Установки термостатирования для наземных испытаний космических аппаратов

При тепловых и электрических испытаниях КА всегда возникает необходимость отвода тепла, выделяемого работающим приборно-агрегатным оборудованием испытываемого объекта. В условиях полета это тепло отводится бортовой системой терморегулирования и сбрасывается в окружающее космическое пространство через излучательный радиатор КА. Поэтому на всех этапах электрических и тепловых испытаний бортового оборудования КА всегда присутствуют системы воздушного или жидкостного термостатирования — с их помощью отводится избыточное тепло от испытываемого аппарата.

Установки жидкостного наземного термостатирования для испытаний КА

Во время тепловых испытаний объекта, помещенного в вакуумную камеру, тепловыделение от работающего приборно-агрегатного оборудования снимается с помощью бортовой системы терморегулирования и передается через промежуточный теплообменник на установку жидкостного термостатирования. Учитывая, что эта установка находится снаружи вакуумной камеры, а сам объект испытаний внутри, гидравлическая связь бортовой системы терморегулирования и установки жидкостного термостатировная осуществляется по шлангам через гидроразъемы в стенке вакуумной камеры.

Для этих целей ООО «Фриготрейд» была изготовлена установка жидкостного термостатирования FWA 4-МТ, обеспечивающая отвод тепла от приборно-агрегатного оборудования КА во время проведения его тепловых испытаний в вакуумной камере. Эта установка позволяют подавать в испытываемый объект охлаждающую жидкость с расходом 0,18÷1,08 м³/ч, при этом поддержание заданной температуры охлаждающей жидкости и ее необходимого напора на выходе из установки осуществляется автоматически. Для этого жидкостный насос работает в паре с частотным преобразователем привода. Номинальная потребляемая мощность установки не более 4,0 кВт, при этом отводимая тепловая мощность во всем диапазоне температур  и расходов не менее 5,0 кВт. Установка рассчитана на круглосуточный режим работы при периодичности регламентного обслуживания установки при эксплуатации не реже 1 раза в год.

Рис.1. Установка жидкостного термостатирования FWA4-MT

Данный тип установок может использоваться и для термостатирования различного приборно-агрегатного оборудования при традиционных наземных электрических испытаниях как автономно, так и совместно с установками воздушного термостатирования.

Установки воздушного термостатирования для наземных испытаний КА

Традиционная схема воздушного термостатирования автоматических КА при наземных электрических испытаниях предполагает подачу низконапорного воздуха через единый воздуховод вдоль поверхностей теплосъема и равномерное распределение этого воздуха по внутреннему объему КА. Одним из существенных минусов такого подхода является невозможность перераспределения потока охлаждающего воздуха в зависимости от изменения топографии тепловыделяющих зон КА.

Увеличение тепловыделения бортовой аппаратуры в какой-либо отдельной зоне КА в процессе наземных испытаний требовало от установки наземного термостатирования увеличения общего расхода охлаждающего воздуха. И если это оправдано при наземных испытаниях крупногабаритных обитаемых орбитальных станций и пилотируемых КА, то при испытаниях небольших беспилотных, в том числе негерметичных КА различного назначения, использование таких больших установок становится нецелесообразным с точки зрения достоверности результатов испытаний и энергоэффективности.

Циклограмма работы различного бортового оборудования нового поколения негерметичных КА панельной компоновки с децентрализованной системой обеспечения теплового режима, в частности КА связи, потребовала размещения тепловыделяющего оборудования в отличающихся по тепловой нагрузке индивидуальных зонах терморегулирования. При наземных испытаниях, особенно с учетом работы бортовой аппаратуры в различных режимах, такой подход создает значительные сложности в случае использования традиционной схемы воздушного термостатирования для таких КА.

Для наземных тепловых и электрических испытаний негерметичных КА нового поколения, в том числе с панельной компоновкой оборудования, специалистами РКК «Энергия» был разработан метод зонального газодинамического термостатирования — каждый испытываемый КА условно делится на определенное количество термостатируемых зон с тепловыделяющим оборудованием с различным тепловыделением и требующим разных расходов охлаждающего воздуха.

Система для его реализации включает в себя установку подготовки и подачи термостатирующего воздуха (с необходимыми расходами, температурой и относительной влажностью) и соединенное с ней теплоизолированными воздуховодами воздухораспределительное устройство с соплами-форсунками. Разработка и изготовление партии таких установок была поручена специалистам ООО «Фриготрейд».

Нашими специалистами разработана установка УВТ FCA-5-TAG (рис.2), которая выполнена в виде мобильного моноблока, смонтированного на раме, разделенного внутри на нижнюю зону холодильной установки с конденсатором и компрессором и верхнюю зону обработки воздуха с воздухоохладителем, нагревателем и высоконапорным вентилятором.

Рис.2. Общий вид установки подготовки и подачи термостатирующего воздуха УВТ-FCA-5-TAG: 1 — зона обработки воздуха с воздухоохладителем, нагревателем и высоконапорным вентилятором; 2 — зона холодильной установки с конденсатором и компрессором

Для снижения теплообмена с окружающей средой и уровня шума при работе вентилятора на всех стенках зоны подготовки воздуха установлена теплозвукоизоляция. При работе холодильной установки температура теплообменной решетки воздухоохладителя поддерживается системой управления на уровне, обеспечивающем охлаждение и осушку термостатирующего воздуха до расчетных значений. Высоконапорный вентилятор создает разряжение в верхней зоне установки и поступающий воздух, проходя через воздухоохладитель, охлаждается, осушается, при необходимости подогревается электрическим нагревателем и попадает на вход вентилятора.

Воздух на термостатирование забирается из зала испытаний, а с учетом того, что испытания проводятся в зале с чистотой воздуха не ниже класса Р8 по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2002 и при температурах 20…25°С, установка воздушных фильтров не потребовалась. Окончательный подогрев воздуха до заданной температуры осуществляется внутри самого вентилятора за счет сжатия воздуха. В таких вентиляторах в зависимости от напора и расхода воздух может нагреваться на 4÷15°С относительно его температуры на входе, и это необходимо учитывать при расчете таких установок.

Установки УВТ FCA-5-TAG позволяют выдавать в приборные отсеки термостатируемых изделий воздух с параметрами, указанными в табл.1.

Таб.1. Параметры воздуха  на выходе из установки  УВТ-FCA-5-TAG

Указанные средненапорные установки успешно подтвердили свои характеристики при электрических наземных испытаниях негерметичных КА нового поколения, разрабатываемых в «РКК «Энергия». По отзывам специалистов этой организации разработанные установки термостатирования получились надежными, компактными и удобными в эксплуатации.

Необходимо отметить, что при использовании для наземного термостатирования средненапорных малорасходных установок для КА с панельной компоновкой приборно-агрегатного оборудования важно не только подать на оборудование поток воздуха с заданной температурой и расходом, но обеспечить равномерное или регулируемое поле скоростей в зоне термостатирования. Поэтому обязательным условием для таких установок является использование воздухораспределительных устройств, связанных с установкой комплектом теплоизолированных воздуховодов.

Специалистами РКК «Энергия» для указанных выше целей было разработано адаптируемое к геометрии объекта испытаний воздухораспределительное устройство для термостатирующего воздуха, представляющее собой пространственную конструкцию из жестких воздухораспределителей с встроенными в них соплами-форсунками. Равномерность подачи воздуха регулируется сменными дроссельными вставками внутри форсунок. Распыление воздуха производится через индивидуальные сопла-форсунки, закрепленные на определенном расстоянии друг от друга на жестком воздухораспределителе. Воздухораспределители объединяются с помощью коллектора в секции (рис.3) воздухораспределительного устройства.

Рис.3. Воздухораспределительная секция с распределенными соплами-форсунками

Изменяя длину каждого воздухораспределителя и количество секций воздухораспределительного устройства, а также проходные сечения сопел-форсунок можно легко переконфигурировать интенсивность охлаждения локальных зон приборных панелей КА. Совокупность секций воздухораспределителя образует воздухораспределительное устройство, разное для каждого КА.

Установки воздушного и жидкостного термостатирования, спроектированные и изготовленные ООО «Фриготрейд», обеспечивают с высокой точностью заданные параметры термостатирующей среды, подаваемой в объект испытаний в широком диапазоне тепловых нагрузок.

Отличительной особенностью установок являются их компактность, малое энергопотребление и низкий уровень шума при эксплуатации, что отражается также в минимальных финансовых затратах по сравнению с установками термостатирования традиционного типа.

Способ подготовки воздуха для газодинамической системы термостатирования КА и установка для его реализации защищены патентом РФ.

* * *

Велюханов В.И. и др. «Применение средненапорных установок воздушного термостатирования для охлаждения космических аппаратов панельной компоновки при наземных испытаниях», журнал «Известия Российской академии наук. Энергетика» №4, 2018г.

Велюханов В.И., Коптелов К.А. и др. Патент 2657603. Способ воздушного термостатирования отсеков КА при наземных испытаниях и устройство для его осуществления, приоритет от 31.06.2017г.

_______________________________________________________

ООО «ФРИГОТРЕЙД» предлагает:

• воздухоохладители для камер хранения и заморозки
• шок-фростеры для скороморозильных камер
• конденсаторы воздушного охлаждения
• сухие охладители жидкости (драйкулеры)
• испарительные батареи с естественной конвекцией
• специальные теплообменники по чертежам заказчика

129345 г.Москва, Осташковская ул., д.14
+7 (495) 787-2663, +7 800 505 05 42
post@frigodesign.ru
www.frigodesign.ru