1481

будут воздействовать на спутник на орбите (до –180 °C). Некоторые детали образца также подвергаются нагреву от источников тепла (лампы или ИК-нагреватели) (рис. 8.22, а), что имитирует воздействие солнечных лучей (до +150 °C). В течение всего времени поддерживается давление 10–1 Па.

Конструкция камеры – замкнутое изолированное исполнение рабочего объема (рис. 8.22, б). Герметичный корпус испытательного отсека представляет собой цилиндр с усиленными стенками из нержавеющей стали AISI 304L. Гермовводы и технологические отверстия для подключения приборов и клапанов располагаются на корпусе двери.

а

б

Рис. 8.22. Инфракрасные излучатели (а) и элементы конструкции камеры (б)

201

Камера размещается в металлическом каркасе, включая все агрегаты (термоагрегаты, насосы и т.д.). Каркас по всему периметру оборудован вентиляционными отверстиями. Бочкообразный рабочий объем выполнен из двух тонких пластин из нержавеющей стали, которые сварены по технологии TIG, в целях обеспечения внутреннего пространства в корпусе для циркуляции теплообменной среды. Эта технология позволяет достичь хороших показателей равномерности распределения температуры, так как хладагент-азот контактирует со всей поверхностью рабочего отсека.

Корпус камеры состоит из следующих блоков: внешняя оболочка, которая напрямую устанавливается на двери и основная оболочка, которая устанавливается внутри бочки. Каждый блок соединен с системой кондиционирования. Конструкция предполагает легкий демонтаж корпуса. Термооптические характеристики: внутренняя поверхность рабочего объема окрашена в черный цвет так, чтобы коэффициент теплового излучения был выше 0,8 при температуре 21,85 °C.

Конструкция камеры включает в себя дверь-слайдер (рис. 8.23, а), которая с внутренней стороны оборудована двумя тонкими пластинами из нержавеющей стали для лучшей терморегуляции. Способ открытия двери – выкатывание, что упрощает загрузку и выгрузку образца испытаний и предотвращает возможное повреждение аппаратуры.

а б

Рис. 8.23. Дверь-слайдер с закрепленным спутником (а); магистраль системы терморегуляции (б)

202

Терморегуляция в рабочем объеме и на плите охлаждения осуществляется системой непрямого воздействия и циркуляцией теплообменной среды (рис. 8.23, б), которая подается специальным насосом. Непрямой тип терморегуляции осуществляется циркуляцией специальной жидкой среды (Baysilone – полисилоксан), подающейся в оболочку бочки посредством насоса с магнитным забором, который выполнен из нержавеющей стали и расположен в механическом отсеке.

Оборудование размещено в закрытой цепи и содержит теплообменники для нагрева и охлаждения жидкостей. Охлаждение осуществляется испарением с отводом сухого пара хладагента. Полугерметичные компрессоры работают в двухкаскадной системе с хладагентами R404A и R23. Водяной конденсатор реализует конденсацию R404A. Цепь охлаждения оснащена необходимыми переключателями давления и температуры для автоматической регулировки оборудования. Нагрев жидкого байзилона осуществляется радиатором, в котором расположены погруженные электрические резисторы из нержавеющей стали. Вся система теплообмена управляется

PLC-контроллером Siemens S7.

Встроенная система управления и контроля ICMS (Integrated Control & Measurement System) включает в себя PLC-

контроллер Siemens S7-400 PLC; управление и мониторинг состояния камеры (рис. 8.24); управление вакуумными насосами; управление температурой на внутренней поверхности камеры; управление механическими элементами; управление энергопотреблением, расходом воды и системой подачи сжатого воздуха; систему сбора данных (диагностических данных) Siemens WinCC; удаленное управление, подключение к сетям Ethernet, Internet; удаленную диагностику и телесервис.

ООО «УниверсалПрибор» производит и поставляет камеры – имитаторы космоса, не имея конкуренции по ценам, как в РФ, так и за рубежом. На сегодняшний день изготовлены и поставле-

203

ны на одно из ведущих предприятий Санкт-Петербурга 4 камеры кубической формы объемом 764 и 226 л, создающих разрежение порядка 10-6 мм рт.ст. одновременно с температурным воздействием в диапазоне от –196 до +200 °С.

Рис. 8.24. Диалоговый экран встроенной системы управления и контроля ICMS

Камеры выполнены из нержавеющей стали и имеют форму куба, лицевая сторона которого выполнена в виде двери с окном из селенида цинка. Внутренние поверхности отполированы, вблизи дна помещена полированная термоплита, температура которой регулируется в указанном диапазоне.

Терморегулирование обеспечивается с помощью криогенной системы с жидким азотом. Откачка камеры выполняется с помощью системы двухступенчатого вакуумирования, работающей как автономно, так и под управлением компьютера. Камера оснащена четырьмя фланцами, на которые устанавливаются либо заглушки, либо панели с низкочастотными и высокочастотными разъемами, обеспечивающими связь между испытываемыми изделиями и диагностической аппаратурой. Имеется возможность изготовления камер по заказу: с иным объемом и с воздушной системой охлаждения (диапазон температур –70…+200 °С), с установкой фланцев требуемых разъемов.

204

8.3.Вакуумные системы имитаторов космического пространства

Для создания условий, имитирующих космический вакуум, применяются специальные вакуумные системы, предназначенные для откачки из камер имитаторов газов и паров, выделяющихся из испытуемых КЛА, и поддержания в них остаточных давлений вплоть до величины 10–12 Па.

В комплектацию вакуумных систем входят насосы групп предварительной, вспомогательной и основной откачки. Насосы предварительной откачки предназначены для начальной откачки установок (от атмосферного до давления 10–1 Па). Далее начинают действовать насосы основной и вспомогательной откачки (в диапазоне 10–3−10–12 Па), а насосы предварительной откачки при этом, как правило, отсекаются от рабочих камер и отключаются.

Предварительная откачка чаще всего осуществляется механическими насосами, при этом при использовании маслозаполненных механических насосов линии форвакуумной откачки оснащаются криогенными ловушками, охлаждаемыми жидким азотом, а также цеолитовыми ловушками и другими устройствами, в максимальной степени предохраняющими откачиваемый объем от попадания в него паров масел. Применяемые в современных серийных установках безмасляные насосы (поршневые, мембранные, спиральные, когтевые) обеспечивают высокую чистоту вакуума без масла и углеводородов, постоянную производительность, низкий уровень акустического шума и вибрации. Иногда предварительная откачка осуществляется через две параллельные форвакуумные линии, оборудованные двухроторными насосами Рутса с быстротой действия до 1200 м3/ч, оснащенными прогреваемыми цеолитовыми ловушками и отсечными клапанами. После достижения величины давления примерно 10–1 Па насосы предварительной откачки отсекаются клапанами и отключаются. При достижении давления 5·10–1 Па включаются располагающиеся снаружи турбомолекулярный и криогенный

205

насосы. При достижении давления примерно 5·10–2 Па включаются испарительные титановые насосы основной откачки. В качестве насосов основной откачки используются насосы поверхностного действия, использующие внутреннюю поверхность установки в максимально возможной степени. Титан напыляется на панели большой площади.

Кроме испарительных насосов, основная откачка может производиться встроенными конденсационными криогенными насосами. В качестве насосов вспомогательной откачки в современных установках используются различные комбинации насосов нескольких типов, в которых каждый тип насоса используется, главным образом, для откачки одного или двух определенных газов. Так, в комбинированной системе пары воды и углекислота, имеющие самую высокую температуру отверждения, откачиваются конденсацией на криоповерхностях, охлаждаемых до температуры жидкого азота; водород – адсорбционным титановым насосом; инертные газы (Аr, Кr, Хе) – геттероионным насосом и т.д.

Блоки криогенных насосов выполняются с вакуумным затвором. Криогенные насосы служат для откачки в диапазоне давления от 10–1 до 10–9 Па посредством криоконденсации, криосорбции или криоулавливания. В зависимости от системы охлаждения используются рефрижераторный крионасос, крионасос с баком или насосы с установкой термовакуумного испарения.

8.4. Вакуумное оборудование стартовых комплексов

Вакуумное оборудование стартовых комплексов – это системы хранения, заправки и термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов.

Жидкий водород является универсальным топливом для транспортных средств. Теплота сгорания водорода втрое больше, чем у нефтепродуктов. Его применение существенно сокращает или полностью исключает загрязнение окружающей среды. Находят решение исключительно сложные вопросы безопасности при работе с большими объемами жидкого водорода.

206

Первоначально его успешное применение в ракетно-косми- ческой системе «Энергия–Буран» привело к эйфории. Стало казаться, что мы приблизились к эпохе массового применения водорода в транспортных средствах. Однако появилась новая проблема. Если в ракетной технике стоимость топлива мала, по сравнению со стоимостью всей проблемы, то в автомобильном транспорте это важнейший фактор.

Компонентами топлива системы явились: «кислород+водород» в центральном блоке, «кислород+керосин» в ускорителях ракеты и космическом корабле «Буран». Криогенные компоненты топлива применялись в охлажденном состоянии, что позволило упростить конструкцию и технологию работы с криопродуктами в ракете, а также увеличить полезную нагрузку более чем на 7 т.

Вместе с тем переход на охлажденные компоненты топлива вызывает большие трудности в создании системы заправки. При существующей теплоизоляции огромного бака водорода необходимо обеспечить теплосъем более 1000 кВт на температурном уровне менее 20 К. Циркуляция водорода, охлажденного на 2–3 К, через бак ракеты по магистралям диаметром 300 мм, должна осуществляться вплоть до начала ее движения. Все это требует крайне высокой надежности системы заправки и термостатирования. Была принята во внимание и возросшая стоимость стартового комплекса. При этом учитывалось, что ракета «Энергия» является многоцелевой и в интересах министерства обороны она способна вынести на орбиту более 100 т полезного груза.

Разработками криогенного оборудования для стартовых комплексов занимается ОАО «Криогенмаш».

В течение всей своей деятельности ОАО «Криогенмаш» теснейшим образом связано с выполнением программ освоения космического пространства. Предприятие стало крупнейшим изготовителем систем обеспечения водородом, кислородом и азотом отечественных стартовых комплексов ракет-носителей «Зенит», «Союз», «Энергия» и стендовых комплексов для испы-

207

таний ракетных двигателей. Криогенно-вакуумные установки «Криогенмаша» обеспечивают проведение тепловакуумных испытаний крупногабаритных сборок и узлов космических аппаратов с имитацией условий космоса. Среди них – крупнейший

вЕвропе имитатор космоса объемом 10 000 м3. Для испытательных центров России ОАО «Криогенмаш» поставил целый ряд криовакуумных и вакуумных камер для испытаний систем шлюзования и выхода человека в космос, средств спасения экипажей, скафандров, а также для предполетной подготовки и тренировки экипажей космических кораблей и летного состава.

Системы хранения сжиженных газов, создаваемые «Криогенмашем», ведут историю своего создания от системы 8Г717, предназначенной для хранения и заправки окислителем межконтинентальной баллистической ракеты Р-9А (находилась на вооружении в Советском Союзе с 1964 по 1976 г.). Тогда конструкторам требовалось решить проблему, от которой зависела возможность нахождения «девятки» на боевом дежурстве, а именно найти способ длительного хранения большого количества жидкого кислорода для заправки баков ракет. В результате была создана система, где потери кислорода не превышали 2–3 % в год,

вней использовались модуль хранения с экранно-вакуумной изоляцией и высокоэффективная система термостатирования, что обеспечивало низкие показатели по испаряемости.

Создание и успешные полеты ракеты «Энергия», а затем и ракетно-космической системы «Энергия–Буран», безусловно, было высшим достижением в освоении космического пространства.

Крупнейшим проектом в космической отрасли и вершиной работы «Криогенмаша» считается комплекс криогенных систем хранения и заправки жидкими водородом и кислородом для ракетной системы «Энергия» с космическим кораблем многоразового использования «Буран». Он обеспечивал хранение 4600 т жидкого кислорода и 370 т жидкого водорода, а также охлаждение водорода до 16,5 К, охлаждение кислорода до 79 К, криоста-

208

тирование баков космического корабля в процессе заправки

иподготовки к пуску. Решение этих задач стало возможным благодаря применению уникальных сферических резервуаров объемом 1400 м3 и опять же уникальных высокоэффективных теплообменников с капиллярно-пористым покрытием и эжекторных аппаратов.

Новый проект – участие в создании российского космодрома «Восточный». Для него «Криогенмаш» выполнил работы по определению состава и компоновки оборудования для строительства кислородного и водородного заводов.

Помимо работы над отечественными проектами, ОАО «Криогенмаш» активно вовлечен в международную космическую отрасль. С 1996 г. компания принимала участие в проекте Sea Launch («Морской старт»), который предусматривал создание плавучего морского стартового комплекса для выведения на орбиту космических аппаратов ракетой-носителем «Зенит» из экваториальных районов Тихого океана. В сжатые сроки компания выполнила большой объем проектно-конструкторских работ, изготовила и поставила систему заправки жидким кислородом

исистему термостатирования. На выборгской судоверфи были закончены монтаж и пусконаладочные работы комплекса. Стартовая платформа совершила морской переход в базовый порт Лонг-Бич (США), где были продолжены работы по подготовке к первому пуску ракеты-носителя «Зенит – Sea Launch». Первый старт состоялся в 1999 г., он прошел успешно, за ним последовал еще ряд пусков. Помимо этого, оборудование «Криогенмаша» применяется на космическом старте SHAR в Индии – это система обеспечения криогенного разгонного блока ISRO. Для старта KSLV в Южной Корее в 2006–2008 гг. была создана система термостатирования, а на космодроме Куру во французской Гвиане завершается монтаж систем хранения и заправки жидким кислородом и азотом.

209

8.5.Космические технологии

Кчислу основных космических технологий относятся космическое материаловедение, космические исследования и ре- монтно-восстановительные работы в околоземном пространстве

идальнем космосе. В настоящее время разработано оборудование для проведения в космических условиях плавки и кристаллизации материалов, процессов электрофореза, а также исследований прикладного характера на оборудовании, которое по существу представляет собой не что иное, как лабораторное оборудование и которое, как правило, является аналогом уже существующих наземных установок.

По мере развития космических технологий совершенствуется существующее оборудование и создается совершенно новое, уже для получения различных материалов в космосе в промышленных масштабах. Использование вакуума в процессах космической технологии заключается в основном в откачке камеры, расположенной на борту КЛА. Присоединяя непосредственно к камере автономные высоко- и сверхвысоковакуумные насосы, можно поддерживать остаточное давление даже при таких слож-

ных с точки зрения газовыделения процессах, как плавка, на уровне от 1·10–4 до 5·10–4 Па. Для проведения научных экспериментов при остаточном давлении около 10–12 Па необходимо использование устройства так называемой «теневой» защиты. Защитное устройство представляет собой полусферическую оболочку, ориентированную в пространстве таким образом, что открытая часть полусферы располагается сзади по направлению вектора скорости космического аппарата и, следовательно, внутренняя часть полусферы экранируется от набегающего газового потока. Устройство располагается на телескопической штанге, выдвигающейся из орбитального космического аппарата на расстояние до 100 м, либо на свободно летящих в космосе непилотируемых технологических космических аппаратах. Полусферическая форма защиты в связи с наиболее благоприятным соот-

210