2 / 9
to the outer space. Cooling the object in the chamber is provided by means of
cryogenic screens refrigerated by liquid nitrogen, helium or neon supplied into the
system from a liquefier. Heat fluxes from the environment and from the object are taken
into consideration, as well as heat losses in the manifolds. The object temperature is
to be reduced in the system down to the value foreseen by the test program. Physical
and mathematical models of thermal and vacuum testing are described considering
cryogenic screen heat transfer and the tested object cooling in a vacuum chamber.
Performed calculation allows to determine a temperature change in time, reachable
temperature of the object, time to reach a stationary mode, if the parameters of the
chamber, cryogenic screens, and the object to be cooled are given.
Keywords
:
thermal tests, mathematical modeling, effectiveness of design solutions,
cryogenic screens.
Тепловые испытания космических аппаратов широко используют-
ся для моделирования космических условий полета или условий пре-
бывания на поверхностях, не имеющих атмосферу небесных тел, таких
как Луна и астероиды [1]. Задача таких испытаний — проверка работы
аппаратуры и узлов в реальных космических условиях, определение
теплофизических параметров отдельных частей и элементов косми-
ческого аппарата, определение прочностных характеристик, а также
проверка и корректировка математических моделей систем терморе-
гулирования [2, 3].
Испытания проводятся в вакуумных камерах, в которых созда-
ются условия пониженного давления и широкого диапазона тем-
ператур, которыми характеризуется окружающая среда в космосе
[4]. Такие испытания проводятся на разных стадиях проектирова-
ния космических аппаратов. Тепловые испытания отличаются боль-
шой сложностью, трудоемкостью и значительными материальными
затратами [5].
Традиционно для тепловых испытаний используется вакуумная ка-
мера с размещенными в ней криоэкранами. Криоэкраны предназначе-
ны для охлаждения пространства камеры и размещенного в ней обо-
рудования, вымораживания остаточного газа для создания требуемого
вакуума и конструктивно представляют собой радиационные теплооб-
менники с использованием жидкого азота или гелия в качестве рабочих
тел [6].
Проектирование и расчет таких систем требуют анализа процес-
сов охлаждения объекта испытаний за счет лучистого переноса те-
плоты к криогенным экранам. Задача осложняется нестационарно-
стью процесса, а также сложностью учета излученных, поглощенных
и отраженных тепловых потоков внутри камеры. Тепловые испыта-
ния, особенно в диапазонах 70. . . 20 K, требуют больших энергоза-
трат, поскольку для работы криоэкранов, систем подачи криопродук-
тов в камеру, обеспечения потребностей электроэнергии испытатель-
ного стенда необходимо использовать криогенные ожижители азота и
гелия [7].
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2015. № 1 57