Снижение эксплуатационных расходов термовакуумных испытаний космических аппаратов с использованием технологии кондиционирования газообразного азота

Термовакуумные испытания широко используются при наземной отработке космических аппаратов (КА). Испытания проводятся в термовакуумных камерах, где создаются условия пониженного давления и широкого диапазона температур, близкие к условиям космического простран-

ства [1]. В ходе испытаний проверяется работа аппаратуры и узлов, определяются теплофизические параметры и прочностные характеристики отдельных частей и элементов, верифицируются и корректируются математические модели систем терморегулирования КА.

Термовакуумные испытания отличаются высокой сложностью, трудоемкостью и значительными материальными затратами [2]. Поэтому крайне актуальна задача выполнения требований программ термовакуумных испыта- ний с одновременным снижением материальных затрат.

В настоящее время широко известны, как минимум, три способа обеспечения температурного режима термовакуумных испытаний.

Первый способ заключается в переносе утилизируемого тепла при помощи рециркуляции жидкого теплоносителя в замкнутом контуре, который, в частности, включает трубопроводы, тепловые экраны термовакуумной камеры, холодильную машину и нагреватели. Несмотря на минимальные затраты, применение таких систем с замкнутым жидкостным контуром, называемых также механическими, ограничено. При снижении температуры циркулирующего теплоносителя его вязкость быстро увеличивается, а холодопроизводительность системы, т. е. способность выводить утилизируемое тепло, наоборот, уменьшается; практический предел для таких систем охлаждения, как правило, не опускается ниже -50 … -70 °С. Применение двухфазных теплоносителей [3] или теплообменников с жидким азотом [4] позволяет незначительно снизить нижний температурный предел до -90 °С. Создание же механических систем с пределом линейного изменения температуры ниже -90 °C становится еще более сложным и неоправданно дорогим.

Существует еще одна не менее важная причина, ограничивающая использование систем с жидкостным контуром в термовакуумных испытаниях КА. Любая утечка применяемых в таких системах низкотемпературных теплоносителей, как правило, углеводородов или кремнийоргани-ческих жидкостей (т. н. силиконовых масел), приведет к недопустимому загрязнению пространства термовакуумной камеры и объекта испытаний (ОИ) [5].

Краткие технические характеристики нескольких установок одного из ведущих зарубежных производителей термовакуумного оборудования Telstar [4], использующих описанный способ, сведены в табл. 1.

Второй способ, широко используемый в большинстве отечественных термовакуумных установок, в частности, действующих в настоящее время в АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнёва» ТБК-120, КВУ-400 и ГВУ-600, основан на циркуляции в криогенных экранах термовакуумной камеры жидкого азота в сочетании с расположенными в непосредственной близости от ОИ мощными резистивными (инфракрасными) нагревателями [6; 7]. В результате на ОИ достигаются высокие показатели точности, стабильности и скорости линейного изменения температуры. Однако этот способ отличается самым высоким потреблением электрической мощности и расходом жидкого азота, что часто приводит к ограничению продолжительности испытаний. Кроме этого, локальные инфракрасные нагреватели создают однородное температурное поле, как правило, при гладкой и выпуклой форме наружных поверхностей ОИ, однородности их радиационных характеристик и монотонности распределения по поверхностям падающих тепловых потоков. В иных случаях возникают существенные погрешности имитации [8].

Третий, перспективный, способ управления температурным режимом основан на рециркуляции в тепловых экранах газообразного азота, ³⁷ которая обеспечивается одной или несколькими установками кондиционирования газообразного азота (англ. GN₂ TCU – Gaseous Nitrogen Thermal Conditioning Unit) [9; 10]. Как правило, такая установка состоит из циркуляционного насоса (нагнетателя) с регулируемой частотным преобразователем скоростью, встроенного нагревателя, оборудования для измерения и контроля давления, клапанов подачи жидкого и газообразного азота, вентиляционных клапанов, механической и вакуумной изоляции и программируемого логического контроллера с интерфейсом оператора для общего управления системой. Внешний вид типичной установки кондиционирования газообразного азота показан на рис. 1.

Рис. 1. Установка кондиционирования газообразного азота Dynavac TCU-100 [11]

Краткие технические характеристики установок кондиционирования газообразного азота производителей термовакуумного оборудования Telstar и Dynavac [5; 11] сведены в табл. 2.

(оСМИЧЕскиЕ

АППАРАТЫ И

Том 4

Таблица 1

Технические характеристики установок с замкнутым жидкостным контуром

Установка	Принцип охлаждения	Производительность при рабочем давлении 0,2 МПа, м3/с·10-3	Тепловая нагрузка, кВт		Потребляемая мощность, кВт
			-50 °С	+20 °С
Telstar FT-10	Холодильная машина	0,36	1,0	2,1	9
Telstar FT-10.2		0,61	2,0	4,2	16
Telstar FT-35		0,94	3,2	9,4	21
Telstar FT-60		2,33	5,7	14,7	28
Telstar FT-120		3,61	11,3	27,4	57
Telstar FT-170		5,56	16,8	38,8	69
Telstar FTL-60	Теплообменник с жидким азотом	0,94	5,9	6,8	12
Telstar FTL-200		3,61	17,0	17,8	26
Telstar FTL-500		10	45,0	47,0	61

Таблица 2

Технические характеристики установок кондиционирования газообразного азота

Установка	Производительность, м3/с·10-3	Рабочее давление, кПа	Тепловая нагрузка, кВт		Потребляемая мощность, кВт
			охлаждение	нагрев
Telstar GT-18	47		13	13	25
Telstar GT-38	194		47	47	70
Telstar GT-HG	833		190	190	260
Dynavac TCU-100	47	10	14	12	20
Dynavac TCU-100-BNB	47	42	14	12	20
Dynavac TCU-400	188	10	30	21	40
Dynavac TCU-1500	707	20	130	90	132

Сравнительные характеристики энергопотребления и диапазонов обеспечиваемых температур описанных способов показаны на рис. 2 [4].

Рис. 2. Различные способы обеспечения теплового режима: 1 – замкнутый жидкостный контур с холодильной машиной; 2 – замкнутый жидкостный контур с теплообменниками с жидким азотом; 3 – кондиционирование газообразного азота; 4 – циркуляция жидкого азота и инфракрасные нагреватели

1.    Основные принципы кондиционирования газообразного азота

В первом приближении свойства системы могут быть смоделированы в соответствии с уравнением состояния идеального газа:

p = ρ RT ,                  (1)

где p – давление газа, Па; ρ – плотность газа, кг/м³; T – температура газа, К; R – газовая постоянная, для азота равная 297 Дж/(кг∙К).

При работе установки кондиционирования с постоянной плотностью газообразного азота (как правило, 4 … 6 кг/м3) его давление находится в прямой зависимости от температуры. Необходимая температура и давление газа в системе поддерживаются при помощи программируемого логического контроллера (ПЛК), управляющего скоростью рециркуляции в контуре газообразного азота, мощностью встроенного нагревателя и подачей жидкого азота. Это позволяет легко контролировать весь температурный диапазон на ОИ, нижний предел которого ограничен переходом азота в жидкую фазу, а верхний – пределом температурной выносливости уплотнительных материалов и покрытий. Кроме этого, обязательно следует учитывать эффективность переноса теплоносителем тепловой нагрузки и теплопередающие характеристики тепловых экранов [12; 13].

При заданной температуре теплоноситель должен полностью принимать тепловую нагрузку Q , которая состоит из лучистого теплообмена между тепловыми экранами и активной нагрузкой ОИ и работы нагнетателя, подающего впрыскиваемый жидкий или нагретый встроенным нагревателем газообразный азот. Разницу температур ∆ T между выходом и входом установки кондиционирования можно определить по формуле:

А T = Q^—, (2) m Cp где Q – тепловая нагрузка, Вт; ṁ – массовый расход газообразного азота, кг/с; Cp – удельная теплоемкость, для газообразного азота равная 1039 Дж/(кг∙К).

Во время температурных переходов возникает дополнительная нагрузка Q ʹ, обусловленная массой тепловых экранов:

Q ʹ = MC ʹ p δ T , (3) где M – масса тепловых экранов, кг; δ T – скорость линейного изменения температуры тепловых экранов, K/с; C ' _p - удельная теплоемкость материала тепловых экранов, Дж/(кг∙К).

Температура поверхности тепловых экранов T _Э может быть определена с учетом происходящего с ними конвективного теплообмена Q" газообразного азота (в устойчивом состоянии Q ʹʹ = Q , во время температурного перехода Q ʹʹ = Q + Q ʹ):

Q ʹʹ = hS ( T Э – TN 2 ), (4) где h - коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м²^К); S - площадь контактирующей с азотом поверхности в трубках тепловых экранов, м²; T _Э – температура поверхности тепловых экранов, К; T_{N 2} – температура газообразного азота, К.

В свою очередь, коэффициент конвективной теплопередачи h определяется по формуле:

, C p mJ м

Pr2/35 ’ где Pr – число Прандтля; JM – фактор Чилтона-Кольберна.

Разница температур ( T _Э - TN ₂) и начало перехода азота в жидкую фазу ограничивают нижний температурный предел на поверхностях тепловых экранов, что следует учитывать при выборе материала тепловых экранов и характеристик установок кондиционирования.

2.    Выбор характеристик установок

В первую очередь для работы с тепловой нагрузкой системы установка кондиционирования должна обеспечить достаточную производительность и рабочее давление газообразного азота. Однако для правильного выбора всех характеристик необходимо дополнительно учитывать большее количество условий. В связи с этим представляют большой наглядный интерес и практическую ценность результаты эксперимента по работе нескольких различных установок кондиционирования газообразного азота с типичной термовакуумной камерой, подробно рассмотренные в [13].

Цилиндрическая термовакуумная камера диаметром 1,5 м и длиной 1,2 м оснащена внутренним тепловым экраном диаметром 1,3 м и длиной 1 м, изготовленным из 3 мм листа. Тепловые экраны цилиндрической части имеют шесть параллельных проходов трубок с шагом 175 мм, тепловые экраны передней и задней торцевых крышек диаметром 1,3 м имеют восемь параллельных проходов трубок с шагом 190 мм, параллельно подключенных к входному и выходному коллекторам. ОИ весом 25 кг закреплен на столе размерами 0,8x1 м, также имеющем семь параллельных проходов трубок с шагом 150 мм. Излучаемая ОИ мощность равна 1 кВт. Схема подключения установки кондиционирования показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема подключения установки кондиционирования газообразного азота (термовакуумная камера условно не показана): 1 – подающие трубопроводы; 2, 4 – тепловые экраны торцевых крышек; 3 – тепловой экран цилиндрической части; 5 – установка кондиционирования газообразного азота; 6 – обратные трубопроводы

Краткие характеристики четырех рассмотренных установок и определенные опытным путем размеры трубопроводов и трубок тепловых экранов приведены в табл. 3. Из данных таблицы видно, что их диаметр находится в прямой зависимости от производительности установки кондиционирования и в обратной – от рабочего давления, создаваемого нагнетателем установки.

Измерения температур контролируемых поверхностей проводились в вакууме; на тепловых экранах установлены четыре, на столе ОИ – три термопары.

(оСМИЧЕскиЕ

АППАРАТЫ И

Том 4

Таблица 3

Минимальные размеры трубопроводов и трубок тепловых экранов

Установка кондиционирования газообразного азота			Внутренний диаметр, мм
			Трубопроводы и коллекторы	Трубки тепловых экранов
№	Производительность, м3/с·10-3	Рабочее давление, кПа		Цилиндрическая часть	Стол ОИ	Торцевые крышки
1	47	10	50	19	19	12,5
2	47	42	38	12,5	12,5	12,5
3	188	10	200	25	31	19
4	707	20	250	41	41	31

Даже при использовании установки кондиционирования с производительностью до 47·10-3 м3/с и рабочим давлением 10 кПа (табл. 3, установка №1) система уже способна обеспечить скорость линейного изменения температуры до 2 К/мин. Однако из-за недостаточного потока газа даже при установившемся температурном режиме на контролируемых поверхностях существует значительная неравномерность температур. На тепловых экранах цилиндрической части при минимальной температуре -180 °C неравномерность достигает 10 K, при максимальной температуре 150 °С – до 15 K. Неравномерность на тепловых экранах торцевых крышек при максимальной температуре 150 °С несколько ниже, до 7 К. Неравномерность в установившемся температурном режиме на столе ОИ находится в пределах 1,5 К. При этом перепады во время температурных переходов при скорости 2 К/мин достигают 60–65 K.

При использовании установки с высокоскоростным нагнетателем (табл. 3, установка №2) в установившемся температурном режиме неравномерность температур стола ОИ находится в пределах 1,5 К, а тепловых экранов торцевых крышек – в пределах 6 K. Однако неравномерность цилиндрической части значительно хуже и достигает 17 К при установившейся температуре 150 °С. Кроме этого, дополнительная энергия, вызванная более высокой скоростью нагнетателя, вызывает смещение линейных характеристик установки кондиционирования, что выражается в уменьшении скорости охлаждения до -1,5 К/мин и увеличении скорости нагрева до 2,25 К/мин. Еще одним следствием становится увеличение перепада температур на поверхности теплового экрана цилиндрической части до 85 К при максимальной температуре 150 °С.

С другой стороны, применение высокоскоростных нагнетателей позволяет использовать трубопроводы, коллекторы и трубки тепловых экранов меньшего сечения. Это может принести дополнительную экономию необходимых для их изготовления дорогостоящих и дефицитных материалов – низкотемпературных хромоникелевых сталей, мед- ных и, в ряде случаев, титановых сплавов [12; 14]. По нашим расчетам, использование трубопроводов с внутренним диаметром 38 мм вместо 50 мм (табл. 3, установки №2 и №1 соответственно) при одинаковой толщине стенки приводит к экономии материалов до 30 %. Кроме этого, трубопроводы меньшего размера обладают лучшими показателями по удельному теплопритоку, что особенно важно при расположении установки кондиционирования на удалении от термовакуумной камеры.

Использование установок с высокоскоростным нагнетателем может быть наиболее оправданно при обслуживании отдельных элементов, а не всей системы. Так, при подключении к той же установке кондиционирования (табл. 3, установка №2) одного теплового экрана цилиндрической части неравномерность температур на его поверхности при линейной скорости изменения в пределах от -1,5 К/мин до + 2,25 К/мин не превысила 15-20 K. Результаты моделирования режимов термоциклирования показывают, что применение высокоскоростного нагнетателя при той же производительности установки позволяет получить дополнительную экономию жидкого азота в пределах 5–7 %.

Лучшие результаты получены при применении установки кондиционирования с большей производительностью 188·10-3 м3/с (табл. 3, установка №3). Неравномерность температур поверхности стола ОИ в установившемся режиме не превысила 0,5 К, теплового экрана цилиндрической части – не более 5 К, а максимальная скорость линейного изменения температуры составила -4 … +3,5 К/мин. Результаты измерения температур контролируемых поверхностей в диапазоне от -150 до 150 °C со скоростью 3 К/мин показаны на рис. 4. На отдельной вставке показан режим положительных температур с учетом указанной выше неравномерности. Некоторое отставание по температуре теплового экрана от стола ОИ объясняется их последовательным соединением.

На рис. 5 показана неравномерность температур, измеренная на этих же поверхностях. Максимальное значение во время температурных переходов не превышает ±6 K, в установившемся режиме не превышает ±1,5 K.

Рис. 4. Усредненные результаты экспериментальных измерений температур теплового экрана и стола ОИ

Время, мин

Рис. 5. Наблюдаемая неравномерность во время температурных переходов

Наконец, применение установки кондиционирования газообразного азота с наибольшей производительностью 707·10-3 м3/с (табл. 3, установка №4) позволяет получить самые высокие результаты. Максимальная скорость линейного изменения температуры достигает 18 К/мин. В устойчивом состоянии температура поверхности стола ОИ имеет неравномерность не более 0,25 К, а остальные контролируемые поверхности – не более 2,5 К. Однако следует особо отметить, что такие результаты получены ценой возросшего потребления электрической мощности или жидкого азота – от 30 кВт или 0,12·10-3 м3/с в установившемся температурном режиме до 120 кВт или 0,83·10-3 м3/с во время температурных переходов.

3.    Пути совершенствования технологии кондиционирования газообразного азота

Несмотря на относительную простоту, отличную управляемость и другие преимущества, описанная технология пока не является универсальным и лучшим решением для обеспечения любого температурного режима. Самую низкую эксплуатационную стоимость и одновременно худшие температурные характеристики имеют системы с замкнутым контуром жидкостного охлаждения; наоборот, системы с заливкой в экраны жидкого азота в сочетании с инфракрасными нагревателями обладают лучшими температурными характеристиками и самыми высокими эксплуатационными расходами. Кондиционирование газообразного азота, в свою очередь, представляет удачное сочетание основных характеристик – эксплуатационной стоимости, температурного диапазона, точности, стабильности и однородности температурного поля.

Ведущие производители постоянно совершенствуют характеристики установок кондиционирования сразу в нескольких направлениях, таких, как расширение границ температурного диапазона, дальнейшее снижение потребления жидкого азота, оптимизация и полная автоматизация управления. Например, одно из инновационных решений производителя Telstar заключается в поддержании постоянного давления газа в замкнутом контуре системы. При этом потери на сжатие гарантированно сведены к минимуму, что позволяет добиться оптимального режима потребления жидкого азота. Однако нижний предел температуры в таком режиме ограничен значением -150 °C, и для более низких температур система автоматически уменьшает давление в контуре, чтобы избежать риска образования в нем жидкой фазы. В ряде других решений применяются специальные алгоритмы, также оптимизирующие потребление жидкого азота и максимально автоматизирующие управление системой, включая возможность быстрой перенастройки для различных видов испытаний. При этом управление может осуществляется как автономно при помощи локального ПЛК с дружественным интерфейсом, так и под управлением более высокого уровня, например, системы автоматического сбора и контроля информации SCADA [15]. Производителем Telstar сообщается, что в результате ряда подобных решений, по сравнению с традиционными системами с заливкой в экраны жидкого азота, удалось достичь экономии его расхода до 20–50 % [4].

Заключение

Установки кондиционирования газообразного азота показали себя как средства обеспечения температурного режима, хорошо подходящие для большинства случаев термовакуумных испытаний космических аппаратов, когда необходимо получить стабильное и однородное температурное

поле на контролируемых поверхностях в широком диапазоне рабочих температур. При этом в контуре системы не циркулирует жидкий теплоноситель, что исключает риск загрязнения внутрикамерного пространства и объекта испытаний. Применение ПЛК и высокий уровень автоматизации обеспечивают простоту и гибкость управления.

По сравнению с традиционными системами с циркуляцией в контуре жидкого азота установки кондиционирования позволяют уменьшить, особенно в установившемся температурном режиме, его потребление на 20–50 %.

• ⁴² Отпадает необходимость в большом количестве мощных потребителей электроэнергии – инфракрасных локальных нагревателей, которые могут являться источником неоднородности температур на ОИ, особенно, когда последний имеет сложную форму.

Том 4

Дополнительная экономия жидкого азота может быть получена при применении на отдельных участках системы установок с высокоскоростным нагнетателем. По нашим расчетам, это позволит дополнительно сократить расход жидкого азота во время температурных переходов на 3–5 %. Использование в этом случае трубопроводов и трубок тепловых экранов меньшего размера позволит получить на стадии проектирования системы дополнительную, до 30 %, экономию дорогостоящих низкотемпературных хромоникелевых сталей или сплавов цветных металлов.

Таким образом, применение перспективной технологии кондиционирования газообразного азота предполагает значительное снижение эксплуатационных расходов термовакуумных испытаний при сохранении необходимых технических характеристик.