Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для получения льда в айспакете на борту космического аппарата (КА), где существуют большие проблемы с энергетикой, лимитом массы и объемов энергетических установок, потребных для получения льда.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения льда в айспакете, включающий охлаждение воды в айспакете ниже 0оС и последующую выдержку при указанной температуре.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является космический аппарат, содержащий шлюзовую камеру с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающей с поперечной осью аппарата, контейнер, размещенный в шлюзовой камере и ориентированный крышкой в сторону наружного люка, а также механизм фиксации контейнера.
Однако известный способ не может быть осуществлен на борту КА из-за громоздкости, наличия солевых растворов, необходимости организации системы охлаждения с контурами охлаждения с соответствующим контролем за постоянством температуры и наличием изотермических камер для хранения замороженных пакетов, т.е. из-за больших затрат дорогой на борту электроэнергии. Имеющуюся на борту морозильную камеру нельзя использовать для нужд бортовой биотехнологии, так как она, во-первых, малоемка (100 л) и, во-вторых предназначена только для хранения продуктов питания космонавтов, ибо, согласно техническим требованиям обеспечения жизнедеятельности экипажа, не допускается хранение в одном объеме никаких других продуктов, кроме пищевых, в противном случае из-за возможностей утечки микроорганизмов произойдет заражение пищевых продуктов.
Поэтому требуется создание контуров для охлаждения и хранения, которые будут использоваться только для нужд биотехнологии, что повлечет за собой дополнительные затраты электроэнергии, дефицитной на борту КА.
Таким образом, нет соответствия между имеющимися средствами и требованиями по надежному обеспечению стабильно низких температур для хранения белковых лекарственных биопрепаратов, получаемых в процессе космической биотехнологии на борту КА.
Недостатком прототипа устройства является неэффективность и надежность использования существующего контейнера в составе шдюзовой камеры для выполнения задачи получения льда в айспакете из-за невозможности обеспечить постоянную минусовую температуру в течение времени, отводимого на штатную ориентацию шлюзовой камеры на Солнце, ввиду постоянного теплопритока от конструкции шлюзовой камеры и КА и отсутствия плотного контакта поверхности айспакетов с крышкой контейнера.
Цель изобретения обеспечение дешевого и надежного получения льда на борту космического аппарата.
Для этого в способе получения льда в айспакете на борту КА, включающем охлаждение воды в айспакете ниже 0оС и последующую выдержку при указанной температуре, предварительно воду в айспакете размещают в шлюзовой камере, выполненной с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающие с поперечной осью КА, затем сообщают полость шлюзовой камеры с забортным пространством в момент ориентации КА бортом, противоположным люку шлюзовой камеры, на Солнце и с поперечной осью, проходящей через центр масс Солнца, при этом выдержку воду при температуре ниже 0оС производят при указанной ориентации КА в течение времени (t), определяемом по зависимости
tk(H)
где К коэффициент, учитывающий высоту орбиты (Н);
К(Н) 0,15-2,5˙10-3Н;
m масса охлаждаемых айспакетов;
S суммарная площадь айспакетов, прижатых изнутри к крышке контейнера.
Для решения поставленной задачи в устройстве для получения льда в айспакете на борту КА, содержащем шлюзовую камеру, выполненную с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающей с поперечной осью КА, контейнер, размещенный в шлюзовой камере и ориентированный крышкой к наружному люку, а также механизм фиксации контейнера, крышка контейнера выполнена выпуклой и снабжена ребрами, а между крышкой и дном контейнера установлена тарельчатая пружина, выполненная в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышки, снабжено опирающимися о дно контейнера гибкими листовыми пластинами, закрепленными по периферии диска тарельчатой пружины, образующей с крышкой полость для укладки айспакетов, при этом наружная поверхность корпуса контейнера снабжена экранно-вакуумной теплоизоляцией, а механизм фиксации контейнера в шлюзовой камере снабжен термомостом.
Кроме того, поверхность крышки контейнера может быть покрыта белой эмалью со степенью черноты 0,9.
На фиг.1 изображен космический комплекс, иллюстрирующий способ получения льда; на фиг.2 устройство для осуществления способа получения льда; на фиг.3 узел I на фиг.2.
На фиг.1 представлен космический комплекс (КК) "Мир" в положении ориентации поперечной осью на центр масс Солнца (ЦМС). В состав КК входит космический аппарат "Мир" I и пристыкованные к нему астрофизические модули "Квант" 2 и "Кристалл" 3. Космический аппарат 1 и модули 2 и 3 снабжены солнечными батареями 4, ориентированными поверхностями на Солнце.
Ось Х (поз.5) направлена вдоль продольной оси базового блока и всего космического комплекса, ось Y (поз.6) перпендикулярна к оси Х, поперечная ось направлена на центр Масс Солнца 7, а ось Z (поз.8) дополняет оси Х и Y до принятой системы координат. На теневой стороне базового блока (противоположной стороне, обращенной к ЦМС) расположена крышка наружного люка 9 шлюзовой камеры, ось симметрии которого совпадает с поперечной осью Y
На фиг. 2 представлено устройство для осуществления способа. Устройство показано в положении загрузки, когда крышка наружного люка размещена со стороны забортного пространства до поворота на 180оподвижного внутреннего корпуса.
Устройство включает шлюзовую камеру, состоящую из двух основных частей: неподвижного внешнего корпуса 10 и поворотного внутреннего корпуса 11. Неподвижный внешний корпус выполнен, например, сферическим и закреплен на обечайке космического аппарата и уплотнен герметизирующим и теплоизолирующим кольцом 12.
Внутренний корпус 11 снабжен механизмом поворота, включающим электропривод 13, соединенный выходным валом через муфту сцепления с поворотной осью 14, жестко скрепленной с внутренним корпусом 11.
Механизм поворота позволяет осуществить установку внутреннего корпуса 11 в два положения: рабочее крышкой наружного люка 9 в сторону рабочего отсека 15 или положение "Загрузка", когда крышка наружного люка обращена в сторону забортного пространства.
Крышка наружного люка 9 соединена с поворотным корпусом 11 шлюзовой камеры 11 через привод герметизации наружного люка 16, закрепленный на поворотном внутреннем корпусе 11. Таким образом, крышка наружного люка поворачивается на 180о вокруг поворотной оси 14. Шлюзовая камера сообщается с рабочим отсеком космического аппарата с помощью загрузочного люка, закрываемого крышкой 17, снабженной механизмом поворота с рукояткой 18.
Во внутренней полости 19 поворотного корпуса 11 шлюзовой камеры (ШК) с помощью механизма фиксации установлен контейнер 20 с крышкой 21, выпуклой в сторону забортного пространства. Форма корпуса 20 контейнера может быть любой, удобной для его компановки во внутреннем поворотном корпусе 11 ШК. На фиг. 2 показан корпус, например, с плоским дном. Крышка 21 герметизируется с корпусом контейнера путем изолирующей фторопластовой прокладки 22 и болтового соединения 23 и выполнена из теплопроводного алюминиево-магниевого сплава. Выпуклая крышка обладает большей поверхностью (чем плоская), что также способствует лучшему отводу тепла с крышки. Механизм же фиксации включает штырь 24, соединенный с одной стороны с дном контейнера, а с другой оканчивающийся пятой 25, фиксирующейся в гнезде 26 на корпусе шлюзовой камеры с помощью подпружиненных защелок 27. Штырь с пятой выполнены из пластика, например АГ 4 ( eλ 0,3 ккал/м ˙ч оС), и представляет собой тепловой мост.
В контейнере между крышкой 21 и дном уложена тарельчатая пружина 28 из теплопроводного материала, например из омедненной пружинной стали 60С 2А ГОСТ 14959-79, выполненная в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышки 21 контейнера и снабженная гибким листовыми пластинами 29, опирающимися о дно контейнера. Крышка 21 и тарельчатая пружина 28 образуют между собой полость 30, в которую укладываются айспакеты 31. Наличие тарельчатой пружины и ее выполнение с гибкими листовыми пластинами и в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышка, обеспечивает плотный контакт айспакетов 31 с крышкой 21.
Наружная поверхность корпуса контейнера покрыта экранно-вакуумной теплоизоляцией 32 (ОСТ-92-1380-83), а наружная поверхность крышки контейнера покрыта белой эмалью 33 (эмаль КО-5191 по ТУ 6-10-11-45-90) со степенью черноты 0,9.
Конструкция контейнера позволяет свести к минимуму воздействие тепловых потоков от элементов конструкции станции на крышку контейнера, рассеивать тепловую энергию за счет излучения с крышки контейнера, обеспечение охлаждение и айспакетов, находящихся в плотном тепловом контакта с крышкой.
Способ реализуется устройством в следующей последовательности действий и режимов.
Предварительно в условиях орбитального полета на борту КА оператор размещает айспакеты в шлюзовой камере. Указанное действие может быть проведено в любой удобный для оператора космонавта момент времени до начала штатной ориентации космического комплекса. Укладку айспакетов в контейнер оператор выполняет на столе в рабочем отсеке 15. На дно контейнера 20 укладывают тарельчатую пружину 28, затем плотно айспакеты 31, проверяют наличие и целостность теплоизолирующей прокладки 22, плотно прижимают крышкой 21 и затягивают крышку на контейнере путем болтового соединения 23. Внутренний поворотный корпус 11 установлен в положение "Загрузка". Поворотом рукоятки 18 оператор открывает крышку загрузочного люка. С помощью механизма фиксации (поз. 24, 25 и 27) оператор закрепляет контейнер в гнездо 26 на корпусе шлюзовой камеры, после чего крышку 17 загрузочного люка закрывают.
По команде от системы управления движением (СУД) выполняют автоматическое пространство и поддержание ориентации космического комплекса (КК) относительно солнечной системы координат, схема которой приведена на фиг.1. Исполнительные органы ориентируют КК так, что поперечная ось Y (поз.6) проходит через центр масс Солнца (поз.7). На стороне КА, противоположной Солнцу, размещен наружный люк 9 шлюзовой камеры, ось симметрии которой совпадает с поперечной осью Y космического аппарата. Выполняют штатную ориентацию для зарядки аккумуляторных батарей 4. Сообщают полость 19 шлюзовой камеры с забортным пространством.
Для этого с помощью механизма поворота (поз.13 и 14) и привода герметизации наружного люка 16 оператор разворачивает внутренний корпус 11 шлюзовой камеры вместе с крышкой наружного люка на 180о, предварительно сбросив давление из полости шлюзовой камеры. Таким образом, внутренний корпус 11 шлюзовой камеры с размещенным в нем контейнером устанавливают в рабочее положение экспонирования,
Осуществляют выдержку айспакетов в режиме охлаждения при указанном положении ориентации космического аппарата в течение времени, не меньше определенного по зависимости
tзам k(H)
; k(H) 1,5 ÷ 2,5˙ 10-3Н.
В процессе выдержки охлаждение воды в айспакетах ниже 0оС осуществляется за счет рассеивания тепловой энергии с крышки 21, контейнера, в плотном тепловом контакте с которой в полости 30, образованной крышкой 21 и диском тарельчатой пружины 28, уложены айспакеты 31. Пара айспакет 31 крышка контейнера 21 полностью изолирована от теплового влияния КА путем ведения изолирующей тепловой прокладки 22 в месте крепления крышки 21 с корпусом 20, снабжения механизма крепления контейнера к корпусу шлюзовой камеры термомостом (поз. 24 и 25), покрытия корпуса контейнера теплоизоляцией 32. Крышка 21, выполненная выпуклой и снабженная ребрами 34, остывает в течение менее 5 мин до температуры ниже 0оС и выполняет задачу рассеивания тепла айспакетов.
По истечении расчетного времени операции повторяют в обратном порядке.
Оператор закрывает крышку наружного люка 9, поворачивает на 180овнутренний корпус 11 шлюзовой камеры, наддувает шлюзовую камеру, открывает крышку 17 загрузочного люка, вынимает контейнер и переносит его в рабочий отсек. Проверив качество заморозки воды в айспакетах, оператор использует их затем в специальных контейнерах термосах для хранения биопродукции, полученной на борту КА, и доставки в этих же контейнерах на Землю.
В случае необходимости получения большого количества айспакетов со льдом следующую партию айспакетов заряжают в контейнер перед новым сеансом ориентации и указанные операции повторяют.
Использование: в ракетно-космической технике для получения льда в айспакете на борту космического аппарата (КА). Сущность изобретения: для получения льда в айспакете на борту КА со шлюзовой камерой, у которой ось симметрии проходит через наружный люк шлюзовой камеры и совпадает с поперечной осью КА, охлаждают воду в айспакете путем предварительного размещения айспакета в шлюзовой камере и сообщают полость шлюзовой камеры с забортным пространством в момент ориентации КА, при которой поперечная ось КА проходит через центр масс Солнца, причем на Солнце обращена сторона КА, противоположная той, на которой размещен люк шлюзовой камеры. Охлаждение производят в течение расчетного времени до замораживания. В устройстве указанная шлюзовая камера содержит размещенный с ней соосно контейнер с выпуклой крышкой, обращенной в сторону наружного люка шлюзовой камеры. В теплоизолированном корпусе контейнера установлена тарельчатая пружина, выполненная в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышки, и с гибкими листовыми пластинами, опирающимися о дно корпуса. Крышка и тарельчатая пружина образуют полость для укладки айспакетов. Механизм фиксации контейнера в шлюзовой камере снабжен термомостом. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
t K (H) m/S,
где K коэффициент, учитывающий высоту орбиты H
K (H) 0,15 2,5·10-3Н;
m масса охлаждаемых айспакетов;
S суммарная площадь айспакетов, прижатых изнутри к крышке контейнера.
| ОБЪЕМНЫЙ ДОЗАТОР ЖИДКОСТИ | 2004 |
|
RU2271520C1 |
