Тепловакуумные (термовакуумные) испытания

Термовакуумные испытания являются одним из главных этапов наземной отработки системы терморегулирования и космического аппарата в целом. Целью термовакуумных испытаний является подтверждение теплового состояния аппарата и расчетных теплофизических характеристик системы терморегулирования в условиях, близких к эксплуатационным, а также подтверждение соответствия разработанной тепловой математической модели космического изделия [7]. Основным требованием к термовакуумным испытаниям является имитация условий штатного функционирования аппарата. При анализе результатов испытаний регистрируемые температурные параметры проверяются на соответствие с допустимыми значениями. Термовакуумные испытания проводятся на специально оборудованных испытательных комплексах, обеспечивающих имитацию внешних тепловых факторов, воздействующих на космический аппарат при орбитальном функционировании. Одним из базовых и наиболее сложных элементов таких комплексов является имитатор солнечного излучения, имитирующий солнечное воздействие на космический аппарат при орбитальном функционировании.

При тепловакуумных испытаниях изделия или его фрагментов (для активных систем терморегулирования) решаются следующие задачи:

- проверка соответствия температур элементов конструкции изделия и его бортовой аппаратуры требованиям технического задания (Т3) на СТР, а также требованиям ТЗ, ТУ (технических условий) и ИД (исходных данных) на бортовую аппаратуру при имитации предельных значений внешних тепловых потоков и тепловыделений;

- определение температурных полей по внешним элементам конструкции изделия;

- исследование теплового режима элементов изделия в предполагаемых нештатных режимах;

- определение необходимости и разработка рекомендаций по корректировке технической документации на тепловые схемы внешних элементов и приборов КА;

- верификация математической тепловой модели СТР КА:

- проверка соответствия фактических значений параметров СТР требованиям ТЗ на СТР;

- определение динамических характеристик и устойчивости процессов терморегулирования в жидкостном контуре СТР в различных режимах функционирования;

- проверка расходонапорных характеристик жидкостного контура СТР;

- отработка методики заправки гидротракта СТР;

- определение резервов хладопроизводительности СТР КА.

Барокамера — сосуд (камера) или помещение, выполненное обычно из металла. Имеет возможность герметизации и создания внутри камеры давления большего (гипербарические барокамеры) или меньшего (гипобарические барокамеры), чем атмосферное.

Виды барокамер:

Гипобарические камеры: гипобарические камеры используются в медицине для лечения ряда заболеваний и для моделирования ситуаций нахождения человека на большой высоте (лётчики, альпинисты, парашютисты, космонавты и т. д.).

Гипербарические камеры: гипербарические камеры используются в медицине для оксигенобаротерапии при различных заболеваниях, лечения декомпрессионной болезни у водолазов, моделирования ситуаций нахождения человека при большем, чем атмосферное, давлении, тренировки аквалангистов и водолазов. Давление в них могут поднимать до 6 бар в целях терапии. Последние достижения медицины позволили создать портативные барокамеры на одного пациента, в которых давление поднимают на 0,3—0,5 бар выше атмосферного.

Декомпрессионные камеры: декомпрессионная камера — вид барокамеры, используемый при водолазных работах, позволяющий проходить последние (самые продолжительные) декомпрессионные остановки на поверхности, а не под водой. Это позволяет водолазам уменьшить риски для здоровья, связанных с переохлаждением или опасными условиями.

На рисунке 4.3 показано поперечное сечение термобарокамеры ТБК-120 и элементы общей технологической оснастки, на которую устанавливается испытываемое оборудование (космические аппараты и их модули) для проведения испытаний их систем терморегулирования.

Рисунок 4.3 Поперечное сечение ТБК120.

Вакуумный насос — устройство, служащее для удаления (откачки) газов или паров до определённого уровня давления (технического вакуума).

Вакуумные насосы классифицируют как по типу вакуума, так и по устройству. Область давлений, с которой имеет дело вакуумная техника, охватывает диапазон от 10⁵ до 10⁻¹² Па. Степень вакуума характеризуется коэффициентом Кнудсена {\displaystyle Kn}Kn, величина которого определяется отношением средней длины свободного пробега молекул газа к линейному эффективному размеру вакуумного элемента Lэф. Эффективными размерами могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами прибора.

Вакуумные насосы по назначению подразделяются на сверхвысоковакуумные, высоковакуумные, средневакуумные и низковакуумные, а в зависимости от принципа действия — на механические и физико-химические. Условно весь диапазон давлений для реальных размеров вакуумных приборов может быть разделён на поддиапазоны следующим образом:

· Низкий вакуум

λ << Lэф

Kn ≤ 5⋅10⁻³

Давление 10⁵…10² Па (10³…10⁰ мм рт. ст.)

· Средний вакуум

λ ≥ Lэф

5⋅10⁻³ < Kn <1/3

Давление 10²…10⁻¹ Па (10⁰…10⁻³ мм рт. ст.)

· Высокий вакуум

λ > Lэф

Kn ≥ 1/3

Давление 10⁻¹…10⁻⁵ Па (10⁻³…10⁻⁷ мм рт. ст.)

· Сверхвысокий вакуум

λ >> Lэф

Kn >> 1/3

Давление 10⁻⁵ Па и ниже (10⁻⁷…10⁻¹¹ мм рт. ст.)

 

Рисунок 4.4 Классификация насосов по конструктивному признаку:

Для проведения тепловых испытаний на Земле в специальных барокамерах воспроизводятся некоторые условия космического пространства, прежде всего давление, температура и солнечная радиация.

В полной мере имитация этих условий сложна, поэтому на практике обычно ограничиваются той или иной степенью приближения. Так, например, уже при давлении (10-8¸10-10) кгс/см2 теплопроводность газов становится пренебрежимо малой и ею можно пренебречь.

Отвод тепла от космического аппарата в окружающую среду в этом случае будет происходить так же, как и в космосе – только излучением. Температура космического пространства с достаточной для практических целей точностью имитируется путем охлаждения внутренних стенок (экранов) барокамер жидким азотом (77 К). Изнутри эти экраны покрывают специальными покрытиями, обеспечивающими степень их черноты, близкую к единице. Это делается для того, чтобы излучаемый объектом тепловой поток поглощался стенкой, а не отражался ею обратно на объект. Вообще говоря, ряд специалистов считает, что имитация истинных условий космоса, возможно, никогда не будет достигнута, но любая степень приближения к ним стоит затраченных усилий. Однако на практике всегда ограничиваются разумной степенью приближения, определяемой некоторым пересечением технической осуществимости и экономической целесообразности создания наземных экспериментальных установок.

Поддержание необходимого уровня вакуума в больших камерах путем увеличения скорости откачки с помощью насосов становится технически сложным, и поэтому решение этой задачи пошло по другому пути – с помощью криогенной откачки.

Молекулы остаточного газа, попадая на эти панели, «замораживаются», что приводит к понижению давления в камере. Криогенные панели размещаются в пространстве между другим экраном, охлаждаемым жидким азотом.

Если учесть, что мощность лучистого потока велика (например панели, расположенные непосредственно против имитатора Солнца, должны воспринимать до 2∙103 Вт/м2 прямого "солнечного" излучения и еще примерно 330 Вт/м2 дополнительных теплопритоков), становится ясной необходимость экранирования криопанелей защитными азотными экранами.

Естественно, такие экраны затрудняют проникновение молекул к конденсирующей поверхности и снижают скорость откачки газа. Однако во многих случаях уменьшение теплового потока к конденсатору, который имеет очень низкую температуру, значительно важнее соответствующего снижения быстроты откачки. Было предложено большое количество экранированных систем, в которых достигается разумный компромисс между требованиями снижения тепловой нагрузки па конденсирующие элементы и быстротой откачки.

В большинстве случаев теплозащитный экран, охлаждаемый жидким азотом, выполнен в виде ряда шевронных профилей, образующих оптически непрозрачную систему, которая имеет проводимость порядка 0,25. Увеличение проводимости и, следовательно, коэффициента захвата до значений, близких 0,4, при одновременном уменьшении габаритов по толщине системы защитный экран – криопанель может быть достигнуто путем расположения конденсирующего элемента внутри шевронного профиля, как это показано на рисунке 4.5. При этом шевронная решетка может быть даже оптически прозрачной.

Рисунок 4.5 Ячейка криовакуумного насоса

1 – криопанель, 2 – теплозащитный экран шевронного типа

Расчет теплозащитных характеристик такой конструкции показал, что основным фактором, влияющим на величину тепловой нагрузки, достигающей конденсирующих элементов, является не геометрия ячейки, а степень черноты теплопоглощающих поверхностей экрана. Для степени черноты конденсирующей поверхности 0,8 доля тепловой погрузки, воспринимаемая ею при различной степени черноты поверхности шеврона, охлаждаемого жидким азотом, приведена ниже.

Таблица 4.1 Доля тепловой нагрузки для степеней черноты.

Присутствующие в откачиваемом объеме СО2 и пары воды, вымораживаясь на азотных экранах, могут снизить их степень черноты существенно, особенно для лучистой энергии видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн. Уменьшить этот нежелательный эффект можно путем использования оребренных экранов, либо экранов, выполненных наподобие сот.

Таблица 4.2 Характеристики азотных экранов различных типов

 

Как отмечалось выше, при повышении рабочего давления крионасоса основным назначением экранов может стать не защита конденсатора от попадания на него теплового излучения, а предварительное охлаждение потока откачиваемого газа. Осуществляя молекулярный режим течения газа через элементы оптически непрозрачного экрана, мы тем самым достигаем достаточно эффективного его охлаждения, так как каждая из молекул, прошедших через экран, имеет не менее одного столкновения с холодной поверхностью экрана. Для того, чтобы эффективность охлаждения не снижалась при повышении давления газа, необходимо пропорционально уменьшать поперечные размеры каналов в экране.

В завершение параграфа, приведём пример реальные тепловаккумных испытаний: испытания СТР на поддержание температуры всех компонентов РАТ не выше + 80 °С для условий «перегрева».

Условия на начало испытания: давление в камере продолжает поддерживаться на уровне не более 1*10^-4 мм. рт. ст., температура криогенных экранов – минус (170±10) °С, температура опорной подставки – минус 20°С. Внешний тепловой поток отсутствует.

Далее, температура опорной подставки была повышена до значения + 50 °С. Внешний тепловой поток обеспечивался имитаторами тепловых экранов (инфракрасное излучение) со стороны максимального миделя объекта испытаний на уровне S_o= 1440 Вт/м². Ниже, на рисунке 4.6 показана фотография макета РАТ в камере засвеченная ВТП при таком уровне. Видно, как в правой части фотографии ярко светится лампа ИТП и как свет отражается от радиационных поверхностей и внешнего слоя экранно-вакуумной теплоизоляции, укрывающей торсовый блок. Мощность, подаваемая на НГ1-НГ5 полностью была отключена.

К 15-00, как видно из графиков на рисунке 4.7, почти все температуры вышли на стационарные значения. После достижения стационарных значений температуры по ОИ, манипулятор ОИ начал совершать монотонные движения в автоматическом режиме по заданной циклограмме при условии имитации выполнения максимальной работы. 

Рисунок 4.6 Испытание системы терморегулирования в условиях перегрева

В результате, как видно из рисунка 4.7, к 22-00 температура по макету РАТ достигла максимальных значений и стабилизировалась на уровне от 49 до 64 °С. Поскольку эти значения температура меньше значения 80 °С, на основании программы и методик был сделан вывод, что СТР выдержала данный вид испытаний.

В итоге объект исследовательских испытаний – система терморегулирования макета РАТ считается выдержавшей все испытания.

 

t, час

T, °С

Рисунок 4.7 Графики стабилизации температур при общей мощности нагревателей 41 Вт.