Давид Аревшатян da@pribor.ru
С середины XX века человечество активно осваивает космическое пространство. С момента первых попыток запуска аппаратов и спутников перед инженерами ставили задачу создать надежное оборудование и приборы, пригодные для эксплуатации в условиях космоса. О каких именно условиях идет речь? О космическом вакууме, максимально низких и высоких температурах, переходах температур в ходе эксплуатации и транспортировки аппаратов до орбиты Земли, воздействии солнечного излучения, излучения планет, а также о «черноте» и «холоде» за пределами углов солнечного и планетарного излучений.
Даже детальные теоретические знания не позволяют точно предугадать поведение тех или иных материалов и приборов в выше перечисленных условиях. Соответственно, прежде чем запускать аппараты в космос нужно провести необходимые тесты, воссоздать условия, близкие к тем, в которых они будут эксплуатироваться. Причем следует провести только краткосрочные тесты для выявления особенностей поведения материалов и приборов, но и длительные, подтверждающие возможность бесперебойной эксплуатации приборов, аппаратов и спутников в течение долгого времени, вплоть до выполнения поставленных перед ними задач.
Проведение подобных тестов с составляющими космических аппаратов также позволяет повысить общий уровень их качества и надежности.
Сегодня для того, чтобы подготовить космические аппараты к запуску в космос, все их составляющие в частности и уже готовые аппараты в целом подвергают тщательным исследования и испытаниям на воздействие вакуума, температуры, излучений, имитируя эти условия в специально сконструированных климатических и термовакуумных испытательных камерах.
ООО НПП «Универсал Прибор» уже более десяти лет производит такие климатические и термовакуумные испытательные камеры.
Термовакуумные камеры производства ООО НПП «Универсал прибор» это оборудование, используемое для моделирования условий среды холодного космического пространства. Основная область применения термовакуумных камер связана с испытаниями космических спутников, контролем теплового цикла и испытаниями компонентов, подсистем и комплектных спутников в полностью контролируемой среде. Термовакуумная камера способна точно воспроизвести состояние пространства благодаря одновременному контролю двух параметров окружающей среды: давления (вакуум) и температуры. В этих камерах используются различные имитаторы сред, таких как, тепловой поток, солнечное излучение, тепловое излучение Земли, и оборудование: газоанализаторы, электронно-лучевые и рентгеновские пушки, и многие другие специальные приборы.
В данной статье хочется подробно рассказать об одной из камер, которую мы конструировали для испытаний приборов, эксплуатируемых в космосе.
Термовакуумная камера Универсал Прибор ТХД
Заказчик поставил перед нашим производством задачу по конструированию термовакуумной камеры небольшого объема (около 250 литров), пригодной для длительных непрерывных испытаний (вплоть до месяца) приборов и составляющих космических аппаратов как на воздействие вакуума, так и на пиковые значения температур, и при этом выдерживающую длительный процесс дегазации материалов, используемых в этих приборах. Пиковые значения вакуума и температур должны достигаться в кратчайшее время, и поддерживаться в течение длительного срока с минимальными отклонениями. Камера должна имитировать термоциклы в вакууме, работу приборов на орбите Земли, как на солнечной стороне, так и теневой. Позволять имитировать условия постоянной работы на теневой стороне Земли, что в дальнейшем позволит спроектировать приборы и подобрать материалы для их изготовления, с учетом возможности компенсации их тепловыделений за счёт окружающей температуры.
Так как поставленная задача была нетривиальна, то и к конструированию камеры мы подошли не как обычно.
Совместно с заказчиком было принято решение отказаться от стандартного параллелепипедного форм-фактора рабочего объема камеры. Для стандартных испытаний такая форма прекрасно подходит, но в данном случае, расчеты, учитывающие длительность испытаний, показали, что лучшим решением будет рабочий объем с минимальным количеством углов. В итоге мы решили остановиться на горизонтально расположенном рабочем объеме торосферической формы. У такой формы рабочего объема есть ряд свойств, необходимых для длительных испытаний в условиях глубокого вакуума и длительного процесса дегазации, а именно:
- стабильность формы при воздействии пониженного давления атмосферы;
- отсутствие застойных зон;
- ускоренное достижение пиковых значений глубокого вакуума;
- улучшенная полная дегазация испытуемого образца, нет оседания паров на углах рабочего объема;
- уменьшена протяженность швов, что важно при столь длительных испытаниях.
Для решения проблемы быстрого выхода на пиковое значение глубокого вакуума (5*10-7 мм рт. ст.), и его дальнейшего стабильного поддержания были установлены значительно более мощные насосы, чем обычно устанавливаются на камеры аналогичного объема. Мы оснастили камеру двумя насосами: безмасляным форвакуумным насосом производительностью не менее 30 м3/час и безмасляным турбомолекулярным насосом производительностью не менее 2 200 л/с N2. Турбомолекулярный насос был подключен к камере через шиберный затвор, для защиты. Для регулировки значений вакуума камера оснащена натекателем грубого напуска с ручным приводом и натекателем точного напуска.
Тестовый запуск камеры, а в последствии и ее непосредственная эксплуатация подтвердили эффективность данных решений в вопросе быстрого достижения и длительного стабильного поддержания глубокого вакуума. При этом запас насосов по мощности также продлевает длительность их эксплуатации, так как они довольно редко работают в полную мощность.
После того, как были приняты решения по вышеизложенным задачам перед нами встала новая: какую систему термоциклирования установить в камере, чтобы она надежно и стабильно демонстрировала себя при довольно длительном воспроизведении пиковых температур в диапазоне от -90°C до + 170°С? Мы предлагали к установке зарекомендовавшую себя в предыдущих наших проектах компрессорную двухкаскадную систему, однако заказчик хотел получить относительно независимую систему, которая бы подвергалась минимальному воздействию от работы других систем камеры и тепловыделений испытуемых образцов, и при этом сохраняла стабильную мощность охлаждения и нагрева при высоких значениях.
Поиск решения поставленной задачи привел нас к рассмотрению отдельно стоящих термостатов. Один из них прекрасно подошел – термостат производителя Huber, серии Unistat (страна происхождения Германия).
Не будем заострять внимание на сложностях в процессе импорта этого термостата в условиях пандемии медленно переходящей в санкции со стороны страны производителя термостата, и остановимся на положительных моментах. Помимо того, что вышеуказанный термостат удовлетворял практически всем желаниям и требованиям заказчика, он также продемонстрировал прекрасную энергоэффективность, высокую скорость нагрева и охлаждения, и довольно легкое сопряжение с системой управления камеры. Требуемые показатели температур достигаются, с помощью жидкостного охлаждения посредством подачи синтетического теплоносителя через вакуумные гидровводы на термостол с переходной плитой, установленный в рабочем объеме. Для обеспечения оптимальной передачи теплоносителя термостаты Huber Unistat оснащены мощными насосами. Насосы с регулируемым давлением обеспечивают оптимальную циркуляцию и снижают потребление.
Термостат прекрасно проявил себя в условиях, как при -90°C, так и при +170°C. Мощность нагрева и охлаждения не сильно уменьшается при высоких значениях и не зависит от выделяемого тепла испытуемых приборов и образцов. Надежность оборудования гарантирует четкий результат в течение длительных испытаний. Это решение было полностью принято заказчиком, а главное оправдало себя на 100% в заданных условиях. Для подключения датчиков для считывания показателей в ходе проводимых испытаний, по требованию заказчика камера была оснащена тремя фланцами DN250ISO, двумя фланцами KF40 и одним фланцем KF50. На рабочем термостоле расположились 5 термодатчиков, 4 из них по периметру и один по центру.
На этом камера была готова и отправлена заказчику. На территории заказчика были проведены пусконаладочные работы, обучение персонала работе с камерой. В течение одного дня была проведена аттестация, а еще через 14 дней подписан аттестат, и камера была введена в эксплуатацию. Все требования и пожелания заказчика были удовлетворены, а сама камера, по словам заказчика, надежна и проста в работе.
На этой мажорной ноте мы могли бы и закончить нашу статью, однако хотелось бы коротко рассказать о том, какие еще возможности есть для расширения функционала этой камеры:
- установка германиевого ИК-прозрачного стекла, вместо стандартного кварцевого в смотровом окне, что позволит с помощью тепловизора в режиме реального времени анализировать температурный диапазон при проведении испытаний;
- установка криогенных экранов в рабочем объеме с подачей жидкого азота со всех сторон вокруг испытуемого образца, для понижения температур до сверхнизких (-170°C и ниже);
- установка ИК-излучателей для имитации солнечной стороны и создания условий, в которых испытуемый образец с одной стороны охлаждается за счет окружающей температуры космоса, а с другой нагревается за счет солнечного тепла одновременно;
- установка галогеновых ламп для имитации солнечного излучения в требуемых спектральных диапазонах.
В принципе, это далеко не все возможности для расширения функционала рассматриваемой камеры, но основные, на которых нам хотелось бы остановить Ваше внимание.
Любые другие опции и функции могут быть реализованы под определенные задачи.
