Лаборатория криотермовакуумных испытаний

     Лаборатория криотермовакуумных испытаний – наиболее сложный комплекс НПО "Молния", имеющий 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 м3 до 360 м3 (рис.6) и, кроме того, – ряд вспомогательных установок для проведения необходимых технологических операций (нанесение отражающих покрытий на зеркала солнечных имитаторов и др.). Внешний вид большого зала лаборатории, в котором расположены вакуумные камеры с объемом от 47 м3 до 360 м3 показан на рис.7.


Рис.6. Основные установки лаборатория криотермовакуумных испытаний

     Лаборатория оборудована централизованной системой вакуумирования с использо-ванием безмасляных форвакуумных и турбомолекулярных высоковакуумных насосов.
     Охлаждение криоэкранов осуществляется жидким азотом от общей системы азото-снабжения. Отогрев и разгерметизация больших камер осуществляется с использованием соответствующих централизованных систем.
     Лаборатория оборудована современными компьютеризованными системами управ-ления испытаниями и регистрации измеряемых параметров.


Рис. 7. Криотермовакуумные камеры КТВУ-40, КТВУ-40-С и КТВУ-250-С.

     Установки КТВУ-40-С и КТВУ-250-С предназначены для проведения криотермова-куумных 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 (до 510-8 торр или 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 источни-ками инфракрасного излучения, которые в зависимости от целей эксперимента могут соз-давать тепловой поток, имитирующий излучение Земли или Солнца. Мощность падающе-го потока при этом может меняться в пределах 0.12 кВт/м2. Оригинальная схема пере-ключения 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 кос-моса составляет –173ºС, (100 К) при коэффициенте поглощения солнечного излучения αs>0.9, (ε=αs).
     На рис. 8 показана установка КТВУ-250-С в процессе подготовки к испытаниям од-ного из измерительных модулей, использовавшихся по программе создания ОК "Буран".
     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 с имитацией вибрационного воздействия от ракеты-носителя или других источников.


Рис. 8. Установка КТВУ-250-С.

     Воспроизведение тепловых и вакуумных условий орбитального полета – это лишь часть задач, которые решаются на установках лаборатории криотермовакуумных испыта-ний. Второе важное направление работ – имитация высокотемпературного нагрева тепло-вой защиты аэрокосмических ЛА при возвращении с орбиты 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 –120ºС до +1250ºС, а в некоторых случаях – до +1800ºС. Кроме того, одновременно с нагревом надо синхронно изменять давление окру-жающего воздуха, которое при спуске с орбиты увеличивается от 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.9 на примере эксперимента в установке КТВУ-40 по анализу возможных последствий при потере во время спуска с орбиты элемента плиточной тепло-вой защиты. Для того, чтобы избежать перегрева стенок вакуумной камеры, объект высо-котемпературных 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.


Рис. 9. 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 квар-цевых галогенных ламп,
7 – места установки термопар на испытываемом фрагменте кон-струкции.

     Еще одна модульная конструкция под названием СКИТ, разработанная для воспро-изведения сложных условий теплового нагружения элементов тепловой защиты ОК "Бу-ран" показана на рис.10.


Рис.10. 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 реги-страции температуры;
9 – датчик давления; 10 – регистратор давления;
11 – вакууметр; 12 – регулятор нагрева; 13 – криогенный насос.

     Модуль СКИТ позволяет проводить термоциклические испытания единичных эле-ментов теплозащиты размером до 285х700 мм, включая их программный нагрев до темпе-ратуры 1250ºС 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 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 возвращении на Землю. В качестве вакуумной камеры обычно используются ТВУ-8. На рис 11 показаны испытательная панель с экспериментальным теплозащитным элементом, блок нагревателей с двумя испытательными панелями в закрытом положении и сам модуль СКИТ перед установкой в камеру ТВУ-8.


Рис.11. Испытание образцов теплозащиты в установке ТВУ-8
с использованием модуля СКИТ.


     Возможности имеющихся установок не ограничиваются только криотермовакуум-ными 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 тем-ператур и давления, для термовакуумной сушки любых материалов включая пищевые продукты и лекарства, для медицинского применения с целью лечения пациентов в усло-виях повышенного содержания кислорода или в искусственной атмосфере любого необходимого состава и др.
     Одним из практически освоенных новых направлений, является вакуумное нанесение тонких покрытий на стекла, металлы, пластмассы и другие материалы с использованием электродугового испарения материала покрытия на линейном катоде большой протяженности. Установки этого типа разработаны в НПО "Молния" и используются для нанесения многих типов покрытий с использованием металлических катодов из различных материалов (титан, алюминий и др.). Схема метода нанесения покрытий показана на рис.12.


Рис.12. Принципиальная схема установки вакуумного нанесения покрытий


1 – анод (установочный стол и стенки вакуумной камеры),
2 – электроизолятор, 3 – линейный катод (металлический стержень),
4 – подложка для нанесения покрытия , 5 – электродуговой разрядник,
6 – кольцевой электродуговой разряд.

     Процесс нанесения покрытий происходит при низком давлении порядка 0.1-1 Па. Инициирование дугового разряда осуществляется специальным механическим разрядни-ком (5). Первоначально он находится в контакте с катодом. После включения питающего напряжения стержень разрядника отделяется от катода, и в этот момент возникает дуговой разряд, который затем переходит в тлеющий газовый разряд между катодом и стенками вакуумной камеры (анод). При этом основное выделение энергии происходит непосредст-венно возле поверхности катода, приводя к испарению и частичной ионизации его мате-риала.


Рис.13. Оснастка для нанесения тонких покрытий в установке КТВУ-40.


     Электрический разряд вблизи катода имеет форму светящегося кольца и после воз-никновения разряда движется вдоль катода к его противоположному концу с более отри-цательным потенциалом. Данный процесс периодически повторяется и в результате обес-печивается нанесение испарившегося материала катода на значительной площади, завися-щей от количества катодов и их длины. Процесс напыления реализован на нескольких ус-тановках НПО "Молния" – КТВУ-40, ТВУ-8, ТВУ-2.5. На самых больших установках КТВУ-40 одновременно используются три катода, а максимальная площадь плоских объ-ектов для нанесения покрытий может достигать 12-15 м2, (Рис.13).
     Помимо декоративных покрытий этим же методом можно наносить покрытия специального назначения, обладающих повышенной износостойкостью, электропроводностью и другими свойствами.
     Кроме того, разработаны и успешно применяются методы нанесения высокотвердых покрытий из хрома методом термодиффузии, позволяющие существенно повысить ресурс работы многих изделий и в частности – режущего инструмента.
     В своем настоящем виде лаборатория криотермовакуумных испытаний вместе с кол-лективом опытных испытателей и исследователей имеет широкие возможности для разви-тия и практического внедрения самых передовых технологий базирующихся на с исполь-зовании криогенной, вакуумной и высокотемпературной техники.


Лабораторно-испытательная база НПО "Молния" также включает следующие лабораторные комплексы: