RU2771263C1 - Method for cooling the system of a space object operating in a vacuum when modeling the conditions of regular operation - Google Patents

Abstract

FIELD: testing technology.SUBSTANCE: invention relates to the field of testing technology, in particular to ground-based thermal vacuum tests of space objects. The method for cooling the system of a space object operating in vacuum, when modeling the conditions of regular operation, consists in installing the system under test in a vacuum chamber, vacuuming the vacuum chamber and cooling the system under test. Liquid nitrogen is fed into the cryo-screen cavity. Liquid nitrogen is supplied with a flow rate that provides a gaseous nitrogen phase at the outlet of the cryo-screen. When a quasi-stationary state is reached, the maximum amount of liquid nitrogen consumption is determined by the cryo-screen temperature close to the boiling point of liquid nitrogen. The supply of liquid nitrogen is reduced. When the permissible maximum temperature of the cryo-screen is reached, the minimum amount of liquid nitrogen consumption is determined. A range from the maximum to the minimum amount of liquid nitrogen consumption during the operation of the system under test is maintained.EFFECT: reduction in the total test time is achieved.1 cl

Description

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к наземным тепловакуумным испытаниям космических объектов в условиях, приближенных к эксплуатации космических объектов в открытом космическом пространстве, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к вопросам теоретических и экспериментальных исследований при отработке тепловых режимов.The invention relates to the field of testing technology, in particular to ground-based thermal vacuum testing of space objects in conditions close to the operation of space objects in open space, and can also be used in those areas of technology where there are increased requirements for theoretical and experimental research during development thermal modes.

При проведении тепловакуумных испытаний, например, автоматического космического аппарата, 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.When conducting thermal vacuum tests, for example, of an automatic spacecraft, which during normal operation can have different flight trajectories and equipment operating modes, it is very difficult to implement multiple operating modes, so it becomes necessary to reproduce extreme flight conditions, one of which is the creation of extremely low temperatures on the object.

Известен способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающийся в том, что устанавливают систему в вакуумную камеру, вакуумируют вакуумную камеру до заданного значения и одновременно захолаживают систему, подавая жидкий азот в полость криоэкрана, контролируют температуру на системе и испытывают ее (патент РФ № 2205140, МПК: B64G 7/00 (2006.01), опубликовано 27.05.2003. Бюл. № 15).There is a known method of cooling down a system of a space object operating in a vacuum, when simulating normal operation conditions, which consists in installing the system in a vacuum chamber, evacuating the vacuum chamber to a predetermined value and simultaneously cooling down the system by supplying liquid nitrogen to the cryoscreen cavity, controlling the temperature on the system and test it (RF patent No. 2205140, IPC: B64G 7/00 (2006.01), published on May 27, 2003. Bull. No. 15).

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 криоэкран, вакуумируют вакуумную камеру до заданного давления и захолаживают систему, подавая жидкий азот в полость криоэкрана, контролируют температуру на испытываемой системе во время ее функционирования, по окончании испытаний отогревают криоэкран и разгерметизируют вакуумную камеру (Патент РФ № 2172709, МПК: B64G 7/00 (2000.01), опубликовано 27.08.2001. Бюл. № 24). Этот способ принят за прототип.The closest in technical essence to the proposed invention is a method for cooling down a system of a space object operating in a vacuum, when simulating normal operation conditions, which consists in installing the system in a vacuum chamber having a cryoscreen, evacuating the vacuum chamber to a predetermined pressure and cooling down the system by supplying liquid nitrogen into the cavity of the cryoscreen, control the temperature on the system under test during its operation, at the end of the tests the cryoscreen is warmed up and the vacuum chamber is depressurized (RF Patent No. ). This method is taken as a prototype.

Недостатком аналога и прототипа является то, что достижение предельно низких температур этими способами довольно длительный процесс, который связан с большими энергозатратами и трудозатратами, а именно: большим расходом дорогостоящего жидкого азота при захолаживании и длительным временем выхода на режим. При захолаживании испытываемой системы криоэкран вакуумной камеры, как правило, полностью заполняют жидким азотом и поддерживают на криоэкране температуру (минус 196)°С (жидкая фаза азота). Чтобы создать равномерное температурное поле вокруг испытываемой системы и имитировать условия «холодного) космоса, допустимая максимальная температура криоэкрана должна быть не выше (минус 170)°С, которую можно получить, продувая криоэкран холодным газообразным азотом под давлением из резервуара жидкого азота, и это даст ощутимую экономию дорогостоящего жидкого азота. При этой температуре переизлученные теплопритоки от стенок вакуумной камеры, технологической оснастки и испытываемой системы не должны превышать 10 Вт/м². Если температура криоэкрана становится выше (минус 170)°С, то эти внешние теплопритоки начинают увеличиваться, в результате чего увеличиваются погрешности имитации теплового состояния испытываемой системы, что приводит к недостоверности наземных тепловакуумных испытаний и невозможности верификации расчетной тепловой модели изделия. Кроме того, меньше времени будет затрачено на отогрев криоэкрана после испытаний, так как его температура в процессе испытаний будет выше температуры кипения жидкого азота.The disadvantage of analogue and prototype is that the achievement of extremely low temperatures by these methods is a rather lengthy process, which is associated with high energy and labor costs, namely: high consumption of expensive liquid nitrogen during cooling down and a long time to reach the regime. When the system under test is cooled down, the cryoscreen of the vacuum chamber is, as a rule, completely filled with liquid nitrogen and the temperature on the cryoscreen is maintained at (minus 196)°C (liquid phase of nitrogen). In order to create a uniform temperature field around the system under test and simulate the conditions of "cold" space, the permissible maximum temperature of the cryoscreen should not exceed (minus 170) ° C, which can be obtained by blowing the cryoscreen with cold gaseous nitrogen under pressure from a liquid nitrogen reservoir, and this will give significant savings in expensive liquid nitrogen. At this temperature, the reradiated heat gains from the walls of the vacuum chamber, technological equipment and the system under test should not exceed 10 W/m ² . If the temperature of the cryoscreen becomes higher (minus 170)°C, then these external heat inflows begin to increase, as a result of which the errors in simulating the thermal state of the system under test increase, which leads to the unreliability of ground thermal vacuum tests and the impossibility of verifying the calculated thermal model of the product. In addition, less time will be spent on warming up the cryoscreen after testing, since its temperature during testing will be higher than the boiling point of liquid nitrogen.

Задачей изобретения является сокращение расхода жидкого азота в моделируемых условиях штатной эксплуатации испытываемой системы, а также сокращение общей продолжительности испытаний.The objective of the invention is to reduce the consumption of liquid nitrogen under simulated conditions of normal operation of the system being tested, as well as to reduce the total duration of the tests.

Техническим результатом изобретения является снижение энерго- и трудозатрат, сокращение общего времени проведения испытаний.The technical result of the invention is to reduce energy and labor costs, reduce the total time of testing.

Технический результат достигается за счет того, что в способе захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающимся в том, что устанавливают испытываемую систему в вакуумную камеру, имеющую криоэкран, вакуумируют вакуумную камеру до заданного давления и захолаживают испытываемую систему путем подачи жидкого азота в полость криоэкрана, контролируют температуру на испытываемой системе в процессе ее функционирования, по окончании испытаний отогревают криоэкран и разгерметизируют вакуумную камеру, при этом жидкий азот подают с расходом, обеспечивающим газообразную фазу азота на выходе из криоэкрана, при достижении квазистационарного состояния по температуре криоэкрана, близкой к температуре кипения жидкого азота, определяют максимальную величину расхода жидкого азота, уменьшают подачу жидкого азота в полость криоэкрана, поддерживая газообразную фазу азота на выходе из криоэкрана, при достижении допустимой максимальной температуры криоэкрана, при которой обеспечивается имитация космических условий при штатной эксплуатации испытываемой системы, определяют минимальную величину расхода жидкого азота, поддерживают диапазон от максимальной до минимальной величины расхода жидкого азота в процессе функционирования испытываемой системы.The technical result is achieved due to the fact that in the method of cooling down the system of a space object operating in vacuum, when simulating the conditions of normal operation, which consists in installing the tested system in a vacuum chamber having a cryoscreen, evacuating the vacuum chamber to a predetermined pressure and chilling the tested system by supplying liquid nitrogen into the cavity of the cryoscreen, control the temperature on the system under test during its operation, at the end of the tests the cryoscreen is heated and the vacuum chamber is depressurized, while liquid nitrogen is supplied at a flow rate that provides the gaseous phase of nitrogen at the outlet of the cryoscreen, when a quasi-stationary state is reached by temperature of the cryoscreen, close to the boiling point of liquid nitrogen, determine the maximum amount of liquid nitrogen flow, reduce the supply of liquid nitrogen to the cavity of the cryoscreen, maintaining the gaseous phase of nitrogen at the outlet of the cryoscreen, when the permissible maximum and temperature of the cryoscreen, at which imitation of space conditions during normal operation of the system under test is provided, determine the minimum amount of liquid nitrogen flow, maintain the range from the maximum to the minimum liquid nitrogen flow during the operation of the system under test.

По сравнению с прототипом заявленное техническое решение позволяет экономить дорогостоящий жидкий азот и сократить общее время наземных тепловакуумных испытаний.Compared with the prototype, the claimed technical solution saves expensive liquid nitrogen and reduces the total time of ground thermal vacuum tests.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:The proposed method is implemented as follows:

- устанавливают в вакуумную камеру, имеющую криоэкран, испытываемую систему;- installed in a vacuum chamber having a cryoscreen, the system under test;

- вакуумируют вакуумную камеру (например, ВКЗ-1, ПАО «РКК «Энергия») до заданного давления (например, 1-10° мм рт. ст.);- the vacuum chamber is evacuated (for example, VKZ-1, RSC Energia PJSC) to a predetermined pressure (for example, 1-10° mm Hg);

- захолаживают испытываемую систему путем подачи в полость криоэкрана жидкого азота под давлением (например, 1,2 кгс/см²) из резервуара жидкого азота (например, ЦТК-8/0,25М3) через криогенный клапан (например, АМК334, НПО «Регулятор») с расходом, обеспечивающим газообразную фазу азота на выходе из криоэкрана;- chill the system under test by supplying liquid nitrogen under pressure (for example, 1.2 kgf/cm ² ) from the liquid nitrogen tank (for example, TsTK-8 / 0.25M3) through a cryogenic valve (for example, AMK334, NPO Regulator ”) with a flow rate that provides the gaseous phase of nitrogen at the outlet of the cryoscreen;

- контролируют температуру на испытываемой системе с помощью датчиков температур (например, ТЭП 018-06) в процессе ее функционирования;- control the temperature on the system under test using temperature sensors (for example, TEP 018-06) during its operation;

- при достижении квазистационарного состояния по температуре криоэкрана, близкой к температуре кипения жидкого азота, например, (минус 190±1)°С, определяют максимальную величину расхода жидкого азота через криогенный клапан, фиксируя положение задвижки криогенного клапана;- when a quasi-stationary state is reached, according to the temperature of the cryoscreen close to the boiling point of liquid nitrogen, for example, (minus 190 ± 1) ° C, the maximum value of liquid nitrogen flow through the cryogenic valve is determined, fixing the position of the cryogenic valve valve;

- уменьшают подачу жидкого азота в полость криоэкрана под давлением (например, 1,1 кгс/см²) из резервуара жидкого азота (например, ЦТК-8/0,25М3) через криогенный клапан, поддерживая газообразную фазу азота на выходе из криоэкрана, при достижении допустимой максимальной температуры криоэкрана, например, (минус 171±1)°С, при которой обеспечивается имитация космических условий при штатной эксплуатации испытываемой системы, определяют минимальную величину расхода жидкого азота через криогенный клапан, фиксируя положение задвижки криогенного клапана;- reduce the supply of liquid nitrogen to the cavity of the cryoscreen under pressure (for example, 1.1 kgf/cm ² ) from the liquid nitrogen reservoir (for example, TsTK-8/0.25M3) through the cryogenic valve, maintaining the gaseous phase of nitrogen at the outlet of the cryoscreen, with when the permissible maximum cryoscreen temperature is reached, for example, (minus 171 ± 1)°С, at which space conditions are simulated during normal operation of the system under test, the minimum amount of liquid nitrogen flow through the cryogenic valve is determined, fixing the position of the cryogenic valve shutter;

- поддерживают диапазон от максимальной до минимальной величины расхода жидкого азота (например, регулируя в автоматическом режиме положение задвижки криогенного клапана) в процессе функционирования испытываемой системы;- maintain the range from the maximum to the minimum liquid nitrogen flow rate (for example, by automatically adjusting the position of the cryogenic valve shutter) during the operation of the system under test;

- по окончании испытаний отогревают криоэкран путем подачи в него теплого воздуха (например, до температуры 20°С) и разгерметизируют вакуумную камеру.- at the end of the tests, the cryoscreen is heated by supplying warm air into it (for example, to a temperature of 20°C) and the vacuum chamber is depressurized.

В настоящее время способ находится на этапе экспериментальной отработки и проведенные эксперименты показали, что при захолаживании одной из систем космического объекта в вакуумной камере объемом 6 м³ при испытании по способу прототипу было израсходовано 1800 кг жидкого азота, а общее время эксперимента с учетом времени отогрева составило 25 часов, а по предлагаемому изобретению на эксперимент израсходовали 1620 кг жидкого азота при общей длительности эксперимента 23 часа.Currently, the method is at the stage ^of experimental development and the experiments have shown that when cooling down one of the systems of a space object in a vacuum chamber with a volume of 6 m 25 hours, and according to the proposed invention, 1620 kg of liquid nitrogen were spent on the experiment with a total duration of the experiment of 23 hours.

Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить расход дорогостоящего жидкого азота и сократить общее время испытаний.The proposed technical solution allows to reduce the consumption of expensive liquid nitrogen and reduce the total testing time.

Предлагаемый способ достаточно прост в эксплуатации, не требует разработки нового оборудования и может найти применение для получения данных при решении проблем, связанных с обеспечением теплового режима космических объектов.The proposed method is quite simple to operate, does not require the development of new equipment and can be used to obtain data in solving problems related to ensuring the thermal regime of space objects.

Claims (1)

Способ захолаживания системы космического объекта, работающей в вакууме, при моделировании условий штатной эксплуатации, заключающийся в том, что устанавливают испытываемую систему в вакуумную камеру, имеющую криоэкран, вакуумируют вакуумную камеру до заданного давления и захолаживают испытываемую систему путем подачи жидкого азота в полость криоэкрана, контролируют температуру на испытываемой системе в процессе ее функционирования, по окончании испытаний отогревают криоэкран и разгерметизируют вакуумную камеру, отличающийся тем, что жидкий азот подают с расходом, обеспечивающим газообразную фазу азота на выходе из криоэкрана, при достижении квазистационарного состояния по температуре криоэкрана, близкой к температуре кипения жидкого азота, определяют максимальную величину расхода жидкого азота, уменьшают подачу жидкого азота в полость криоэкрана, поддерживая газообразную фазу азота на выходе из криоэкрана, при достижении допустимой максимальной температуры криоэкрана, при которой обеспечивается имитация космических условий при штатной эксплуатации испытываемой системы, определяют минимальную величину расхода жидкого азота, поддерживают диапазон от максимальной до минимальной величины расхода жидкого азота в процессе функционирования испытываемой системы.A method for chilling down a system of a space object operating in a vacuum, when simulating normal operation conditions, which consists in installing the system under test in a vacuum chamber having a cryoscreen, evacuating the vacuum chamber to a predetermined pressure and chilling the system under test by supplying liquid nitrogen to the cavity of the cryoscreen, control temperature on the system under test during its operation, at the end of the tests, the cryoscreen is heated and the vacuum chamber is depressurized, characterized in that liquid nitrogen is supplied at a flow rate that provides the gaseous phase of nitrogen at the outlet of the cryoscreen, when a quasi-stationary state is reached at the temperature of the cryoscreen close to the boiling point liquid nitrogen, determine the maximum flow rate of liquid nitrogen, reduce the supply of liquid nitrogen to the cavity of the cryoscreen, maintaining the gaseous phase of nitrogen at the outlet of the cryoscreen, when the maximum permissible temperature of the cryoscreen is reached, at which Simulation of space conditions is carried out during normal operation of the system under test, the minimum value of liquid nitrogen flow is determined, and the range from the maximum to the minimum value of liquid nitrogen flow during the operation of the system under test is maintained.