Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к воздушному термостатированию панельных космических аппаратов (КА) при проведении наземной подготовки, сопряженной с работой тепловыделяющего оборудования. Изобретение может быть использовано при создании средств наземного термостатирования панельных КА в рамках организации рабочего места для наземных испытаний.
Известно устройство подачи термостатирующей среды в отсек ракеты-носителя [патент RU 2368548, опубл. 27.09.2009, Бюл. №27, МПК: B64G 1/50 (2006.01), B64G 1/48 (2006.01)], содержащее устройство (трубопровод) для подачи термостатирующей среды в отсек ракеты-носителя и устройство для формирования газодинамического потока (диффузор), являющийся сменным и связанный с оболочкой отсека с помощью разъемного соединения.
Недостаток известного устройства - подача воздуха на объект термостатирования осуществляется интегрально, то есть отсутствует возможность распределенной подачи термостатирующей среды (ТС) на различные зоны объекта. В соответствии с этим для обеспечения требуемых коэффициентов теплоотдачи в наиболее теплонагруженных зонах общий расход термостатирующей среды является изначально завышенным для менее теплонагруженных зон.
Задачей изобретения является создание средств распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность КА при проведении наземных испытаний (далее устройство), обеспечивающих регулируемый перпендикулярный позонный обдув поверхности КА.
Техническими результатами изобретения являются:
- снижение требуемого расхода ТС для осуществления термостатирования КА;
- снижение стоимости и унификации средств распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность КА при наземных испытаниях;
- возможность адаптации имеющейся конструкции панелей термостатирования под любой объект термостатирования за счет модульной конструкции предложенного устройства.
Технический результат достигается за счет того, что средства распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях, выполненные в виде модульной конструкции - панели термостатирования, включают устройство для подачи термостатирующего воздуха и устройство для формирования газодинамического потока, причем устройство для подачи термостатирующего воздуха выполнено в виде коллекторов с распределителями термостатирующего воздуха по поверхности панельного космического аппарата, при этом входы коллекторов герметично соединены воздуховодом с установкой воздушного термостатирования, а выходы - с входами упомянутых распределителей, имеющих параллельные между собой ответвления, в каждом из которых выполнено выходное отверстие, устройство для формирования газодинамического потока выполнено в виде сопел с расположенными в них съемными дросселями, причем сопла установлены в выходных отверстиях упомянутых распределителей перпендикулярно поверхности панельного космического аппарата, а коллекторы и распределители выполнены в виде гребенок и установлены перпендикулярно относительно друг друга, при этом часть выходов распределителей или выходов коллекторов может быть закрыта крышками.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Конструктивно предложенное устройство выполнено в виде модульной конструкции - панели термостатирования. В устройство входят коллекторы с распределителями, выполненные в виде гребенок. Гребенка распределителя обеспечивает размещение выходных отверстий для термостатирующей среды в виде матричной структуры. Каждое выходное отверстие снабжается соплом с установленным в нем дросселем, формирующим необходимые газодинамические характеристики струи. Подача воздуха производится перпендикулярно поверхности КА. Регулируемость обеспечивается возможностью установки в каждое выходное отверстие дросселя заданного диаметра проходного сечения, изменяющей гидравлическое сопротивление канала. Распределение выходных отверстий по площади термостатируемой поверхности КА позволяет раздельную подачу воздуха на более нагруженные и менее нагруженные зоны. В качестве основного конструкционного материала коллекторов и распределителей используется полипропилен, являющийся радиопрозрачным неэкранирующим материалом.
Адаптация конструкции панелей термостатирования достигается благодаря модульности предложенного устройства, которая обусловлена разъемностью основных конструктивных элементов (коллекторов и распределителей) и возможностью оперативного изменения конструкции под конкретные требования объекта термостатирования путем изменения количества распределителей или закрытия крышками неиспользуемых соединений с распределителями.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-5).
На фиг. 1 и 2 приведен пример компоновки средств распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях в виде панели термостатирования с размещенными на ней четырьмя коллекторами (в трехмерном и двумерном изображениях соответственно).
На фиг. 3 приведен единичный коллектор с возможностью установки четырех распределителей, распределители не показаны.
На фиг. 4 приведен единичный распределитель с возможностью установки трех сопел, сопла не показаны.
На фиг. 5 приведено единичное сопло.
На фиг. 6 представлена таблица, в которой приведены данные по средним температурам термостатируемой поверхности с учетом параметров подачи воздуха.
На фигурах 1-5 введены следующие обозначения:
1 - вход коллектора 2;
2 - коллектор;
3 - технологическая оснастка;
4 - распределитель;
5 - выход коллектора 2;
6 - сопло;
7 - термостатируемая поверхность;
8 - выходное отверстие распределителя 4;
9 - дроссель;
10 - ответвления распределителя 4.
Средства распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях выполнены в виде модульной конструкции - панелей термостатирования (фиг. 1, 2), представляющих собой закрепленные на технологической оснастке 3 тракты движения воздуха, образованные соединенными между собой коллекторами 2 и распределителями 4 термостатирующего воздуха по поверхности панельного космического аппарата (устройство для подачи термостатирующего воздуха). На каждой панели термостатирования расположено несколько коллекторов 2 (фиг. 2) с установленными на них распределителями 4 (фиг. 4). Входы 1 коллекторов 2 герметично соединены воздуховодом с установкой воздушного термостатирования (на фигурах не показаны), а выходы 5 - с входами распределителей 4, имеющих параллельные между собой ответвления 10, в каждом из которых выполнено выходное отверстие 8.
В состав средств распределения и подачи входит также устройство для формирования газодинамического потока, выполненное в виде сопел 6 с расположенными в них съемными дросселями 9 (фиг. 5), причем сопла установлены в выходных отверстиях 8 распределителей 4 перпендикулярно поверхности панельного космического аппарата, а коллекторы 2 и распределители 4 выполнены в виде гребенок и установлены перпендикулярно относительно друг друга.
Часть выходов распределителей 4, а также выходов коллекторов 2 может быть закрыта крышками (на фигурах не показаны).
Дроссели 9, увеличивая гидравлическое сопротивление сопел 6, перераспределяют расход через остальные сопла, относящиеся к одному коллектору 2.
Соединение конструктивных элементов между собой выполняется пайкой (для соединения элементов коллектора 2 и распределителя 4 между собой) или резьбовым соединением (для присоединения коллекторов 2, распределителей 4 и сопел 6 друг к другу).
Коллекторы 2 и распределители 4 изготавливаются из полипропиленовых труб и соединителей (тройников, муфт, уголков и т.д.) ТУ 2248-032-00284581-98, сопла 6 изготавливаются методом 3D печати.
Конкретное количество элементов (распределителей, подключаемых к одному коллектору, и сопел, относящихся к одному распределителю) определяется геометрией термостатируемой поверхности и технологической возможностью состыковки элементов, входящих в состав коллектора и распределителей.
Эксплуатация устройства осуществляется следующим образом.
1. Положение устройства в режиме хранения
В режиме хранения панель термостатирования находится в разобранном состоянии: коллекторы 2 с установленными на них распределителями 4 отсоединены от технологической оснастки 3, сопла 6 отсоединены, дроссели 9 сняты. Места установки сопел 6 на распределителях 4, входные соединения 1 коллекторов 2 закрыты пылевыми фильтрами из плотной ткани или полимерного материала.
2. Подготовка устройства к работе
При подготовке устройства к работе снимаются все пылевые фильтры, выходные отверстия 8 распределителей 4 снаряжаются соплами 6, не снаряженными дросселями 9. Коллекторы 2 устанавливаются на технологическую оснастку 3 и закрепляются штатным крепежом.
3. Настройка расходных характеристик
При помощи переносного устройства измерения скорости воздушного потока термоанемометрического типа (например, модели ТТМ-2-01 или ТТМ-2-02-1) определяются расходы из каждого из сопел 6. При избыточном расходе устанавливаются дроссели 9, начиная с сопел 6, ближайших к входному соединению 1 коллектора 2.
4. Процесс термостатирования
После достижения нужных расходных характеристик панель термостатирования устанавливается напротив изделия, к входам 1 коллекторов 2 подсоединяют воздуховоды от установки воздушного термостатирования. При подаче термостатирующего воздуха в каждый из коллекторов 2 панели термостатирования воздух распределяется по внутренней полости коллекторов 2 и распределителей 4 (через выходы коллектора 5), при этом распределяясь между ответвлениями распределителей 10, не закрытыми соплами 6, и подается на термостатируемую поверхность 7. Регулирование расхода воздуха, проходящего через каждое сопло 6, определяется его удаленностью от входа 1 коллектора 2 и сечением дросселей 9, установленных на все сопла 6, относящиеся к одному коллектору 2.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения поясняется расчетами коэффициентов теплоотдачи при перпендикулярном обдуве плоской поверхности, а также результатами натурных испытаний экспериментального образца (таблиц сравнений результатов расчета и эмпирических данных).
Для моделирования процесса обдува плоской пластины с перпендикулярным направлением струи воздуха использовалось эмпирическое уравнение Шлюндера-Гнилинского для теплоотдачи в формируемой пристенной струе.
Общий вид уравнения Шлюндера-Гнилинского для одиночного круглого сопла:
где
2000≤Re≤400000;
, где
Nu - критерий Нуссельта;
Pr - критерий Прандтля;
r - удаленность от эпицентра попадания струи термостатирующего воздуха, м;
D - диаметр выходного сечения сопла, м;
H - расстояние от выходного сечения сопла до термостатируемой поверхности, м;
Re - критерий Рейнольдса.
Результатом расчета по уравнению (1) стало распределение локальных значений коэффициента теплоотдачи а по мере удаления от эпицентра попадания струи воздуха. Недостатком уравнения является его ограниченный диапазон применимости. Наивысших значений коэффициент теплоотдачи достигает в точке эпицентра, прямо напротив выходного сечения подачи воздуха. Определение коэффициента теплоотдачи в эпицентре струи может приблизительно быть рассчитано по формуле для лобовой точке при обтекании сферы:
где - критерий Нуссельта;
d - характерный размер, м;
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К);
Pr - критерий Прандтля (для воздуха равен 0,71);
Re - критерий Рейнольдса.
Для определения промежуточных значений коэффициента теплоотдачи между точкой эпицентра зоны термостатирования и зонами, в которых коэффициент был рассчитан по уравнению 2, необходимо проведение аппроксимации. При рассмотрении различных вариантов по скорости струи и расстоянию от выходного сечения до термостатируемой поверхности была выбрана линейная комбинация степенной и показательной функций вида:
где y - значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м2⋅К);
х - расстояние от эпицентра до рассматриваемой точки, м;
А, В, С, D, E - константы аппроксимации, подбираемые для каждой конкретной струи.
В результате проведенных расчетов было получено распределение локальных значений коэффициента теплоотдачи а. Для определения средней температуры обдуваемой поверхности необходимо определение среднего по площади значения коэффициента теплоотдачи. Это значение определяется как:
где αср - средний по поверхности коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2⋅К);
αi - коэффициент теплоотдачи на i-м шаге от эпицентра, Вт/(м2⋅К);
Fi - площадь участка, находящегося на i-м шаге от эпицентра, м2;
F∑ - полная площадь рассматриваемой поверхности, м2.
Значение средней температуры рассматриваемой поверхности определяется как:
где Тср - средняя температура пластины, °С
В дополнение к расчету был проведен эксперимент по обдуву плоской нагреваемой пластины воздухом с использованием экспериментальной установки, представляющей собой единичный коллектор с установленными направляющими и соплами.
В качестве объекта обдува использовалась плоская трехслойная сотопанель с установленными на ней пленочными электронагревателями. Панель имела габариты 1000×720 мм, мощность электронагревателей при номинальном режиме питания (27 В) составила 243 Вт.
Было проведено два эксперимента:
- режим «рабочий обдув», характеризующийся сниженным напряжением питания электронагревателей (напряжение 21,5 В, мощность тепловыделения 154 Вт);
- режим «стрессовый обдув, соответствующий номинальному режиму питания электронагревателей (напряжение 27 В, мощность тепловыделения 243 Вт).
От источника воздуха на средства распределения и подачи подавался воздух с расходом 80 м3/ч и температурой 18°С.
По приведенной выше расчетной методике была определена средняя температура поверхности с учетом параметров подачи воздуха, характерных для эксперимента. Сравнение полученных данных приведено в таблице (фиг. 6).
В результате сравнения наблюдается положительный запас по температуре в сторону экспериментальных данных, что позволяет сделать вывод о допустимости использования предлагаемых средств распределения и подачи воздуха в реальных условиях наземных испытаний.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
Способ воздушного термостатирования отсеков космического аппарата при наземных испытаниях и устройство для его осуществления | 2017 |
|
RU2657603C1 |
Способ воздушного термостатирования автономных блоков космических аппаратов при наземных испытаниях с помощью радиатора и аэродинамический модуль для его осуществления | 2022 |
|
RU2778102C1 |
УСТРОЙСТВО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, РАЗМЕЩЕННОГО В СБОРОЧНО-ЗАЩИТНОМ БЛОКЕ РАКЕТЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2013 |
|
RU2570849C2 |
СИСТЕМА ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА | 2012 |
|
RU2494933C1 |
УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА И ЧИСТОТЫ КОСМИЧЕСКОЙ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ РАКЕТЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С КРУПНОГАБАРИТНОЙ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКОЙ | 2014 |
|
RU2557092C1 |
СПОСОБ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА | 2003 |
|
RU2262469C2 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ | 2009 |
|
RU2390759C1 |
СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА | 2002 |
|
RU2216490C1 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И ОТСЕКОВ РАКЕТОНОСИТЕЛЕЙ | 2007 |
|
RU2335706C1 |
СПОСОБ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА И ПРИБОРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И БОРТОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2007 |
|
RU2353556C2 |
Изобретение относится к устройствам термостатирования космического аппарата (КА) при его различных (электрических, радиотехнических и др.) наземных испытаниях. Предлагаемые средства выполнены в виде модульной конструкции – панелей термостатирования, содержащих закрепленные на технологической оснастке (3) воздушные тракты, включающие коллекторы (2) и распределители (4) воздуха по поверхности (7) панельного КА. Входы (1) коллекторов (2) герметично соединены с установкой воздушного термостатирования (не показана), а выходы (5) - с входами распределителей (4), имеющих параллельные ответвления с соплами (6). Сопла снабжены съёмными дросселями для настройки расхода воздуха. При термостатировании КА некоторое число сопел (6) может быть закрыто крышками. Технический результат состоит в снижении требуемого расхода термостатирующего воздуха, а также в унификации средств его распределения и подачи на поверхность КА. 6 ил.
Средства распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях, выполненные в виде модульной конструкции - панели термостатирования, включающие устройство для подачи термостатирующего воздуха и устройство для формирования газодинамического потока, отличающиеся тем, что устройство для подачи термостатирующего воздуха выполнено в виде коллекторов с распределителями термостатирующего воздуха по поверхности панельного космического аппарата, при этом входы коллекторов герметично соединены воздуховодом с установкой воздушного термостатирования, а выходы - с входами упомянутых распределителей, имеющих параллельные между собой ответвления, в каждом из которых выполнено выходное отверстие, устройство для формирования газодинамического потока выполнено в виде сопел с расположенными в них съемными дросселями, причем сопла установлены в выходных отверстиях упомянутых распределителей перпендикулярно поверхности панельного космического аппарата, а коллекторы и распределители выполнены в виде гребенок и установлены перпендикулярно относительно друг друга, при этом часть выходов распределителей или выходов коллекторов может быть закрыта крышками.
СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГОЛОВНОГО БЛОКА В СОСТАВЕ РАКЕТЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА | 2004 |
|
RU2293045C2 |
Космодром | |||
Под ред | |||
А.П.ВОЛЬСКОГО | |||
М., Воениздат | |||
Шеститрубный элемент пароперегревателя в жаровых трубках | 1918 |
|
SU1977A1 |
C | |||
Гидравлическая или пневматическая передача | 0 |
|
SU208A1 |
ХОЛОДИЛЬНИК | 1999 |
|
RU2174657C2 |
УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ТЕРМОСТАТИРУЮЩЕЙ СРЕДЫ В ОТСЕК РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ | 2007 |
|
RU2368548C2 |
US 4879877 A, 14.11.1989. |
Авторы
Даты
2018-11-22—Публикация
2017-07-11—Подача