RU2519312C2

RU2519312C2 - Method of simulation of external heat flows for ground optimisation of spacecraft temperature control

Info

Publication number: RU2519312C2
Application number: RU2012141181/11A
Authority: RU
Inventors: Борис Игоревич Антонов; Валерий Аркадьевич Зяблов; Виктор Викторович Платонов; Эдуард Викторович Щербаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-06-10
Also published as: RU2012141181A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: prior to placing a spacecraft in a thermal vacuum chamber the cryogenic shields of the chamber are chilled and external heat flows affecting the spacecraft during a flight are simulated. Voltage is supplied alternately to each heating element of the simulator of the said flows and the power consumed at the element is constantly measured. Jumping increase of the consumed power in relation to the power in steady heating mode is fixed. Heating elements where such power jumps occur are rejected, afterwards the cryogenic shields are warmed, the vacuum chamber is depressurised and the rejected heating elements are replaced. Rejection and replacement of heating elements are repeated until all elements reach the steady heating mode. Then the spacecraft is put in the thermal vacuum chamber and the relevant tests are carried out.

EFFECT: improved accuracy of simulation of external heat flows at a spacecraft in order to ensure security and durability of the spacecraft in the course of operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к тепловакуумным испытаниям космического аппарата (КА) в условиях, приближенных к эксплуатации КА в открытом космическом пространстве, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к излучательным и отражательным характеристикам изделий, изготовленных из различных материалов или имеющих разные покрытия.The invention relates to the field of testing equipment, in particular to thermal vacuum tests of a spacecraft (SC) in conditions close to the operation of the SC in open space, and may also find application in those areas of technology where increased requirements are imposed on the radiative and reflective characteristics of products, made of various materials or having different coatings.

Известен способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима КА, заключающийся в помещении КА в термовакуумную камеру с криоэкранами, вакуумировании камеры, захолаживании криоэкранов и воздействии на КА тепловых потоков с помощью нагревателей («Тепловые испытания космических аппаратов», Москва, «Машиностроение», 1982 г., стр.105).There is a method of simulating external heat fluxes for ground-based development of the spacecraft’s thermal regime, which consists in placing the spacecraft in a thermal vacuum chamber with cryoscreens, evacuating the camera, cooling the cryoscreens and exposing the spacecraft to heat fluxes using heaters (“Heat tests of spacecraft”, Moscow, “Mechanical Engineering” , 1982, p. 105).

Известен способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима КА, заключающийся в том, что помещают аппарат-имитатор в термовакуумную камеру, содержащую криоэкраны, устанавливают датчики теплового потока и эталонные датчики теплового потока на аппарат-имитатор, вакуумируют камеру и захолаживают криоэкраны, воздействуют на аппарат-имитатор тепловыми потоками, имитируя температурные режимы полета, сравнивают показания датчиков теплового потока с эталонными датчиками, извлекают аппарат-имитатор из камеры и на его место помещают штатный аппарат, после чего осуществляют воздействие на него тепловыми потоками, такими же, как и на аппарат-имитатор, при указанных выше значениях вакуума и температуры (RU 2302984, МПК B64G 7/00).A known method of simulating external heat fluxes for ground testing the thermal regime of a spacecraft is that the simulator apparatus is placed in a thermal vacuum chamber containing cryoscreens, heat flux sensors and reference heat flux sensors are installed on the simulator apparatus, the chamber is evacuated and the cryoscreens are cooled, on the simulator apparatus by heat fluxes, simulating the temperature regimes of flight, compare the readings of the heat flux sensors with reference sensors, remove the simulator apparatus from the camera, and A standard apparatus is placed in its place, after which it is exposed to heat fluxes, the same as those on the simulator apparatus, at the above values of vacuum and temperature (RU 2302984, IPC B64G 7/00).

Недостаток аналогов заключается в недостаточной точности воспроизведения штатных характеристик облучения КА нагревательными элементами.The disadvantage of analogues is the lack of accuracy in reproducing the standard characteristics of spacecraft irradiation with heating elements.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима КА, заключающийся в том, что помещают КА в термовакуумную камеру с криоэкранами, вакуумируют камеру, захолаживают криоэкраны для имитации холода окружающего космического пространства и подвергают КА воздействию тепловых потоков от имитатора внешних тепловых потоков термовакуумной камеры («Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды», под ред. академика Г.И. Петрова, «Машиностроение», 1971 г., стр.270).Closest to the technical nature of the proposed method is a method of simulating external heat fluxes for ground-based development of the spacecraft’s thermal regime, which consists in placing the spacecraft in a thermal vacuum chamber with cryoscreens, vacuuming the chamber, cooling the cryoscreens to simulate the cold of outer space, and exposing the spacecraft to thermal flows from a simulator of external heat fluxes of a thermal vacuum chamber (“Modeling of the thermal conditions of a spacecraft and its environment”, ed. G.I. Petrov, “Engineering”, 1971, p. 270).

Данный способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов принят за прототип.This method of simulating external heat fluxes for ground testing of the thermal regime of spacecraft is adopted as a prototype.

Недостаток прототипа заключается в недостаточной достоверности воспроизведения штатных характеристик облучения КА, обусловленной нестабильной работой отдельных нагревательных элементов имитатора тепловых потоков, которые в любой момент времени могут изменять свое внутреннее электрическое сопротивление, что в итоге ухудшает качество и точность воспроизведения имитатором ожидаемых штатных тепловых потоков. Практика показала, что при испытаниях по крайней мере один из нагревателей отличается нестабильной работой.The disadvantage of the prototype is the lack of reliability in reproducing the standard characteristics of the spacecraft irradiation due to the unstable operation of individual heating elements of the heat flux simulator, which can change their internal electrical resistance at any time, which ultimately degrades the quality and accuracy of the simulator reproducing the expected regular heat fluxes. Practice has shown that during testing at least one of the heaters is characterized by unstable operation.

Задачей изобретения является повышение достоверности имитации внешних тепловых потоков при функционировании космического аппарата в полете, а следовательно, увеличение точности тепловакуумных испытаний за счет отбраковки и замены этих нагревательных элементов имитатора внешних тепловых потоков.The objective of the invention is to increase the reliability of the simulation of external heat fluxes during the operation of the spacecraft in flight, and therefore, to increase the accuracy of thermal vacuum tests by rejecting and replacing these heating elements of the simulator of external heat fluxes.

Техническим результатом изобретения является повышение качества испытаний за счет повышения точности воспроизведения тепловых потоков действующих на КА в условиях космического полета, повышение надежности и долговечности КА при эксплуатации.The technical result of the invention is to improve the quality of the tests by increasing the accuracy of the reproduction of heat fluxes acting on the spacecraft in space flight conditions, increasing the reliability and durability of the spacecraft during operation.

Эта задача решается за счет того, что в предлагаемом способе имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима КА помещают КА в термовакуумную камеру с криоэкранами, вакуумируют камеру, захолаживают криоэкраны для имитации холода окружающего космического пространства и подвергают КА воздействию тепловых потоков от имитатора внешних тепловых потоков термовакуумной камеры, при этом до помещения КА в термовакуумную камеру воспроизводят тепловые потоки имитатором внешних тепловых потоков, подавая поочередно напряжение на каждый нагревательный элемент имитатора внешних тепловых потоков и постоянно измеряя потребляемую мощность на нагревательных элементах, фиксируют скачкообразное увеличение потребляемой мощности на нагревательных элементах по отношению к мощности этих нагревательных элементов в стационарном режиме нагрева, отбраковывают нагревательные элементы, для которых характерны вышеуказанные скачки мощности, отогревают криоэкраны, разгерметизируют термовакуумную камеру, заменяют отбракованные нагревательные элементы, повторяют операции отбраковки и замены нагревательных элементов до достижения всеми нагревательными элементами стационарного режима нагрева, после чего устанавливают КА в термовакуумную камеру и воздействуют на КА тепловыми потоками от имитатора внешних тепловых потоков, моделируя вакуум и температурные режимы полета.This problem is solved due to the fact that in the proposed method of simulating external heat fluxes for ground-based working out of the thermal regime, spacecraft are placed in a thermal vacuum chamber with cryoscreens, the chamber is evacuated, cryoscreens are cooled to simulate the cold of outer space and the spacecraft is exposed to heat fluxes from an external heat simulator thermal vacuum chamber flows; in this case, before the spacecraft is placed in the thermal vacuum chamber, heat flows are reproduced by a simulator of external heat flows, feeding alternately tension on each heating element of the simulator of external heat fluxes and constantly measuring the consumed power on the heating elements, record an abrupt increase in power consumption on the heating elements relative to the power of these heating elements in the stationary heating mode, reject the heating elements that are characterized by the above power surges, heat cryoscreens, depressurize the thermal vacuum chamber, replace the rejected heating elements, I repeat operatsii rejection and replacement of the heating elements to achieve all the heating elements of a stationary heating mode, and then set in a thermal vacuum chamber SC and SC affect the heat flow from the external heat flow simulator, simulating the temperature and vacuum flight regimes.

По сравнению с прототипом увеличивается достоверность имитации внешних тепловых потоков за счет отбраковки и замены отбракованных нагревательных элементов.Compared with the prototype increases the reliability of the simulation of external heat flux due to rejection and replacement of rejected heating elements.

На фиг.1 представлен график, полученный при проведении реальных тепловакуумных испытаний одного из космических аппаратов.Figure 1 presents a graph obtained by conducting real thermal vacuum tests of one of the spacecraft.

На графике видно резкое изменение выделяемой мощности преобразователем напряжения от стационарного значения 1216 Вт до 1243 Вт в результате нештатного изменения электрического параметра (сопротивления нагревателя) одного из нагревателей имитатора внешних тепловых потоков.The graph shows a sharp change in the power output of the voltage converter from a stationary value of 1216 W to 1243 W as a result of an abnormal change in the electrical parameter (heater resistance) of one of the heaters simulating external heat fluxes.

Предлагаемый способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов осуществляется следующим образом:The proposed method of simulating external heat fluxes for ground-based development of the thermal regime of spacecraft is as follows:

- до помещения КА в термовакуумную камеру ее вакуумируют, захолаживают криоэкраны для имитации холода окружающего космического пространства, воспроизводят тепловые потоки имитатором внешних тепловых потоков, состоящим, например, из инфракрасных нагревательных элементов, подавая поочередно напряжение на каждый нагревательный элемент имитатора внешних тепловых потоков и постоянно измеряя потребляемую мощность на нагревательных элементах;- before the spacecraft is placed in a thermal vacuum chamber, it is evacuated, cryoscreens are cooled to simulate the cold of outer space, the heat fluxes are simulated by an external heat flux simulator, consisting, for example, of infrared heating elements, applying alternately voltage to each heating element of the external heat flux simulator and constantly measuring power consumption on heating elements;

- фиксируют скачкообразное увеличение потребляемой мощности на нагревательных элементах по отношению к мощности этих нагревательных элементов в стационарном режиме нагрева, то есть мощности, заданной в программе испытаний;- fix a stepwise increase in power consumption on the heating elements relative to the power of these heating elements in a stationary heating mode, that is, the power specified in the test program;

- отбраковывают нагревательные элементы, для которых характерны вышеуказанные скачки мощности;- reject heating elements for which the above power surges are characteristic;

- отогревают криоэкраны, разгерметизируют термовакуумную камеру, заменяют отбракованные нагревательные элементы;- warm the cryoscreens, depressurize the thermal vacuum chamber, replace the rejected heating elements;

- повторяют операции отбраковки и замены нагревательных элементов до достижения всеми нагревательными элементами стационарного режима нагрева, заданного в программе испытаний;- repeat the rejection and replacement of heating elements until all heating elements reach the stationary heating mode specified in the test program;

- после чего устанавливают КА в термовакуумную камеру и воздействуют на КА тепловыми потоками от имитатора внешних тепловых потоков, моделируя при этом вакуум и температурные режимы полета.- after which the spacecraft is installed in a thermal vacuum chamber and the spacecraft is exposed to heat fluxes from a simulator of external heat flows, simulating the vacuum and temperature regimes of flight.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить достоверность тепловакуумных испытаний за счет отбраковки и замены нагревательных элементов имитатора внешних тепловых потоков и с большей точностью воспроизводить значения температур облучаемых поверхностей на КА.The proposed technical solution allows to increase the reliability of thermal vacuum tests by rejecting and replacing the heating elements of the simulator of external heat fluxes and to reproduce with greater accuracy the temperature values of the irradiated surfaces on the spacecraft.

Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования, а также может иметь широкое практическое применение для получения экспериментальных данных при решении проблем, связанных с обеспечением теплового режима КА, находящихся в открытом космическом пространстве.The method is quite simple to implement and does not require additional funds for the refinement of existing test equipment, and may also have wide practical application for obtaining experimental data in solving problems associated with ensuring the thermal regime of spacecraft in open space.

Claims

A method of simulating external heat fluxes for ground testing the thermal regime of a spacecraft, which consists in placing the spacecraft in a thermal vacuum chamber with cryoscreens, vacuuming the chamber, cooling the cryoscreens to simulate the cold of outer space, and exposing the spacecraft to heat fluxes from an external heat flux simulator thermal vacuum chamber, characterized in that prior to placing the spacecraft in the thermal vacuum chamber reproduce heat fluxes a simulator of external heat fluxes, applying alternately voltage to each heating element of a simulator of external heat fluxes and constantly measuring the power consumption of the heating elements, fix the jump-like increase in power consumption of the heating elements in relation to the power of these heating elements in a stationary heating mode, reject the heating elements, for which are characterized by the above power surges, warm cryoscreens, depressurize the thermal vacuum chambers y, replace the rejected heating elements, repeat the operations of rejecting and replacing the heating elements until all the heating elements reach the stationary heating mode, then install the spacecraft in the thermal vacuum chamber and act on the spacecraft with heat fluxes from the simulator of external heat fluxes, simulating the vacuum and temperature conditions of flight .