Способ получения льда в айспакете на борту космического аппарата и устройство для его осуществления

 

Использование: в ракетно-космической технике для получения льда в айспакете на борту космического аппарата (КА). Сущность изобретения: для получения льда в айспакете на борту КА со шлюзовой камерой, у которой ось симметрии проходит через наружный люк шлюзовой камеры и совпадает с поперечной осью КА, охлаждают воду в айспакете путем предварительного размещения айспакета в шлюзовой камере и сообщают полость шлюзовой камеры с забортным пространством в момент ориентации КА, при которой поперечная ось КА проходит через центр масс Солнца, причем на Солнце обращена сторона КА, противоположная той, на которой размещен люк шлюзовой камеры. Охлаждение производят в течение расчетного времени до замораживания. В устройстве указанная шлюзовая камера содержит размещенный с ней соосно контейнер с выпуклой крышкой, обращенной в сторону наружного люка шлюзовой камеры. В теплоизолированном корпусе контейнера установлена тарельчатая пружина, выполненная в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышки, и с гибкими листовыми пластинами, опирающимися о дно корпуса. Крышка и тарельчатая пружина образуют полость для укладки айспакетов. Механизм фиксации контейнера в шлюзовой камере снабжен термомостом. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для получения льда в айспакете на борту космического аппарата (КА), где существуют большие проблемы с энергетикой, лимитом массы и объемов энергетических установок, потребных для получения льда.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения льда в айспакете, включающий охлаждение воды в айспакете ниже 0^оС и последующую выдержку при указанной температуре.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является космический аппарат, содержащий шлюзовую камеру с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающей с поперечной осью аппарата, контейнер, размещенный в шлюзовой камере и ориентированный крышкой в сторону наружного люка, а также механизм фиксации контейнера.

Однако известный способ не может быть осуществлен на борту КА из-за громоздкости, наличия солевых растворов, необходимости организации системы охлаждения с контурами охлаждения с соответствующим контролем за постоянством температуры и наличием изотермических камер для хранения замороженных пакетов, т.е. из-за больших затрат дорогой на борту электроэнергии. Имеющуюся на борту морозильную камеру нельзя использовать для нужд бортовой биотехнологии, так как она, во-первых, малоемка (100 л) и, во-вторых предназначена только для хранения продуктов питания космонавтов, ибо, согласно техническим требованиям обеспечения жизнедеятельности экипажа, не допускается хранение в одном объеме никаких других продуктов, кроме пищевых, в противном случае из-за возможностей утечки микроорганизмов произойдет заражение пищевых продуктов.

Поэтому требуется создание контуров для охлаждения и хранения, которые будут использоваться только для нужд биотехнологии, что повлечет за собой дополнительные затраты электроэнергии, дефицитной на борту КА.

Таким образом, нет соответствия между имеющимися средствами и требованиями по надежному обеспечению стабильно низких температур для хранения белковых лекарственных биопрепаратов, получаемых в процессе космической биотехнологии на борту КА.

Недостатком прототипа устройства является неэффективность и надежность использования существующего контейнера в составе шдюзовой камеры для выполнения задачи получения льда в айспакете из-за невозможности обеспечить постоянную минусовую температуру в течение времени, отводимого на штатную ориентацию шлюзовой камеры на Солнце, ввиду постоянного теплопритока от конструкции шлюзовой камеры и КА и отсутствия плотного контакта поверхности айспакетов с крышкой контейнера.

Цель изобретения обеспечение дешевого и надежного получения льда на борту космического аппарата.

Для этого в способе получения льда в айспакете на борту КА, включающем охлаждение воды в айспакете ниже 0^оС и последующую выдержку при указанной температуре, предварительно воду в айспакете размещают в шлюзовой камере, выполненной с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающие с поперечной осью КА, затем сообщают полость шлюзовой камеры с забортным пространством в момент ориентации КА бортом, противоположным люку шлюзовой камеры, на Солнце и с поперечной осью, проходящей через центр масс Солнца, при этом выдержку воду при температуре ниже 0^оС производят при указанной ориентации КА в течение времени (t), определяемом по зависимости tk(H) где К коэффициент, учитывающий высоту орбиты (Н); К(Н) 0,15-2,5˙10^-3Н; m масса охлаждаемых айспакетов; S суммарная площадь айспакетов, прижатых изнутри к крышке контейнера.

Для решения поставленной задачи в устройстве для получения льда в айспакете на борту КА, содержащем шлюзовую камеру, выполненную с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающей с поперечной осью КА, контейнер, размещенный в шлюзовой камере и ориентированный крышкой к наружному люку, а также механизм фиксации контейнера, крышка контейнера выполнена выпуклой и снабжена ребрами, а между крышкой и дном контейнера установлена тарельчатая пружина, выполненная в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышки, снабжено опирающимися о дно контейнера гибкими листовыми пластинами, закрепленными по периферии диска тарельчатой пружины, образующей с крышкой полость для укладки айспакетов, при этом наружная поверхность корпуса контейнера снабжена экранно-вакуумной теплоизоляцией, а механизм фиксации контейнера в шлюзовой камере снабжен термомостом.

Кроме того, поверхность крышки контейнера может быть покрыта белой эмалью со степенью черноты 0,9.

На фиг.1 изображен космический комплекс, иллюстрирующий способ получения льда; на фиг.2 устройство для осуществления способа получения льда; на фиг.3 узел I на фиг.2.

На фиг.1 представлен космический комплекс (КК) "Мир" в положении ориентации поперечной осью на центр масс Солнца (ЦМС). В состав КК входит космический аппарат "Мир" I и пристыкованные к нему астрофизические модули "Квант" 2 и "Кристалл" 3. Космический аппарат 1 и модули 2 и 3 снабжены солнечными батареями 4, ориентированными поверхностями на Солнце.

Ось Х (поз.5) направлена вдоль продольной оси базового блока и всего космического комплекса, ось Y (поз.6) перпендикулярна к оси Х, поперечная ось направлена на центр Масс Солнца 7, а ось Z (поз.8) дополняет оси Х и Y до принятой системы координат. На теневой стороне базового блока (противоположной стороне, обращенной к ЦМС) расположена крышка наружного люка 9 шлюзовой камеры, ось симметрии которого совпадает с поперечной осью Y На фиг. 2 представлено устройство для осуществления способа. Устройство показано в положении загрузки, когда крышка наружного люка размещена со стороны забортного пространства до поворота на 180^оподвижного внутреннего корпуса.

Устройство включает шлюзовую камеру, состоящую из двух основных частей: неподвижного внешнего корпуса 10 и поворотного внутреннего корпуса 11. Неподвижный внешний корпус выполнен, например, сферическим и закреплен на обечайке космического аппарата и уплотнен герметизирующим и теплоизолирующим кольцом 12.

Внутренний корпус 11 снабжен механизмом поворота, включающим электропривод 13, соединенный выходным валом через муфту сцепления с поворотной осью 14, жестко скрепленной с внутренним корпусом 11.

Механизм поворота позволяет осуществить установку внутреннего корпуса 11 в два положения: рабочее крышкой наружного люка 9 в сторону рабочего отсека 15 или положение "Загрузка", когда крышка наружного люка обращена в сторону забортного пространства.

Крышка наружного люка 9 соединена с поворотным корпусом 11 шлюзовой камеры 11 через привод герметизации наружного люка 16, закрепленный на поворотном внутреннем корпусе 11. Таким образом, крышка наружного люка поворачивается на 180^о вокруг поворотной оси 14. Шлюзовая камера сообщается с рабочим отсеком космического аппарата с помощью загрузочного люка, закрываемого крышкой 17, снабженной механизмом поворота с рукояткой 18.

Во внутренней полости 19 поворотного корпуса 11 шлюзовой камеры (ШК) с помощью механизма фиксации установлен контейнер 20 с крышкой 21, выпуклой в сторону забортного пространства. Форма корпуса 20 контейнера может быть любой, удобной для его компановки во внутреннем поворотном корпусе 11 ШК. На фиг. 2 показан корпус, например, с плоским дном. Крышка 21 герметизируется с корпусом контейнера путем изолирующей фторопластовой прокладки 22 и болтового соединения 23 и выполнена из теплопроводного алюминиево-магниевого сплава. Выпуклая крышка обладает большей поверхностью (чем плоская), что также способствует лучшему отводу тепла с крышки. Механизм же фиксации включает штырь 24, соединенный с одной стороны с дном контейнера, а с другой оканчивающийся пятой 25, фиксирующейся в гнезде 26 на корпусе шлюзовой камеры с помощью подпружиненных защелок 27. Штырь с пятой выполнены из пластика, например АГ 4 ( eλ 0,3 ккал/м ˙ч ^оС), и представляет собой тепловой мост.

В контейнере между крышкой 21 и дном уложена тарельчатая пружина 28 из теплопроводного материала, например из омедненной пружинной стали 60С 2А ГОСТ 14959-79, выполненная в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышки 21 контейнера и снабженная гибким листовыми пластинами 29, опирающимися о дно контейнера. Крышка 21 и тарельчатая пружина 28 образуют между собой полость 30, в которую укладываются айспакеты 31. Наличие тарельчатой пружины и ее выполнение с гибкими листовыми пластинами и в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышка, обеспечивает плотный контакт айспакетов 31 с крышкой 21.

Наружная поверхность корпуса контейнера покрыта экранно-вакуумной теплоизоляцией 32 (ОСТ-92-1380-83), а наружная поверхность крышки контейнера покрыта белой эмалью 33 (эмаль КО-5191 по ТУ 6-10-11-45-90) со степенью черноты 0,9.

Конструкция контейнера позволяет свести к минимуму воздействие тепловых потоков от элементов конструкции станции на крышку контейнера, рассеивать тепловую энергию за счет излучения с крышки контейнера, обеспечение охлаждение и айспакетов, находящихся в плотном тепловом контакта с крышкой.

Способ реализуется устройством в следующей последовательности действий и режимов.

Предварительно в условиях орбитального полета на борту КА оператор размещает айспакеты в шлюзовой камере. Указанное действие может быть проведено в любой удобный для оператора космонавта момент времени до начала штатной ориентации космического комплекса. Укладку айспакетов в контейнер оператор выполняет на столе в рабочем отсеке 15. На дно контейнера 20 укладывают тарельчатую пружину 28, затем плотно айспакеты 31, проверяют наличие и целостность теплоизолирующей прокладки 22, плотно прижимают крышкой 21 и затягивают крышку на контейнере путем болтового соединения 23. Внутренний поворотный корпус 11 установлен в положение "Загрузка". Поворотом рукоятки 18 оператор открывает крышку загрузочного люка. С помощью механизма фиксации (поз. 24, 25 и 27) оператор закрепляет контейнер в гнездо 26 на корпусе шлюзовой камеры, после чего крышку 17 загрузочного люка закрывают.

По команде от системы управления движением (СУД) выполняют автоматическое пространство и поддержание ориентации космического комплекса (КК) относительно солнечной системы координат, схема которой приведена на фиг.1. Исполнительные органы ориентируют КК так, что поперечная ось Y (поз.6) проходит через центр масс Солнца (поз.7). На стороне КА, противоположной Солнцу, размещен наружный люк 9 шлюзовой камеры, ось симметрии которой совпадает с поперечной осью Y космического аппарата. Выполняют штатную ориентацию для зарядки аккумуляторных батарей 4. Сообщают полость 19 шлюзовой камеры с забортным пространством.

Для этого с помощью механизма поворота (поз.13 и 14) и привода герметизации наружного люка 16 оператор разворачивает внутренний корпус 11 шлюзовой камеры вместе с крышкой наружного люка на 180^о, предварительно сбросив давление из полости шлюзовой камеры. Таким образом, внутренний корпус 11 шлюзовой камеры с размещенным в нем контейнером устанавливают в рабочее положение экспонирования, Осуществляют выдержку айспакетов в режиме охлаждения при указанном положении ориентации космического аппарата в течение времени, не меньше определенного по зависимости t_зам k(H); k(H) 1,5 ÷ 2,5˙ 10^-3Н.

В процессе выдержки охлаждение воды в айспакетах ниже 0^оС осуществляется за счет рассеивания тепловой энергии с крышки 21, контейнера, в плотном тепловом контакте с которой в полости 30, образованной крышкой 21 и диском тарельчатой пружины 28, уложены айспакеты 31. Пара айспакет 31 крышка контейнера 21 полностью изолирована от теплового влияния КА путем ведения изолирующей тепловой прокладки 22 в месте крепления крышки 21 с корпусом 20, снабжения механизма крепления контейнера к корпусу шлюзовой камеры термомостом (поз. 24 и 25), покрытия корпуса контейнера теплоизоляцией 32. Крышка 21, выполненная выпуклой и снабженная ребрами 34, остывает в течение менее 5 мин до температуры ниже 0^оС и выполняет задачу рассеивания тепла айспакетов.

По истечении расчетного времени операции повторяют в обратном порядке.

Оператор закрывает крышку наружного люка 9, поворачивает на 180^овнутренний корпус 11 шлюзовой камеры, наддувает шлюзовую камеру, открывает крышку 17 загрузочного люка, вынимает контейнер и переносит его в рабочий отсек. Проверив качество заморозки воды в айспакетах, оператор использует их затем в специальных контейнерах термосах для хранения биопродукции, полученной на борту КА, и доставки в этих же контейнерах на Землю.

В случае необходимости получения большого количества айспакетов со льдом следующую партию айспакетов заряжают в контейнер перед новым сеансом ориентации и указанные операции повторяют.

Формула изобретения

1. Способ получения льда в айспакете на борту космического аппарата, включающий охлаждение воды в айспакете ниже 0^oС и последующую выдержку при указанной температуре, отличающийся тем, что предварительно воду в айспакете размещают в шлюзовой камере, выполненной с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающей с поперечной осью космического аппарата, затем сообщают полость шлюзовой камеры с забортным пространством в момент ориентации космического аппарата бортом, противоположным люку шлюзовой камеры, на Солнце и с поперечной осью, проходящей через центр масс Солнца, при этом выдержку воды при температуре ниже 0^oС производят при указанной в ориентации аппарата в течение времени t, определяемом по зависимости t K (H) m/S,
где K коэффициент, учитывающий высоту орбиты H
K (H) 0,15 2,5·10^-3Н;
m масса охлаждаемых айспакетов;
S суммарная площадь айспакетов, прижатых изнутри к крышке контейнера.

2. Устройство для получения льда в айспакете на борту космического аппарата, содержащее шлюзовую камеру, выполненную с осью симметрии, проходящей через ее наружный люк и совпадающей с поперечной осью аппарата, контейнер, размещенный в шлюзовой камере и ориентированный крышкой к наружному люку, а также механизм фиксации контейнера, отличающееся тем, что крышка контейнера выполнена выпуклой и снабжена ребрами, а между крышкой и дном контейнера установлена тарельчатая пружина, выполненная в виде диска с поверхностью, эквидистантной поверхности крышки, снабженного опирающимися о дно контейнера гибкими листовыми пластинами, закрепленными по периферии диска тарельчатой пружины, образующей с крышкой полость для укладки айспакетов, при этом наружная поверхность корпуса контейнера снабжена экранно-вакуумной теплоизоляцией, а механизм фиксации контейнера в шлюзовой камере снабжен термомостом.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что поверхность крышки контейнера покрыта белой эмалью со степенью черноты 0,9.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3