способ термостатирования объектов, последовательно размещенных в отсеках космической головной части ракеты-носителя

Формула изобретения

Способ термостатирования объектов, последовательно размещенных в отсеках космической головной части ракеты-носителя, включающий вдув термостатирующей среды в отсеки космической головной части, перетекание термостатирующей среды по длине отсеков и истечение ее в атмосферу, в процессе которых обеспечивают тепловой режим функционирования объектов во время предстартовой подготовки космической головной части, отличающийся тем, что сначала в процессе вдува при отключенных источниках тепловыделения последующего по направлению течения термостатирующей среды объекта измеряют температуру поверхности этого объекта и температуру газовой среды в нем в течение характерного времени до достижения установившихся значений указанных температур, причем по температуре объекта на его поверхности определяют эффективную температуру газовой среды вблизи поверхности объекта, после чего при дополнительно отключенных источниках тепловыделения предыдущего по направлению течения термостатирующей среды объекта повторно вдувают термостатирующую среду в отсек с указанным последующим объектом при температуре, не равной эффективной температуре, измеряют температуру поверхности этого объекта и температуру газовой среды в нем в течение времени до достижения установившихся значений данных температур и по значениям температуры на поверхности объекта с использованием расчетного значения массы и теплоемкости объекта определяют параметр теплопередачи от термостатирующей среды к объекту, а также устанавливают зависимость количества тепла, снимаемого с поверхности объекта, от температуры его поверхности, сравнивают его с внутренним тепловыделением и в диапазоне значений количества тепла, снимаемого с поверхности объекта, больших или равных количеству тепла, выделяемого объектом, и температуры поверхности объекта, меньшей или равной допустимой, фиксируют соответствующие этому диапазону полученные эксплуатационные параметры вдува на входе в отсеки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к воздушной бортовой системе термостатирования (БСТ) объектов, например полезного груза (ПГ) и приборного отсека (ПО), последовательно размещенных в космической головной части (КГЧ) ракеты-носителя (РН).

Предназначено для обеспечения требуемого по условиям эксплуатации теплового режима объектов термостатирования (ОТ) в период предстартовой подготовки КГЧ в процессе проверки ее бортовой аппаратуры.

Известен способ термостатирования приборов автоматики системы управления РН, размещенных в отсеке, например, головного блока (ГБ) РН, включающий вдув термостатирующей среды (ТС) с заданными параметрами (расходом и температурой) ТС на входе в отсек, с последующим перетекавшем ТС по длине отсека и истечением ее в атмосферу, по которому осуществляют охлаждение приборов во время предстартовой подготовки ГБ [1]. По этому техническому решению вдув ТС в отсек ГБ осуществляют с расходом и температурой, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках ОТ, что приводит к пониженной точности определения количества тепла, снимаемого с объектов, и, как следствие, к излишним расходам ТС, подаваемой в отсек ГБ, и, следовательно, к излишним энергозатратам на эксплуатацию воздушной системы обеспечения теплового режима (ВСОТР), обеспечивающей эти параметры на входе в отсек.

Известен способ термостатирования последовательно размещенных ОТ, например ПГ и ПО в отсеках блока полезного груза (БПГ) и разгонного блока (РБ) КГЧ РН, включающий вдув ТС с заданными расходом и температурой ТС на входе в отсеки с последующим перетекавшем ТС по длине и истечением ТС в атмосферу, в процессе которых осуществляют охлаждение поверхностей ПГ и ПО термостатирующей средой во время предстартовой подготовки КГЧ [2].

При этом вдув ТС в отсеки КГЧ осуществляют с расходом и температурой, также соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках ПГ и ПО. Это приводит также к пониженной точности определения количества тепла, снимаемого с объектов.

Кроме того, поскольку оценку охлаждения последующего по направлению течения ТС объекта (ПО) осуществляют с учетом нагрева предыдущего объекта (ПГ), возрастает погрешность определения количества тепла, снимаемого с последующего объекта.

Техническое решение [2] принято авторами за прототип.

Задачей изобретения является разработка способа термостатирования объектов, последовательно расположенных в отсеках КГЧ РН, обеспечивающего оптимальные тепловые режимы ОТ в период предстартовой подготовки КГЧ в процессе проверки ее бортовой аппаратуры.

Данная задача решается за счет того, что в способе термостатирования объектов, последовательно размещенных в отсеках КГЧ РН, включающем вдув ТС в отсеки КГЧ, перетекание ТС по длине отсеков и истечение ее в атмосферу, в процессе которых обеспечивают тепловой режим функционирования объектов во время предстартовой подготовки КГЧ, согласно изобретению, сначала в процессе вдува при отключенных источниках тепловыделения последующего по направлению течения ТС объекта измеряют температуру поверхности этого объекта и температуру газовой среды в нем в течение характерного времени до достижения установившихся значений указанных температур, причем по температуре объекта на его поверхности определяют эффективную температуру газовой среды вблизи поверхности объекта, после чего при дополнительно отключенных источниках тепловыделения предыдущего по направлению течения термостатирующей среды объекта повторно вдувают ТС в отсек с указанным последующим объектом при температуре, не равной эффективной температуре, измеряют температуру поверхности этого объекта и температуру газовой среды в нем в течение времени до достижения установившихся значений данных температур, и по значениям температуры на поверхности объекта, с использованием расчетного значения массы и теплоемкости объекта, определяют параметр теплопередачи от ТС к объекту, а также устанавливают зависимость количества тепла, снимаемого с поверхности объекта, от температуры его поверхности, сравнивают его с внутренним тепловыделением и в диапазоне значений количества тепла, снимаемого с поверхности объекта, больших или равных количеству тепла, выделяемого объектом, и температуры поверхности объекта, меньшей или равной допустимой, фиксируют соответствующие этому диапазону полученные эксплуатационные параметры вдува на входе в отсеки.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение точности определения количества тепла, снимаемого с ОТ, и, как следствие, эксплуатационных параметров вдува ТС в отсеки КГЧ в условиях внутреннего и внешнего нагрева ОТ;

- разработка методики диагностики работоспособности системы термостатирования объектов КГЧ.

Решение задачи иллюстрируется на примере термостатирования ПО тороидальной формы, размещенного в РБ одной из компоновок КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, выполненных в виде системы газодинамически взаимосвязанных отсеков, в которых последовательно размещены соответственно ПГ и ПО.

На фиг.1 приведены основные элементы компоновки КГЧ с БСТ, предназначенной для обеспечения теплового режима ПГ и ПО в период предстартовой подготовки КГЧ РН, и выделен элемент с устройством вдува ТС в ПО.

На фиг.2 приведен фрагмент ПО с установленными в нем датчиками температуры.

На фиг.3 представлены экспериментальные зависимости температуры поверхности корпуса ПО и температуры газовой среды внутри ПО от времени при постоянной температуре на входе в РБ и в БПГ при Приведены также установившееся (эффективное) значение температуры ПО и соответствующее ему характерное время t₁. Зависимости получены при отключенных источниках тепловыделения в РБ.

На фиг.4 приведены зависимости, полученные при и также определено установившееся значение и соответствующее ему время t₂. Зависимости получены при отключенных источниках тепловыделения в РБ и БПГ.

На фиг.5 приведена зависимость количества тепла q, снимаемого с поверхности ПО, от температуры корпуса полученная с использованием данных фиг.3 и 4. На этих фигурах:

1 - блок полезного груза (БПГ);

2 - разгонный блок (РБ);

3 - полезный груз (ПГ), показан условно в габаритах;

4 - приборный отсек (ПО);

5, 6 - отверстия вдува;

7 - оболочка БПГ;

8 - оболочка РБ;

9, 10 - магистрали питания термостатирующей средой;

11, 12 - клапаны отверстий вдува;

13, 14 - устройства вдува;

15 - отверстия истечения;

16 - клапаны отверстий истечения;

17 - датчик температуры корпуса ПО;

18 - датчик температуры газовой среды внутри корпуса ПО;

19 - приборы ПО.

Термостатирование последовательно размещенных в БПГ 1 и в РБ 2 КГЧ РН ПГ 3 и ПО 4 (фиг.1) осуществляют следующим образом.

Предварительно отверстия вдува 5, 6 оболочек БПГ 7 и РБ 8 сообщают с магистралями питания ТС 9, 10 ВСОТР, обеспечивающей подвод ТС к устройствам вдува 13 и 14, открыв предварительно подпружиненные клапаны отверстий вдува 11, 12.

Осуществляют подвод ТС к отверстиям вдува 5, 6 и с применением устройств вдува 13 14 реализуют вдув ТС с параметрами ТС в БПГ 1 и параметрами в РБ 2.

Устройства вдува 13 и 14 могут быть выполнены, например, в виде распылителя с трубопроводом (вдув в БПГ) или диффузора (вдув в РБ) заданной формы.

Расходы и реализуют в соответствии с прогнозируемой величиной теплообмена с ОТ с учетом ограничения давлений при газодинамическом воздействии ТС на элементы конструкции ПГ 3 и ПО.

4. Температуры и задают в прогнозируемых пределах для реализации оптимальной величины теплообмена с ОТ ПГ 3 и ПО 4 при заданных расходах и

В процессе вдува происходят перетекание ТС по длине БПГ 1 и РБ 2 и истечение ее через отверстия истечения 15 с клапанами 16, выполненные в оболочке РБ 8 вблизи основания РБ 2, в процессе которых термостатируют ПГ 3 и ПО 4. Причем при перетекании ТС по длине БПГ 1 происходят нагрев ТС приборами ПГ 3, выделяющими тепловую энергию в процессе их работы, и ее воздействие на ПО 4, также выделяющего тепловую энергию в процессе работы приборов ПО 4.

Ниже следует порядок выполнения действий на примере определения искомой температуры на входе в РБ 2 для реализации оптимального теплового режима нагрева ПО 4.

1. Исключают источники тепловыделения в РБ 2 (отключают приборы ПО 19).

2. Осуществляют вдув в БПГ 4 и РБ 2, фиксируя параметры вдува и на входе в БПГ 1, обеспечивающие термостатирование ПГ 3, а также и на входе в РБ 2.

В процессе вдува с постоянной по времени температурой на входе в РБ 2 происходит непрерывное изменение температуры корпуса ПО 4 и температуры газовой среды в ПО 4 до выхода на стационарный режим. При этом в процессе вдува измеряют температуру корпуса датчиком температуры корпуса ПО 17 и температуру газовой среды в ПО 4 датчиком температуры газовой среды внутри корпуса 18 (фиг.2) в течение характерного времени t₁ до достижения установившихся значений и и По результатам эксперимента устанавливают эффективную температуру газовой среды на поверхности ПО 4 и соответствующее время t₁ (фиг.3).

3. После этого исключают дополнительно источники тепловыделения в БПГ (отключают приборы ПГ) и повторно вдувают ТС с температурами в интервале времени от t_1н до t ₂, также до установившихся значений и При этом измеряют параметр датчиком температуры корпуса ПО 17 и датчиком газовой среды внутри корпуса ПО 18 (фиг.4).

4. С использованием определенных значений Т _эф (фиг.3), (фиг.4), а также расчетного значения массы (m) и среднемассовой теплоемкости ПО 4 (с_p) по формуле, полученной из уравнения баланса тепла для периода времени t ₂-t_1H, определяют параметр теплопередачи _эфS_эф:

где

m - масса ПО;

c_р - средняя теплоемкость ПО;

_эф - средний коэффициент теплопередачи;

S_эф - эффективная площадь боковой поверхности ПО.

5. С использованием полученных значений Т _эф и _эфS_эф устанавливают зависимость количества тепла q, снимаемого с поверхности ПО 4, от температуры его поверхности

которую сравнивают с количествам тепла, выделяемого в процессе работы приборов q_вн (фиг.5).

Величину q_вн определяют по паспортным данным приборов.

Система термостатирования считается работоспособной при выполнении требования q_вн q при (на фиг.5 соответствует заштрихованной области) при искомых эксплуатационных параметрах вдува на входе в РБ

6. В случае невыполнения условия охлаждения ПО 4 изменяют последовательно температуру ТС Т^РБ на входе в РБ 2, температуру ТС на входе в БПГ 1 или изменяют конструкцию бортовой системы термостатирования (БСТ) и повторяют процедуру по пунктам 1-5.

Из фиг.5 также следует, что для обеспечения требуемой по условиям эксплуатации температуры поверхности ПО 4 для прототипа требуется более интенсивное охлаждение ПО по сравнению с предлагаемым техническим решением (q ₁>q₂), что приводит к неоптимальным параметрам вдува на входе в РБ 2 в течение всего периода предстартовой подготовки КГЧ (10-20 час) и к излишним энергетическим затратам на эксплуатацию ВСОТР.

Таким образом, повышают точность определения количества тепла, снимаемого с поверхности ПО 4, в зависимости от температуры его поверхности в условиях внутреннего и внешнего нагрева ПО 4, что приводит к выполнению поставленной задачи - определению эксплуатационных параметров вдува на входе в РБ, обеспечивающих оптимальные тепловые режимы нагрева ПО 4. Одновременно подтверждают работоспособность бортовой системы термостатирования (БСТ).

Аналогично определяют оптимальные параметры вдува G^БПГ, Т ^БПГ на входе в БПГ 1. В этом случае задача упрощается, поскольку отсутствует внешний теплоподвод к ПГ 3.

В частном случае, когда отсутствует внутренний теплоподвод (q _вн=0) к ОТ, техническое решение также может быть применено, например, для термостатирования твердотопливных ракетных блоков и других объектов.

В настоящее время техническое решение прошло экспериментальную отработку на одном из вариантов КГЧ РН.

Литература

1. Космодром, под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.204.

2. Руководство пользователя, SEA LAUNCH, March 26, 1996, Д688-100009-1,5-2,5-3.