Результат интеллектуальной деятельности: Средства распределения и подачи термостатирующего воздуха на поверхность панельного космического аппарата при наземных испытаниях

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 α_ср - средний по поверхности коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²⋅К);

α_i - коэффициент теплоотдачи на i-м шаге от эпицентра, Вт/(м²⋅К);

F_i - 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.