Применение средненапорных установок воздушного термостатирования для охлаждения космических аппаратов

Басов А.А.¹, Велюханов В.И.², Коптелов К.А.², Пациевский А.А.¹

¹Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия»)

Ул. Ленина, 4а, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru

² Общество с ограниченной ответственностью «Фриготрейд»

ул. Осташковская, 14, г. Москва, Российская Федерация, 129345,

email: post@frigodesign.ru

Статья посвящена задаче термостатирования – поддержания температурного режима – КА (космических аппаратов) панельного типа при проведении наземной отработки аппаратов, в том числе электрических и радиотехнических испытаниях. Предложена система газодинамического охлаждения, состоящая из средненапорной установки воздушного термостатирования, теплоизолированных воздуховодов и устройства воздухораспределения. Приведены результаты испытаний устройства воздухораспределения, изготовленного из радиопрозрачных материалов, осуществляющего распределение и подачу охлаждающего воздуха на объект испытаний. Результаты проведенных испытаний показывают, что использование предлагаемой системы газодинамического охлаждения позволяет выполнить задачу обеспечения теплового режима панельного КА при наземных испытаниях при существенно сниженных расходах подаваемого термостатирующего воздуха с использованием компактных и мобильных средненапорных установок, осуществляющих подготовку и подачу воздуха в воздухораспределитель. Разработанная система газодинамического охлаждения также является легко адаптируемой и может быть использована для термостатирования при проведении наземных испытаний перспективных панельных КА разработки РКК «Энергия».

Ключевые слова: наземное термостатирование, устройство воздухораспределения, панельный космический аппарат, тепловой режим, установка термостатирования.

APPLICATION OF AVERAGE-PRESSURE THERMOSTABILIZATION PLANTS FOR PANEL-BASED SPACECRAFT DURING ON-GROUND TESTS

Basov A.A.¹, Velyukhanov V.I.², Koptelov K.A.², Patsievskiy A.A.¹

¹S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia)

Lenin st., 4a, Korolev, Moscow Region, Russian Federation, 141070,

e-mail: post@rsce.ru

²Limited Company “Frigotrade”

Ostashkovskaya st., 14, Moscow, Russian Federation, 129345,

e-mail: post@frigodesign.ru

The paper refers to thermostabilization problem – maintaining thermal conditions–of the panel-based spacecraft during on-ground tests, including electrical and radiotechnical tests. Gas-dynamic system is being proposed, which consists of an average-pressure thermostabilization plant, thermal-isolated airways and air-distribution unit. Air-distribution unit testing results are showed. This unit is made of radiolucent material and it carries out air supply and distribution to the testing object. Conducted tests results show that implementation of proposed gas-dynamic cooling system allows maintaining thermal conditions of the panel-based spacecraft during the on-ground tests. It can be done with reduced air consumption and usage of compact and mobile average-pressure thermostabilization plants, concluding air preparation and supply to the air-distribution unit. Gas-dynamic system is also easily adaptable and it can be used for cooling during on-ground tests of RSC Energia perspective panel-based spacecraft.

Keywords: on-ground thermostabilization, air-distribution unit, panel-based spacecraft, thermal conditions, thermostabilization plant.

Наземное термостатирование панельных КА при проведении наземных испытаний

При наземных испытаниях КА отвод избыточного тепла, выделяемого приборно-агрегатным оборудованием, осуществляется либо бортовой жидкостной системой терморегулирования, отдающей тепло наземной системе жидкостного термостатирования, либо тепловыделяющее оборудование обдувается холодным воздухом, подаваемым в отсек воздуховодом системы воздушного термостатирования [1]. При наземных испытаниях пилотируемых КА, как правило, работают обе системы, при этом воздушная система термостатирования для таких КА является низконапорной (от 50 до 100 мм вод.ст.).

Для беспилотных КА с панельной компоновкой применение низконапорных систем воздушного термостатирования при тепловых и электрических испытаниях сильно затрудняет организацию оперативного изменения локального отвода избыточного тепла от работающей аппаратуры. При этом использование высоконапорных систем воздушного термостатирования, когда термостатирование работающего оборудования осуществляется путем подачи в отсек КА дросселированного воздуха с давлением от 0,5 до 1,0 бар и температурой выше температуры точки росы окружающей среды воздуха от сети высокого давления (100 бар) является в настоящее время очень затратным, что связано с высокой начальной стоимостью промышленных компрессорных станций, а также с высокими эксплуатационными затратами.

Поэтому для наземных электрических испытаний КА «Ангосат» панельной компоновки и пассивной децентрализованной системой обеспечения теплового режима (СОТР) на базе тепловых труб специалистами РКК «Энергия» была разработана система газодинамического термостатирования и выдано задание компании «Фригодизайн» на изготовление установки подготовки и подачи термостатирующего воздуха для этой схемы термостатирования, которые могут использоваться также для термостатирования КА других типов, как с герметичными, так и с негерметичными приборными отсеками.

Система газодинамического наземного термостатирования включает в себя установку подготовки и подачи термостатирующего воздуха, теплоизолированные воздуховоды и устройство воздухораспределения.

Компоновка и рабочие характеристики установки воздушного термостатирования

Установка подготовки и подачи термостатирующего воздуха (Рис. 1) 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. Для снижения теплообмена с окружающей средой и шума при работе вентилятора на всех стенках зоны подготовки воздуха установлена теплозвукоизоляция. При работе холодильной установки температура на поверхности ее воздухоохладителя поддерживается системой управления на уровне, обеспечивающей его охлаждение и осушку термостатирующего воздуха до расчетных значений. Высоконапорный вентилятор при работе создает разряжение в верхней зоне установки и воздух из окружающего пространства, проходя через воздухоохладитель, охлаждается, осушается, после чего, 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 и при температурах 20…25°С установка получилась компактной и удобной в эксплуатации.

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.

Установка подготовки и подачи термостатирующего воздуха позволяет выдавать в приборные отсеки термостатируемых изделий воздух с параметрами, указанными в таблице 1.

Таблица 1

Параметры воздуха на выходе из установки УВТ-FCA-5-TAG

Рис. 1. 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

Необходимо отметить, что при использовании высоконапорных 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 комплектом теплоизолированных воздуховодов с установкой подготовки и подачи воздуха.

Структура и состав устройства воздухораспределения

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 (рисунок 2), закрепленные на определенном расстоянии друг от друга на жестком воздухораспределителе. Воздухораспределители объединяются с помощью коллектора в секции (рисунок 3) воздухораспределительного устройства. Основным материалом распределителей и секций является полипропилен. Сопла, и коллектора связи с воздуховодами установки подачи воздуха выполнена из полиамида методом 3D печати. Использование неметаллов в конструкции средств газодинамического охлаждения позволило обеспечить испытания КА в безэховой камере.

Рис. 2. Конструкция сопла-форсунки: 1–крышка; 2–втулка; 3–сменный дроссель; 4–сопло

Рис. 3. Воздухораспределительная секция: 1–коллектор; 2–распределитель; 3–сопло-форсунка

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. Например, для КА «Ангосат» потребовалось объединить 6 секций, для КА «Egyptsat-А» только 3 секции.

Упрощенная схема размещения сопел-форсунок секций воздухораспределителей для наземного газодинамического термостатирования КА «Ангосат» приведена
на рисунке 4.

Рис. 4. Схема расположения сопел-форсунок установки газодинамического термостатирования КА «Ангосат»: 1, 2–устройства воздухораспределения;
3–КА«Ангосат»; 4–опорное кольцо

Расчет параметров сопел - форсунок, расстояний между ними на распределителе, шаг распределителей в пределах секции производился по соотношениям для газодинамических расчетов [2, 3]. Основные расчетные зависимости для выбора параметров воздухораспределителя и результаты расчетов приведены ниже

Коэффициент теплоотдачи для локальной зоны тепловыделения приборной панели определяется по формуле:

Re–число Рейнольдса для локальной зоны; Pr–число Прандтля для воздуха; λ–коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·К); d–внутренний диаметр сопла, м; H-расстояние от среза сопла до охлаждаемой поверхности, м; s–шаг сопел по распределителю, м; Q-тепловыделение в локальной зоне, Вт; F–площадь локальной зоны, м²; t_п – допустимая температура локальной зоны панели, 0°С; t_возд–температура термостатирующего воздуха, 0°С

Расход воздуха через соплo-форсунку можно определить следующим образом:

где μ–динамическая вязкость воздуха, Па·с.

Перпендикулярная подача охлаждающего воздуха на объект термостатирования позволяет добиться больше эффективности используемого расхода воздуха по сравнению с традиционной параллельной подачей воздушного потока [3].

Экспериментальная отработка воздухораспределительного устройства

Перед практической реализацией воздухораспределителя был произведен ряд испытаний, подтверждающих эффективность принятых решений. В качестве имитатора приборной панели использовалась реальная трехслойная сотовая панель типового КА с тепловыми трубами. Тепловая нагрузка на панель имитировалась поверхностными нагревателями. При наземных испытаниях установленного на КА приборного оборудования термостатирующий воздух подается на приборные панели-радиаторы КА «Ангосат» перпендикулярно их поверхности. Схема испытательного стенда приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема испытательного стенда: 1-трехслойная сотовая панель с габаритами 2000×730×20мм; 2–имитаторы тепловой нагрузки; 3–воздухораспределительная секция; 4-технологическая подставка

Рис. 6. Размещение имитаторов тепловой нагрузки (нагреваемых пластин) на трехслойной сотовой панели

Эксперимент проводится двумя сериями, в каждой серии–по два эксперимента, в одном из которых термостатирование включено, в другом–выключено. Первая серия–режим «рабочий обдув»–предполагает номинальную мощность тепловыделения электронагревателей на трехслойной сотовой панели. Вторая серия–режим «интенсивный обдув»–предполагает увеличенную мощность тепловыделения электронагревателей.

Состав проводимых экспериментов:

-эксперимент №1–серия «рабочий обдув», термостатирование выключено;

-эксперимент №2–серия «рабочий обдув», термостатирование включено;

-эксперимент №3–серия «интенсивный обдув», термостатирование выключено;

-эксперимент №4–серия «интенсивный обдув», термостатирование включено;

Результаты проведенных экспериментов с включенным термостатированием приведены в таблице 2.

Таблица 2

Сравнение результатов автономных испытаний теплоотводящей панели с расчетными данными

Указанные в таблице 2 расчетные значения температуры теплоотводящей панели проводился без учета теплоотдачи излучением с поверхности панели и получены для следующих параметров термостатирующего воздуха – температура воздуха на выходе из сопла 18°С, суммарный расход воздуха подаваемого на теплоотводящую панель 80м³/ч, избыточное давление на выходе из установки подготовки и подачи воздуха не более 100 мм вод.ст. Значение скорости воздуха на срезе сопла при рабочем обдуве должно быть на менее 2,6м/с. Расчет температуры проводился без учета теплоотдачи излучением с поверхности панели.

Результаты испытаний теплоотводящей панели, полученные с помощью тепловизора, представлены на Рис. 7.1–7.4.

Рис.7. Термограмма эксперимента №1 (а), №2 (б), №3 (в), №4 (г)

Испытания подтвердили эффективность предложенного использования системы газодинамического термостатирования для КА с размещением приборного оборудования вне герметичного отсека на теплоотводящих панелях.

Проведенные после определения основных параметров воздухораспределителя расчеты гидравлического тракта подачи термостатирующего воздуха показали достаточность для термостатирования значения напора воздуха на входе в воздухораспределители в 300…500 мм вод.ст.

По результатам работ на способ газодинамического охлаждения и установку подготовки и подачи термостатирующего воздуха поданы заявки на изобретения:

-Басов А.А., Велюханов В.И., Коптелов К.А., Никонов А.В. ,Пациевский А.А. Способ воздушного термостатирования отсеков космических аппаратов и устройство для его осуществления, заявка на изобретение № 2017119067 от 31.05.2017г. в стадии патентования.

-Басов А.А., Быстров А.В., Никонов А.В., Пациевский А.А. Средство распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях, заявка на изобретение №2017124753 от 11.07.2017г. в стадии патентования.

Выводы

1. На основании проведенных расчетных и экспериментальных работ подтверждена эффективность разработанной специалистами РКК «Энергия» системы газодинамического наземного охлаждения КА с компоновкой тепловыделяющего оборудования на теплоотводящих панелях. Система обеспечила гарантированный теплоотвод от бортовой аппаратуры КА «Ангосат» при наземных электрических испытаниях [4].

2. Разработанная компанией Фригодизайн установка подготовки и подачи воздуха для системы газодинамического термостатирования обеспечивает с высокой точностью параметры воздуха, подаваемого в воздухораспределительные секции. Установка отличается малым энергопотреблением и низким уровнем шума при эксплуатации.

3. Использование новых адаптируемых к геометрии и распределению тепловых мощностей объекта испытаний многосекционных воздухораспределительных устройств с регулируемыми соплами-форсунками, позволят создавать установки газодинамического термостатирования, обеспечивающие гарантированный теплоотвод от бортовой аппаратуры КА разной конфигурации при различных уровнях ее тепловыделения при наземных проверочных испытаниях.

Выражается благодарность Замышляеву Д.А, Быкову Л.В., Янышеву Д.С за помощь в моделировании процессов теплообмена и конструкции испытательной установки.

Список литературы

1. Шелудько В.Г., Томчук А.В., Голованов Ю.М., Кесельман Г.Д. Система обеспечения теплового режима, патент RU 2286291

2. Мартыненко О.Г., Михалевич А.А., Шикоз В.К. Справочник по теплообменникам Том 1. М.: Энергоатомиздат, 1987. 560с.

3. N. Zuckerman, N. Lior Jet Impingement Heat Transfer: Physics, Correlations, and Numerical Modeling. Advances in Heat Transfer Vol. 39 ISSN 0065-2717, 2006, С. 565-631.

4. Пациевский А. А. Разработка и внедрение установки для обеспечения теплового режима космических аппаратов при наземной отработке способом газодинамического термостатирования. Тезисы докладов XXI Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Том 1. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева, 2017. С. 220-221.