УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КРИОГЕННОЙ ЕМКОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2011 года по МПК B64G1/58 F16L59/06 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к вопросам обеспечения режима эксплуатации криогенных емкостей.

Экранно-вакуумная теплоизоляция - наиболее распространенный вид теплоизоляции емкостей с криогенным компонентом, предназначенных для длительного пребывания в космических условиях. Эта теплоизоляция применяется для теплозащиты емкостей как в атмосферных условиях, так и в условиях космического пространства. Экранно-вакуумная теплоизоляция состоит из металлизированных пленок (экранов) с малотеплопроводными прокладками.

Одним из главных условий эффективной работы экранно-вакуумной теплоизоляции, применяемой для теплозащиты криогенных емкостей, предназначенных для длительного пребывания в космических условиях, является создание и поддержание давления остаточных газов между ее экранами не более 1·10^-4 мм рт.ст. При этом давлении основными составляющими теплового потока через экранно-вакуумную теплоизоляцию являются излучение и перенос тепла теплопроводностью по твердому телу. Повышение давления сверх названного приводит к увеличению эффективного коэффициента теплопроводности изоляции за счет теплопроводности остаточного газа, величина которой может значительно превышать теплопроводность по твердому телу и передачу тепла излучением.

Известно устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости, представляющее собой вакуумно-многослойную теплоизоляцию (экранно-вакуумную теплоизоляцию), нанесенную на наружную поверхность криогенной емкости, поверх которой установлен жесткий герметичный кожух (гермооболочка) с предохранительным устройством (мембрана или предохранительный клапан) предохраняющее кожух от разрушения от внутреннего давления. Для снижения эффективного коэффициента теплопроводности и, соответственно, потерь криогенного компонента из полости между емкостью и кожухом откачивается воздух. (См. М.Г.Каганер «Тепловая изоляция в технике низких температур». Издательство «Машиностроение». Москва 1966 г., стр.237-262). Это устройство принято за прототип.

Недостатками прототипа является:

- применение жесткого металлического герметичного кожуха в составе криогенной емкости космического объекта приводит к значительному увеличению его массы;

- даже незначительная негерметичность кожуха в процессе эксплуатации космического объекта приводит к проникновению в полость между криогенной емкостью и кожухом атмосферного воздуха, к увеличению эффективного коэффициента теплопроводности и, соответственно, к потерям криогенного компонента за счет его прогрева и испарения.

Задачей устройства является уменьшение потерь криогенного компонента на его испарение при длительной эксплуатации космических объектов и снижение массы космического объекта.

Задача решается за счет того, что в устройстве обеспечения теплового режима криогенной емкости при эксплуатации космического объекта, содержащем экранно-вакуумную теплоизоляцию, гермооболочку поверх экранно-вакуумной теплоизоляции и предохранительные клапаны, сообщенные с полостью между гермооболочкой и криогенной емкостью и предотвращающие разрушение гермооболочки от внутреннего давления, гермооболочка выполнена из мягкого неметаллического материала, опертого на экранно-вакуумную теплоизоляцию с помощью равномерно распределенных по внутренней поверхности гермооболочки неметаллических бобышек, образуя полость между криогенной емкостью и гермооболочкой. Полость между криогенной емкостью и гермооболочкой сообщена с пироклапанами, вскрывающими полость между гермооболочкой и криогенной емкостью на начальном участке выведения объекта в космическое пространство, и с дренажными клапанами, которые открываются с падением атмосферного давления в процессе выведения объекта в космическое пространство и сообщают полость между гермооболочкой и криогенной емкостью с окружающей атмосферой, в результате чего происходит истечение газа из полости между гермооболочкой и криогенной емкостью до полного вакуумирования экранно-вакуумной теплоизоляции.

На фиг.1 и 2 схематично представлено устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости при эксплуатации космического объекта, где:

1. криогенная емкость;

2. экранно-вакуумная теплоизоляция;

3. гермооболочка;

4. неметаллические бобышки;

5. полость между гермооболочкой и криогенной емкостью;

6. предохранительные клапаны;

7. пироклапаны;

8. дренажные клапаны.

В устройстве обеспечения теплового режима криогенной емкости 1 при эксплуатации космического объекта, содержащем экранно-вакуумную теплоизоляцию 2 и гермооболочку 3 поверх экранно-вакуумной теплоизоляции 2 с предохранительными клапанами 6, сообщенными с полостью между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 и предотвращающими разрушение гермооболочки от внутреннего давления, гермооболочка 3 выполнена из мягкого неметаллического материала, опертого на экранно-вакуумную теплоизоляцию 2 с помощью равномерно распределенных по внутренней поверхности гермооболочки 3 неметаллических бобышек 4, образуя полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5, включая межслойные пространства экранно-вакуумной теплоизоляции 2. Полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 сообщена с пироклапанами 7, вскрывающими полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 на начальном участке выведения объекта в космическое пространство, и дренажными клапанами 8, которые открываются с падением атмосферного давления в процессе выведения объекта в космическое пространство и сообщают полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 с окружающей атмосферой, в результате чего происходит истечение газа из полости между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 до полного вакуумирования экранно-вакуумной теплоизоляции 2.

Гермооболочка 3 выполняется герметичной и полностью охватывает криогенную емкость 1. Между гермооболочкой 3 и криогенной емкостью размещается экранно-вакуумная теплоизоляция 2. Сборка гермооболочки 3 может выполняться и монтироваться на криогенной емкости 1, например, путем склеивания отдельно скроенных ее элементов. При наличии элементов конструкции (трубопроводы, кабели и др.), проходящих через гермооболочку 3 к криогенной емкости 1, в гермооболочку 3 могут быть вклеены, например, рукава, охватывающие эти элементы конструкции и герметизирующиеся на них, например, с помощью резиновых вкладышей и шнуров.

Полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 сообщена с предохранительными клапанами 6, автоматическое срабатывание которых происходит при превышении давления в полости между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 выше настроечного давления предохранительных клапанов 6. Наличие предохранительных клапанов 6 предотвращает разрушение гермооболочки 3 от внутреннего давления независимо от степени герметичности гермооболочки 3.

Количество предохранительных клапанов 6 и дренажных клапанов 8 выбирается исходя из объема экранно-вакуумной теплоизоляции 2 и из условия беспрепятственного выхода из нее газа.

Получение вакуума в экранно-вакуумной теплоизоляции 2 космического объекта за минимальное время выхода экранно-вакуумной теплоизоляции 2 на стационарный режим вакуумирования приводит к уменьшению потерь криогенного компонента на его испарение.

Устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости 1 при эксплуатации космического объекта работает следующим образом.

После старта ракеты срабатывают пироклапаны 7, вскрывается полость между гермооболочкой и криогенной емкостью 5, обеспечивая выход газа с падением атмосферного давления на начальном участке полета ракеты. Далее под действием снизившегося атмосферного давления срабатывают дренажные клапаны 8, которые в дополнении к пироклапанам 7 увеличивают площадь сообщения полости между гермооболочкой и криогенной емкостью 5 с окружающей космический объект средой, при этом обеспечивается беспрепятственный выход газа из полости гермооболочки 3, тем самым вакуумируется экранно-вакуумная теплоизоляция 2 до степени вакуума окружающей среды, и она приобретает готовность к работе в космических условиях.

Предлагаемое устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости 1 при эксплуатации космического объекта за счет увеличение степени вакуумирования экранно-вакуумной теплоизоляции 2 за минимальное время путем сообщения ее с окружающей средой, начиная с момента выведения объекта в космическое пространство, обеспечивает сокращение времени выхода экранно-вакуумной теплоизоляции 2 на стационарный режим вакуумирования без ограничения площади теплоизолируемой поверхности, при этом используется возможность естественного достижения вакуума в экранно-вакуумной теплоизоляции 2 в процессе эксплуатации объекта в космическом пространстве и снижаются потери криогенного компонента криогенной емкости 1 на его испарение при длительной эксплуатации космических объектов, в результате чего значительно снижается масса космического объекта.

Кроме того, такое устройство за счет выполнения гермооболочки 3 из мягкого неметаллического материала позволяет уменьшить массу устройства, не требует высокой степени герметичности гермооболочки 3.

Изобретение относится к теплоизоляции, преимущественно криогенных емкостей космических изделий. Устройство обеспечивает тепловой режим криогенной емкости (1) и содержит экранно-вакуумную теплоизоляцию (2), гермооболочку (3) поверх теплоизоляции (2) и предохранительные клапаны (6), сообщенные с полостью между емкостью (1) и гермооболочкой (3). Клапаны (6) предотвращают разрушение гермооболочки от внутреннего давления. Гермооболочка (3) выполнена из мягкого неметаллического материала, опертого на теплоизоляцию (2) с помощью равномерно расставленных неметаллических бобышек (4). Тем самым образована полость (5) между емкостью (1) и гермооболочкой (3). Пироклапаны (7) вскрывают эту полость на начальном участке выведения объекта в космическое пространство. Дренажные клапаны (8) открываются с падением атмосферного давления в процессе выведения объекта и сообщают полость (5) с окружающей атмосферой. В результате происходит истечение газа из полости (5) до полного вакуумирования теплоизоляции (2). Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь криогенного компонента на его испарение при длительной эксплуатации космических объектов и снижение массы космического объекта. 2 ил.

Устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости при эксплуатации космического объекта, содержащее экранно-вакуумную теплоизоляцию, гермооболочку поверх экранно-вакуумной теплоизоляции и предохранительные клапаны, сообщенные с полостью между гермооболочкой и криогенной емкостью и предотвращающие разрушение гермооболочки от внутреннего давления, отличающееся тем, что гермооболочка выполнена из мягкого неметаллического материала, опертого на экранно-вакуумную теплоизоляцию с помощью равномерно распределенных по внутренней поверхности гермооболочки неметаллических бобышек, образуя полость между криогенной емкостью и гермооболочкой, которая сообщена с пироклапанами, вскрывающими данную полость на начальном участке выведения объекта в космическое пространство, и с дренажными клапанами, которые открываются с падением атмосферного давления в процессе выведения объекта в космическое пространство и сообщают полость между криогенной емкостью и гермооболочкой с окружающей атмосферой, в результате чего происходит истечение газа из данной полости до полного вакуумирования экранно-вакуумной теплоизоляции.