2774.Вакуумные технологии

В этом случае в течение первых 30 с давление в камере можно поднять от предельного остаточного до 0,4 атм, а в течение следующих 60 с – до нормального атмосферного давления. В специальном помещении установлены дефибриллятор, электростимулятор сердечной деятельности и другая реанимационная аппаратура, а также запас кислорода и другое оборудование для оказания экстренной помощи людям, случайно получившим декомпрессионные повреждения во время экспериментов в камерах.

Камеры такого типа имеются в Научно-исследовательском центре разработки пилотируемых КЛА в Хьюстоне, штат Техас. В одной из них, выполненной из нержавеющей стали и имеющей высоту 36,5 м и диаметр 19,7 м, проводились испытания командного и лунного модулей КЛА серии «Аполлон». В ней можно разместить КЛА высотой до 30 м и диаметром до 7,6 м. КЛА помещают в камеру через 12-метровые двери-стенку, а люди попадают в нее через систему четырех шлюзов; в двух из них поддерживается атмосферное давление, а в остальных – более низкое. Дуговые лампы, смонтированные в потолке и стены с криогенным охлаждением позволяют варьировать температурный режим в камере в диапазоне от –180 до +125 °С, что отвечает условиям на поверхности Луны. Давление в камере может снижаться до уровня 10–5 Па.

Вторая камера имеет высоту 13 м и диаметр 10,6 м и используется в основном для испытания снаряжения, обеспечивающего выход и пребывание астронавта в открытом космосе, и для температурных испытаний лунного модуля корабля «Аполлон» с участием человека. Камера может вместить аппарат максимальной высотой 8,2 м и диаметром 4 м. Доступ в камеру осуществляется через съемную крышку и двойной шлюз с атмосферным давлением. Дуговые угольные лампы, установленные в потолке камеры, имитируют солнечную радиацию, а охлаждаемые жидким азотом стенки позволяют создать температурные условия ближнего космического пространства. В камере достигается остаточное давление до 1·10–6 Па.

181

В остальных двух камерах Хьюстонского научно-исследова- тельского центра разработки пилотируемых космических кораблей проводят испытания космических скафандров и ранцевых систем жизнеобеспечения, а также тренировки астронавтов в имитированных условиях работы за пределами космического корабля и в условиях разгерметизации КЛА. Первая из этих камер, высотой 6,7 м и диаметром 6,0 м, загружается сверху и имеет воздушный шлюз, состоящий из двух помещений диаметром 3,0 м и длиной 6,0 м, предназначенный для входа в камеру астронавтов и проведения экспериментов. В камере обычно создают давление, соответствующее высоте 70 км над уровнем моря, которое в течение 14 с может быть поднято до атмосферного давления. Во второй камере таких же размеров создают давление, соответствующее высоте 45 км над уровнем моря. Ее также можно быстро разгерметизировать. На рис. 8.4 представлена термобарокамера, позволяющая имитировать вакуумные и тепловые условия Луны с целью тренировок космонавтов.

Рис. 8.4. Имитатор космического пространства

(J. Stokes Co., США)

182

Космический вакуум оказывает разнообразное воздействие на материалы, блоки и узлы бортовых исследовательских приборов, находящихся вне герметичных отсеков КЛА. Поскольку эти приборы представляют собой весьма сложные электронные, электрические и оптико-механические устройства, то даже знание детальных вакуумных характеристик составных частей не позволяет на современном этапе развития науки о космосе заранее предсказать те или иные характерные особенности их поведения в условиях космического полета. Следовательно, единственным возможным на сегодняшний день способом их подготовки к полетам являются самые тщательные всесторонние предполетные испытания и исследования в специальных наземных установках, имитирующих воздействия космического вакуума.

Эти имитирующие установки можно разделить на следующие три группы:

1. Установки тепловакуумных испытаний (ТВИ), которые предназначены для исследования теплового баланса КЛА. Температура поверхностей КЛА при испытаниях должна быть в интервале от 10 до 30 °С. Рабочее давление в этих испытаниях составляет примерно 10–3–10–4 Па. Кроме того, имитируются солнечные и другие электромагнитные излучения космоса.

2.Установки вакуумно-температурных испытаний, в кото-

рых космический аппарат испытывается при экстремально низких давлениях (обычно менее 10–6 Па) и экстремальных температурах цикла (обычно от –70 до +90 °С).

3.Специализированные установки для исследований в области космического материаловедения. В них проводятся иссле-

дования материалов, элементов и узлов КЛА, явлений, протекающих на поверхности при давлении примерно 10–11−10–12 Па.

Вэтих установках проводится также калибровка монтируемых

на борту научных приборов в условиях, приближенных к космическим (в диапазоне давлений 10–5−10–6 Па), испытания новых типов ионных и плазменных двигателей, двигателей на химическом топливе и прочие работы.

183

Испытательный комплекс КИ-1 с вакуумной камерой ВК 600/300, оснащенной имитаторами, воспроизводящими основные факторы космического пространства, позволил в течение 43 лет провести наземную отработку более 140 космических аппаратов (КА), как военного, так и гражданского назначения: орбитальные станции и космические корабли; автоматические межпланетные станции для исследования Луны, Марса, Венеры; спутники радиосвязи, радиовещания и телевидения, метеорологии, астрофизики и геодезии; спутники для картографии и фотографирования поверхности Земли, фотоэлектронного наблюдения; скафандры, энергетические установки, разгонные блоки и многое другое. В вакуумной камере ВК 600/300 имитируют условия космического пространства (космический холод, чистый вакуум, тепловые потоки от Солнца и Земли). В ходе испытаний могут быть проведены комплексные электрические проверки бортовой аппаратуры, испытания систем электроснабжения, испытания по программе выведения, проверки манипуляторов бортового комплекса.

Внедрение системы безмасляной откачки позволило проводить ТВИ КA в штатном исполнении и обеспечило успешные испытания КА-1 и КA-2 изделий «Ямал-100», «Ямал-200», «Экспресс МД-1», «Электро-JI», «Персона», «Спектр-Р», «Купон-1», «Спекгр-РГ», «С-1», «Монитор-Э», «Стерх», КРТ, «Фобос-

Грунт», KazSat-1, KazSat-2, «Фрегат», «Рокот» и др.

Лаборатория криотермовакуумных испытаний НПО «Молния» имеет в своем составе набор вакуумных камер, оснащенных уникальным специализированным оборудованием для проведения широкого спектра тепловых испытаний агрегатов и систем аэрокосмических летательных аппаратов. По своим возможностям лаборатория находится на самых передовых позициях средств тепловых испытаний как в нашей стране, так и за рубежом. В состав лаборатории входит 11 основных термовакуумных камер объемом от 2,5 до 360 м3 (рис. 8.5) и, кроме того, ряд вспомогательных установок для проведения необходимых тех-

184

нологических операций (нанесение отражающих покрытий на зеркала солнечных имитаторов и др.). Внешний вид большого зала лаборатории, в котором расположены вакуумные камеры с объемом от 47 до 360 м3 показан на рис. 8.6.

Рис. 8.5. Расположение основных установок лаборатории криотермовакуумных испытаний НПО «Молния»

Рис. 8.6. Криотермовакуумные камеры КТВУ-40, КТВУ-40-С и КТВУ-250-С лаборатории криотермовакуумных испытаний НПО «Молния»

185

Лаборатория оборудована централизованной системой вакуумирования с использованием безмасляных форвакуумных и турбомолекулярных высоковакуумных насосов.

Охлаждение криоэкранов осуществляется жидким азотом от общей системы азотоснабжения. Отогрев и разгерметизация больших камер осуществляется с использованием соответствующих централизованных систем.

Лаборатория оборудована современными компьютеризованными системами управления испытаниями и регистрации измеряемых параметров. Установки КТВУ-40-С и КТВУ-250-С предназначены для проведения криотермовакуумных испытаний элементов космической техники с имитацией воздействия направленного потока солнечного излучения, рассеянного излучения от поверхности Земли и охлаждающего действия космического пространства в условиях глубокого вакуума (7·10–5 Па). Регулируемая мощность падающего лучистого потока от ксеноновых имитаторов солнечного излучения составляет 0,4–2 кВт/м2, при этом угол расходимости лучей не превышает 3,5°, а неравномерность теплового потока в пределах светового пятна составляет не более 5–10 %. Диаметр светового пятна – 1,6 м для установки КТВУ-40-С и 2,5 м для установки КТВУ-250-С.

В дополнение к имитаторам солнечного излучения установки оборудованы источниками инфракрасного излучения, которые в зависимости от целей эксперимента могут создавать тепловой поток, имитирующий излучение Земли или Солнца. Мощность падающего потока при этом может меняться в пределах 0,1–2 кВт/м2. Оригинальная схема переключения источников инфракрасного излучения позволяет имитировать вращение объекта относительно Земли или Солнца даже в том случае, если сам объект внутри камеры установлен неподвижно.

Температура азотных экранов, имитирующих охлаждающее влияние открытого космоса составляет –173 °С (100 К) при коэффициенте поглощения солнечного излучения αs > 0,9 (ε = αs).

186

На рис. 8.7 показана установка КТВУ-250-С в процессе подготовки к испытаниям одного из измерительных модулей, использовавшихся по программе создания ОК «Буран».

Рис. 8.7. Установка КТВУ-250-С в процессе загрузки

Установки КТВУ-40-С дополнительно оборудованы вибростендами ВЭДС-1500, что позволяет существенно расширить диапазоны их применения и проводить комплексные испытания изделий в условиях околоземного космического пространства

симитацией вибрационного воздействия от ракеты-носителя или других источников.

Воспроизведение тепловых и вакуумных условий орбитального полета – это лишь часть задач, которые решаются на установках лаборатории криотермовакуумных испытаний. Второе важное направление работ – имитация высокотемпературного нагрева тепловой защиты аэрокосмических ЛА при возвращении

сорбиты на Землю.

Здесь необходимо максимально точно воспроизводить в реальном масштабе времени по траектории спуска с орбиты внешние тепловые нагрузки, при которых температура поверхности материалов тепловой защиты может изменяться от –120 до +1250 °С, а в некоторых случаях до +1800 °С. Кроме того, одновременно с нагревом надо синхронно изменять давление окружающего воздуха, которое при спуске с орбиты увеличивается от

187

глубокого вакуума до нормального атмосферного давления. Подобные условия могут быть созданы только в специализированных термовакуумных стендах с использованием высокотемпературных инфракрасных излучателей в качестве источников программно регулируемого нагрева. К стендам такого типа относятся установки лаборатории КТВУ-40, ТВУ-8 и ТВУ-2.5.

Общая принципиальная схема проведения высокотемпературных испытаний в таких установках показана на рис. 8.8 на примере эксперимента в установке КТВУ-40 по анализу возможных последствий при потере во время спуска с орбиты элемента плиточной тепловой защиты орбитального корабля (ОК). Для того чтобы избежать перегрева стенок вакуумной камеры, объект высокотемпературных испытаний помещается в негерметичный теплоизолирующий контейнер – «черный ящик», внутри которого создаются необходимые температурные условия, а программное изменение давления внутри камеры обеспечивает необходимые условия по давлению воздуха на поверхности и внутри теплозащитного материала.

а б

Рис. 8.8. Условия испытания фрагмента конструкции ОК «Буран» с имитацией повреждения плиточной тепловой защиты: 1 – вакуумная камера; 2 – теплоизолирующий контейнер для объекта испытаний («черный ящик»); 3 – фрагмент несущей конструкции ОК «Буран»; 4 – плиточная теплозащита; 5 – место «выпавшей» плитки теплозащиты, 6 – блок инфракрасных нагревателей из кварцевых галогенных ламп, 7 – местаустановкитермопар на испытываемом фрагментеконструкции

188

Еще одна модульная конструкция под названием СКИТ, разработанная для воспроизведения сложных условий теплового нагружения элементов тепловой защиты ОК «Буран», показана на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Схема модуля СКИТ: 1 – тепловакуумная камера; 2 – нагреватели; 3 – образцы; 4 – силовая рама; 5 – механизмы управления экранами; 6 – криогенные экраны; 7 – криогенные емкости; 8 – приборы регистрации температуры; 9 – датчик давления; 10 – регистратор давления; 11 – вакуумметр; 12 – регулятор нагрева; 13 – криогенный насос

Модуль СКИТ позволяет проводить термоциклические испытания единичных элементов теплозащиты размером до 285×700 мм, включая их программный нагрев до температуры 1250 °С и охлаждение до температуры жидкого азота. Программные изменения давления воздуха в рабочей камере возможны в диапазоне 0,3–760 мм рт.ст. Специальное кинематическое устройство в сочетании с криогенными экранами позволяет обеспечить необходимые условия охлаждения образцов как при имитации орбитальных условий полета, так и на заключительном этапе спуска с орбиты на Землю.

С помощью модуля СКИТ проводились многоцикловые испытания элементов тепловой защиты с имитацией условий охлаждения и нагрева во время многосуточных орбитальных полетов и последующего высокотемпературного нагрева при возвра-

189

щении на Землю. В качестве вакуумной камеры обычно используется ТВУ-8. На рис. 8.10 показаны испытательная панель с экспериментальным теплозащитным элементом, блок нагревателей с двумя испытательными панелями в закрытом положении и сам модульСКИТ передустановкойв камеру ТВУ-8.

Рис. 8.10. Испытание образцов теплозащиты в установке ТВУ-8 с использованием модуля СКИТ

Возможности имеющихся установок не ограничиваются только криотермовакуумными испытаниями компонентов теплозащиты и других агрегатов аэрокосмических ЛА. Они могут быть использованы и для широкого применения и в других областях техники, например, для испытания изделий на герметичность при комплексном воздействии температур и давления, для термовакуумной сушки любых материалов, включая пищевые продукты и лекарства, для медицинского применения с целью лечения пациентов в условиях повышенного содержания кислорода или в искусственной атмосфере любого необходимого состава, вакуумное нанесение тонких покрытий на стекла, металлы, пластмассы и другие материалы с использованием электродугового испарения материала покрытия на линейном катоде большой протяженности.

Процесс напыления реализован на нескольких установках НПО «Молния» – КТВУ-40, ТВУ-8, ТВУ-2,5. На самых больших

190