Холод в космической технике

Холодильная техника нужна практически везде — трудно найти отрасль, где бы не использовался искусственный холод. В том числе и в космической технике без холодильного оборудования не обойтись.

Одной из практических задач, решаемых при подготовке ракет-носителей и космических аппаратов, является обеспечение заданного температурного режима (термостатирование) приборных отсеков в процессе электрических проверок в монтажно-испытательных корпусах заводов изготовителей и космодромов (МИК).

Термостатирование таких объектов осуществляется вентиляцией воздухом с определенными параметрами или подачей во внутренние теплообменники жидкого хладоносителя с заданными температурой и расходом. На практике наиболее часто используются воздушные системы термостатирования (по принятой в космической отрасли аббревиатуре — ВСОТР).

В советский период воздушные системы термостатирования МИК строились, преимущественно, по централизованному принципу (рис.1а). Генерация холода осуществлялась в холодильных центрах, располагаемых в отдельных зданиях или пристройках к зданиям МИК. Промежуточный хладоноситель подавался к рабочим местам по соединительным трубопроводам, длина которых, в отдельных случаях, доходила до нескольких сотен метров. Непосредственно на рабочих местах располагались воздушные блоки, представлявшие собой комбинацию теплообменников, электронагревателей и вентиляторов. Основным достоинством централизованной схемы являлась возможность локализации паров хладона и масла в холодильном центре и предотвращение их попадания в «чистую» зону сборки космических аппаратов.

Холодопроизводительность центров обеспечивала одновременное холодоснабжение всех рабочих мест, количество которых в одном МИК могло достигать десятков единиц. Однако одновременная работа всех рабочих мест практически никогда не имела места, что приводило к недогрузке холодильного центра и неэффективному использованию оборудования. Иногда для холодоснабжения одного рабочего места с потребностью в холоде в несколько киловатт приходилось задействовать оборудование мощностью в сотни киловатт. Высокими являлись и эксплуатационные расходы на поддержание работоспособности холодильных центров и коммуникаций.

Низкая эффективность централизованных систем не была критической, пока обеспечивалось достаточное финансирование отрасли. Однако с приходом 90-х годов, в связи с ухудшившейся экономической ситуацией в стране в целом и в отрасли в частности, эксплуатация централизованных систем оказалась крайне затруднена. Изменившиеся экономические условия потребовали поиска новых технических решений. Наиболее оптимальным стало использование местных средств термостатирования на базе холодильных машин малой мощности (рис.1б).

Преимущества такой схемы очевидны:

• расположение источника холода в непосредственной близости от потребителя сводит практически к нулю потери холода;
• небольшие габариты и масса установок обеспечивают возможность их перемещения от одного рабочего места к другому и, соответственно, уменьшают потребность в оборудовании, поскольку одной системой можно последовательно термостатировать несколько потребителей.Кроме того, относительно малая потребляемая мощность локальных установок позволяет использовать существующие сети электроснабжения МИК без создания дополнительных фидеров, а небольшое количество хладона и масла в холодильных машинах в случае утечек практически не влияет на качество воздушной среды «чистых» зон.

Первый проект моноблочной воздушной системы ВСОТР реализован нашим предприятием в 1998 г. для термостатирования разгонного блока РН Протон.

Схема подготовки воздуха в ВСОТР показана на рис.2, а конструктивная схема на рис.3.

Воздух для термостатирования забирается из помещения МИК, охлаждается в воздухоохладителе до температуры точки росы с одновременной осушкой, нагревается в электронагревателе до заданной температуры и подается вентилятором через фильтр тонкой очистки по гибким рукавам в отсеки потребителя.

Источником холода является одноступенчатая парокомпрессионная холодильная машина. Выбор парокомпрессионного цикла обусловлен значительно более высоким холодильным коэффициентом и, соответственно, значительно меньшей потребляемой мощностью по сравнению с другими циклами, например, воздушно-холодильным.

Все оборудование ВСОТР смонтировано в едином корпусе-моноблоке, установленном на колеса. На нижнем ярусе расположены компрессорно-конденсаторный агрегат с воздушным охлаждением и электросиловое оборудование.

На верхнем ярусе расположены воздухоохладительно-нагревательный блок, вентилятор, фильтр тонкой очистки, панель управления. Все оборудование закрыто панелями для защиты от повреждений и, одновременно, для облегчения обеспыливания корпуса.

Поддержание и регулирование параметров воздуха в ВСОТР осуществляется по двухступенчатой схеме:

• температура воздуха на выходе из воздухоохладителя и точка росы обеспечиваются средствами холодильной автоматики с точностью ±1°;
• заданная температура воздуха на входе в потребитель обеспечивается плавным регулированием мощности электронагревателя.

Двухступенчатая схема регулирования позволила поддерживать температуру подаваемого на термостатирование воздуха с прецизионной точностью ±0,15°С.

К настоящему моменту на основе вышеописанных решений создан целый ряд ВСОТР с расходами воздуха от 500 до 8000 м3/ч. Сегодня системами данного типа оборудованы десятки рабочих мест космодромов Байконур, Плесецк, Восточный, предприятий-изготовителей космической техники.

Многолетний опыт эксплуатации моноблочных ВСОТР подтвердил их высокую эффективность. Затраты на создание и последующую эксплуатацию снижены на порядок по сравнению с централизованными.

Как результат, моноблочные ВСОТР практически полностью вытеснили централизованные системы.

С удовлетворением отмечаем, что аналогичные установки появились и у других производителей холодильной и климатической техники космического назначения, что подтверждает правильность принятых проектных решений.

ОКБ СХМ «Технатон»

ООО Опытно-конструкторское бюро специального холодильного машиностроения «Технатон» основано в 1992 г для производства работ в области создания холодильных машин и систем термостатирования со специальными техническими характеристиками.

Основными видами его деятельности являются разработка и производство холодильных машин, теплообменного оборудования, систем холодоснабжения, термостатирования, кондиционирования со специальными характеристиками, включая поставку, обслуживание и ремонт.

Специалисты «Технатона» имеют уникальный опыт в области проектирования, разработки и производства холодильного оборудования специального назначения. ОКБ имеет собственные производственные мощности и испытательную базу со специальным стендовым оборудованием.