УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2008 года по МПК B64G5/00 B64G1/50 F25B29/00 

Предлагаемое изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к наземным средствам термостатирования космических объектов при подготовке их к пуску на стартовых комплексах в любое время года, когда в зависимости от температуры окружающей среды возникает необходимость в очистке, осушке, нагреве или охлаждении термостатирующего воздуха.

Термостатирование большинства космических объектов производится одним потоком воздуха, подаваемым в космический объект с требуемыми величинами давления, расхода, температуры, влажности и чистоты. Однако в некоторых космических объектах устанавливаются аппараты и устройства (например, аккумуляторные батареи), для надежного функционирования которых необходима подача термостатирующего воздуха уменьшенного расхода, но при более высоком давлении для преодоления их гидравлического сопротивления и обеспечения истечения в воздушную среду космического объекта, а затем вместе с основным потоком в окружающую среду через неплотности объекта или специальные дренажные люки.

Так, например, для термостатирования комических объектов, которые планируются для запуска существующими ракетоносителями типа «Протон» и перспективными типа «Ангара», необходима подача термостатирующего воздуха непосредственно в космический объект с расходом от 6000 до 15000 кг/ч при давлении до 3000 Па, а для локальной подачи в аппарат, расположенный внутри космического объекта, с расходом 1300 кг/ч при давлении до 10000 Па.

Известны устройства по авторским свидетельствам SU №799584, №1749653, №1740911, МПК F25B 29/00 и по патентам РФ №2190165, F24F 5/00, 3/14, В64D 13/00, 27.09.2002 г., №2184912, 7 F25B 29/00, 19/00, 10.07.2002 г., содержащие средства воздухоснабжения, осушки, охлаждения, нагрева и предварительной очистки атмосферного воздуха, в которых в качестве средств воздухоснабжения используется вентилятор или компрессор, которые обеспечивают подачу одного потока термостатирующего воздуха с давлением, позволяющим преодолевать сопротивление аппаратов осушки, охлаждения, нагрева воздуха и магистрального трубопровода воздуха и иметь требуемую величину давления воздуха на входе в космический объект для преодоления сопротивления объекта при истечении в окружающую среду.

Известны также способы и установки для обеспечения объектов теплом и холодом по авторским свидетельствам SU №803591, №915524, №980997, №1561622, МПК F25B 29/00, в которых при наличии одного средства воздухоснабжения получают два потока термостатирующего воздуха при одинаковом давлении: один поток охлаждается до требуемой температуры при расширении в турбодетандере, а второй поток нагревается до требуемой температуры в рекуперативных теплообменниках при теплообмене с потоком воздуха, нагретым при сжатии в средствах воздухоснабжения.

Недостатками указанных выше способов и устройств термостатирования являются:

1. Невозможность выделения из общего потока термостатирующего воздуха дополнительного потока с малым расходом воздуха для термостатирования аппаратов или устройств, расположенных внутри космического объекта в режиме, отличном от режима объекта при большей величине давления воздуха, позволяющей преодолеть гидравлическое сопротивление внутренних полостей аппаратов или устройств и обеспечить истечение воздуха в космический объект и далее в окружающую среду.

2. Отсутствуют средства тонкой очистки воздуха от твердых частиц размером от 0,5 до 5 мкм, устанавливаемые на магистрали подачи воздуха в космический объект после аппаратов осушки, охлаждения и нагрева воздуха, для обеспечения чистоты воздуха в соответствии с требованиями федерального стандарта США FS 209 Е класс 100.000, а также средства контроля чистоты воздуха, проведение которого обязательно для современных и перспективных космических объектов.

3. Ограниченное время работы в режиме осушки воздуха с использованием адсорбера, обусловленное объемом адсорбера и временем насыщения его влагой.

4. Необходимость регенерации адсорбера после насыщения его влагой путем подачи в него сухого воздуха, нагретого до температуры 250°С от 8 до 10 часов, что связано с большим дополнительным потреблением электроэнергии и потерями продукционного воздуха.

Проведенные патентные исследования показали, что по технической сущности наиболее близким к техническому решению в предлагаемой заявке на изобретение является устройство для воздушного термостатирования космических объектов по патенту РФ №2201384 7 B64G 5/00, 1/50 G01N 21/00, 27.03.2003 г., который выбран в качестве прототипа предлагаемого устройства.

Устройство по патенту РФ №2201384 содержит заборные устройства, вентиляторы, фильтры предварительной и тонкой очистки воздуха, охладители воздуха, магистрали подачи жидкого холодоносителя, холодильный центр, электронагреватели воздуха, магистральный трубопровод подачи воздуха в космический объект с установленным на нем блоком контроля чистоты воздуха, соединенным кабелем связи с электронным устройством индикации, регистрации и документирования результатов контроля чистоты воздуха, расположенным в пультовой системе управления пуском ракетоносителя.

Недостатком этого устройства является то, что весь поток термостатирующего воздуха сжимается до требуемой величины давления в вентиляторе и нагревается или охлаждается до одной фиксированной температуры, что не позволяет использовать его для термостатирования внутренних полостей аппаратов или устройств, установленных внутри космического объекта, для которых требуется подача термостатирующего воздуха при более высоком давлении и с другой температурой.

Например, на стартовых комплексах типа 8П882К-4Ф при подготовке к пуску ракетоносителей «Протон» для термостатирования различных космических объектов используется система 11Г323П, которая выполнена по схеме прототипа и обеспечивает подачу в космические объекты очищенного воздуха с требуемыми параметрами (расходом, давлением, температурой, влажностью), а термостатирование аппаратов, расположенных внутри космических объектов, производится путем подачи в них жидкости с требуемыми расходом и температурой и последующим возвратом жидкости в систему термостатирования. Это приводит к усложнению и утяжелению аппаратов, а также к необходимости иметь в составе системы термостатирования средства для хранения, транспортирования, охлаждения и нагрева термостатирующей жидкости, что увеличивает затраты на создание и эксплуатацию систем термостатирования.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков с целью обеспечения термостатирования аппаратов или устройств, расположенных в космических объектах, при температуре и давлении термостатирующего воздуха, отличных от температуры и давления основного потока воздуха, а также снижение затрат на создание систем термостатирования путем исключения из систем средств хранения, транспортирования, охлаждения и нагрева термостатирующей жидкости.

Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для воздушного термостатирования космических объектов, содержащее заборное устройство воздуха окружающей среды, вентиляторы, фильтры предварительной и тонкой очистки воздуха, охладители воздуха, магистрали подачи жидкого холодоносителя, холодильный центр, электронагреватели воздуха, магистральный трубопровод подачи воздуха в космический объект с установленным на нем блоком контроля чистоты воздуха, соединенным кабелем связи с электронным устройством индикации, регистрации и документирования результатов контроля чистоты воздуха, расположенным в пультовой системе управления пуском ракетоносителя, снабжено дополнительным магистральным трубопроводом подачи воздуха в аппарат, расположенный внутри космического объекта, на котором последовательно установлены нагнетатель воздуха, охладитель воздуха, соединенный магистралями подачи жидкого холодоносителя с холодильным центром, электронагреватель воздуха и блок контроля чистоты воздуха, соединенный кабелем связи с электронным устройством индикации, регистрации и документирования результатов контроля чистоты воздуха. Трубопровод подачи воздуха в аппарат, расположенный в космическом объекте, соединен с магистральным трубопроводом подачи воздуха в космический объект перед электронагревателем и после фильтра тонкой очистки воздуха, что обеспечивает очистку воздуха, подаваемого для термостатирования аппарата, расположенного внутри космического объекта.

Сравнительный анализ признаков известных технических решений, содержащихся в аналогах, прототипе и предлагаемом устройстве, показал, что заявляемая совокупность признаков предлагаемого устройства для воздушного термостатирования космических объектов соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом.

Устройство для воздушного термостатирования космических объектов содержит заборное устройство 1 воздуха окружающей среды, фильтр 2 предварительной очистки воздуха, вентилятор 3 для подачи воздуха окружающей среды, охладители воздуха 4, 5, 6, фильтр 7 тонкой очистки воздуха, электронагреватель воздуха 8, магистральный трубопровод 9 подачи воздуха в космический объект 10 ракетоносителя 11, установленного на пусковом устройстве 12, магистральный трубопровод 13 подачи воздуха в аппарат 14, расположенный в космическом объекте 10, нагнетатель воздуха 15, охладитель воздуха 16 и электронагреватель 17.

Охладители воздуха 4, 5, 6 и 16 связаны магистралями подачи холодоносителя 18 с холодильным центром 19, а охладители воздуха 5 и 6 - магистралями подачи горячего воздуха 20 с вентилятором 21 и электронагревателем 22. Магистральные трубопроводы 9 и 13 расположены на агрегате обслуживания 23 и на них установлены блоки контроля чистоты воздуха 24 и 25, соединенные кабелями связи 26 и 27 с электронным устройством 28 индикации, регистрации и документирования результатов контроля чистоты воздуха, расположенным в пультовой системе 29 управления пуском ракетоносителя 11.

Работа предлагаемого устройства для воздушного термостатирования космических объектов начинается с момента установки ракетоносителя 11 на пусковое устройство 12 и заканчивается в момент отвода агрегата обслуживания 23 от ракетоносителя 11.

Устройство функционирует следующим образом. Воздух окружающей среды с расходом, равным сумме потребных расходов воздуха для термостатирования космического объекта и аппарата, расположенного внутри космического объекта, через заборное устройство 1 и фильтр 2 предварительной очистки воздуха от аэрозольного загрязнения поступает в вентилятор 3, где сжимается до давления, обеспечивающего требуемое давление на входе в космический объект (до 3000 Па), и затем подается в охладитель воздуха 4 для охлаждения до температуры плюс 3°С путем теплообмена с жидким холодоносителем, подаваемым по магистралям подачи холодоносителя 18 из холодильного центра 19. В охладителе воздуха 4 происходит постоянная конденсация влаги, которая непрерывно отводится в канализацию.

Дальнейшее охлаждение воздуха, обеспечивающее требуемую относительную влажность воздуха и требуемую температуру на входе в космический объект (от плюс 5 до минус 25°С), производится в регенерационных охладителях воздуха 5 и 6, работающих попеременно: один - в режиме вымораживания влаги на теплопередающих поверхностях охладителя воздуха при теплообмене с жидким холодоносителем, подаваемым из холодильного центра 19 по магистралям подачи холодоносителя 18; другой - в режиме регенерации, которая производится путем подачи вентилятором 21 в регенерируемый охладитель воздуха, нагретого до температуры 80°С в электронагревателе 22, с последующим выбросом увлажненного воздуха в окружающую среду. Охлажденный и осушенный воздух поступает в фильтр 7 тонкой очистки воздуха от твердых частиц размером от 0,5 до 5 мкм, а затем в электронагреватель воздуха 8, где нагревается до требуемой температуры при работе устройства в режиме нагрева в зимний период времени при отрицательных температурах окружающей среды, при этом жидкий холодоноситель в охладители воздуха 4, 5, 6 не подается. Далее воздух с требуемыми величинами расхода, относительной влажности, температуры и степени чистоты по магистральному трубопроводу 9, расположенному на агрегате обслуживания 23, поступает в космический объект 10. Контроль чистоты воздуха производится автоматическим блоком контроля чистоты воздуха 24, а результаты контроля передаются по кабелю связи 26 на электронное устройство 28, расположенное в пультовой системе 29 управления пуском ракетоносителя 11.

Для термостатирования аппарата 14, расположенного внутри космического объекта 10, осушенный, охлажденный и очищенный воздух с требуемой величиной расхода отбирается из магистрального трубопровода 9 подачи воздуха в космический объект после фильтра 7 тонкой очистки воздуха и до электронагревателя воздуха 8 и по магистральному трубопроводу 13, на котором расположены дополнительные нагнетатель воздуха 15, охладитель воздуха 16, электронагреватель 17 и блок контроля чистоты воздуха 25, подается в аппарат 14.

В нагнетателе 15 воздух сжимается до давления, обеспечивающего требуемое давление на входе в аппарат 14 (до 10000 Па). При сжатии воздуха в нагнетателе 15 происходит его нагрев примерно на 15°С, поэтому для получения требуемой температуры воздуха на входе в аппарат 14 охлаждение воздуха производится в охладителе воздуха 16 при теплообмене с жидким холодоносителем, подаваемым из холодильного центра 19 по магистралям подачи 18. При работе в режиме нагрева воздух нагревается до требуемой температуры в электронагревателе 17. Контроль чистоты воздуха производится автоматическим блоком контроля чистоты воздуха 25, а результаты контроля передаются по кабелю связи 27 на электронное устройство 28, расположенное в пультовой системе 29 управления пуском ракетоносителя 11.

Таким образом, предлагаемое устройство для термостатирования космических объектов позволяет обеспечить требуемый температурно-влажностный режим как космических объектов, так и аппаратов или устройств, расположенных внутри объектов, путем подачи в них требуемых расходов воздуха с одинаковой влажностью и степенью очистки от твердых частиц при различных величинах давления и температуры, а также автоматический дистанционный контроль чистоты воздуха одним электронным устройством индикации, регистрации и документирования результатов контроля, расположенным в пультовой системе управления пуском ракетоносителя, повысить надежность и безопасность функционирования аппаратов и устройств, расположенных в космических объектах.

Предлагаемое устройство для воздушного термостатирования космических объектов с расположенными внутри них аппаратами планируется использовать при доработке системы воздушного термостатирования на стартовом комплексе ракетоносителя «Протон» для обеспечения термостатирования перспективных космических объектов, а также при создании системы воздушного термостатирования в составе вновь создаваемого стартового комплекса «Байтерек» для ракетоносителя нового типа «Ангара».

Изобретение относится к наземному оборудованию объектов ракетно-космической техники и обеспечивает автоматическое поддержание требуемого температурно-влажностного режима и степени чистоты среды этих объектов. Предлагаемое устройство предназначено для термостатирования космического объекта и расположенного в нем аппарата единым потоком сжатого окружающего воздуха. Данное устройство содержит магистральные трубопроводы подачи воздуха в космический объект и в аппарат. На первом из трубопроводов установлены заборное устройство, вентиляторы для сжатия и подачи воздуха, фильтры предварительной и тонкой очистки воздуха, охладители воздуха, электронагреватель и блок контроля чистоты воздуха. Охладители соединены магистралями подачи жидкого хладоносителя с холодильным центром. Блок контроля соединен кабелем связи с электронным устройством индикации, регистрации и документирования результатов контроля чистоты воздуха, расположенным в пультовой системе управления пуском. На магистральном трубопроводе подачи воздуха в аппарат установлены нагнетатель для сжатия и подачи воздуха, а также аналогичные описанным выше охладитель воздуха, электронагреватель воздуха и блок контроля чистоты воздуха, соединенный кабелем связи с электронным устройством индикации, регистрации и документирования результатов контроля чистоты воздуха. Оба магистральных трубопровода соединены друг с другом в месте, расположенном после фильтра тонкой очистки воздуха. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и безопасности функционирования аппаратов, расположенных внутри космических объектов, в процессе их подготовки к пуску, при пуске и полете ракет-носителей. 1 ил.

Устройство для воздушного термостатирования космических объектов, содержащее заборное устройство воздуха окружающей среды, вентиляторы, фильтры предварительной и тонкой очистки воздуха, охладители воздуха, магистрали подачи жидкого хладоносителя, холодильный центр, электронагреватели воздуха, магистральный трубопровод подачи воздуха в космический объект с установленным на нем блоком контроля чистоты воздуха, соединенным кабелем связи с электронным устройством индикации, регистрации и документирования результатов контроля чистоты воздуха, расположенным в пультовой системе управления пуском ракеты-носителя, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным магистральным трубопроводом подачи воздуха в термостатируемый аппарат, расположенный внутри космического объекта, причем на этом трубопроводе последовательно установлены нагнетатель воздуха, охладитель воздуха, соединенный магистралями подачи жидкого хладоносителя с холодильным центром, электронагреватель воздуха и блок контроля чистоты воздуха, соединенный кабелем связи с указанным электронным устройством индикации, регистрации и документирования, при этом указанный дополнительный трубопровод подачи воздуха в аппарат соединен с магистральным трубопроводом подачи воздуха в космический объект после фильтра тонкой очистки воздуха.