры.

В настоящее время способ находится на этапе экспериментальной отработки и проведенные эксперименты показали, что при проведении захолаживания одной из систем космического объекта в вакуумной камере объемом 350 м³ до температуры минус 110^oС по способу-прототипу было затрачено 86 часов и израсходовано около 12 тонн жидкого азота, а при проведении захолаживания по предлагаемому способу до температуры минус 110^oС было затрачено 68 часов и израсходовано 8,8 тонны жидкого азота.

Предлагаемое техническое решение позволяет добиться понижения температуры на испытываемом объекте до заданного значения и значительно сократить время испытаний, сэкономить энергоресурсы и уменьшить расход дорогостоящего жидкого азота.

Предлагаемый способ достаточно прост в эксплуатации и не требует разработки нового оборудования.

Литература 1. О. Б. Андрейчук, Н.Н. Малахов. "Тепловые испытания космических аппаратов", 1982, с.105.

2. Патент РФ 2172709, 2001.

Формула изобретения

Способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающийся в том, что устанавливают систему в вакуумную камеру с криоэкранами, вакуумируют камеру до заданного значения и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полости криоэкранов, контролируют температуру на изделии, отличающийся тем, что после достижения заданного давления в вакуумной камере подают в нее поток инертного газа с температурой кипения ниже температуры кипения жидкого азота, величину потока инертного газа выбирают исходя из производительности насосов вакуумной камеры, поддерживают вышеупомянутое заданное давление, подачу потока инертного газа продолжают до момента достижения на изделии заданной температуры захолаживания.