Система охлаждения пускового комплекса космических кораблей многоразового использования «СПЕЙС ШАТТЛ»

D.W. Johnson, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Наземная охладительная система обеспечивает все потребности охлаждения космического челнока на стартовой площадке: с первого дня его установки на мобильную стартовую платформу до момента взлета. В качестве теплопередающей среды используется холодильный агент фреон-124, т. к. он характеризуется низким потенциалом разрушения озонового слоя и совместим с системой охлаждения теплозащитной оболочки корабля. Во время большинства предстартовых испытаний, пока корабль находится на платформе, для отведения теплоты от хладоносителя используется вода, подаваемая от сети пускового комплекса. Однако когда начинается предстартовый отсчет времени, включаются холодильные установки, обеспечивающие дополнительное термическое регулирование при стартовых тепловых нагрузках и создающие «запас холода». В последние часы перед стартом температура в бортовых охлаждающих контурах поддерживается на уровне 4 °С. Это позволяет обеспечить требуемое охлаждение при взлете, пока на высоте 30 480 м не включатся бортовые системы испарительного охлаждения.

Циркуляционно-контрольный блок системы регулирования микроклимата и жизнеобеспечения (СРМЖ) обеспечивает подачу на космический челнок хладоносителя с заданной температурой и давлением (рис. 1). Хладоноситель при температуре окружающей среды закачивается из резервуара в циркуляционную установку, а затем в водоохлаждаемый теплообменник (СРМЖ). После теплообменника хладоноситель при нормальном режиме охлаждения корабля может не поступать в холодильную установку, а проходить через три дополнительных водоохладителя вторичного холодильного контура. Кондиционированный хладоноситель возвращается в циркуляционно-контрольный блок к устройствам регулирования температуры и расхода, затем через распределительную систему на мобильную стартовую платформу (рис. 2).

На стартовой платформе хладоноситель поступает в хвостовую мачтовую вышку к коммуникационной панели космического челнока, где имеется составной заправочный шланг, расположенный в левой части кормы орбитального модуля. Пройдя через шланг, хладоноситель поступает в бортовой теплообменник системы наземного обслуживания оборудования. Теплоизбытки помещений корабля отводятся фреоном R-21, циркулирующим через указанный теплообменник. Нагретый хладоноситель R-124 по заправочному шлангу возвращается в циркуляционно-контрольный контур.

Рисунок 1. (подробнее) Схема наземной системы охлаждения для системы регулирования микроклимата и жизнеобеспечения

Старая система наземного охлаждения состояла из двух циркуляционных модулей, двух холодильных модулей и распределительной системы хладоносителя. Обе группы установок были размещены открыто, на поверхности стартовой платформы у основания вышки. При каждом запуске их обдавало волной коррозионно-активных продуктов сгорания твердотопливных ракетоносителей. Выхлопные газы, вибрация платформы и соленый океанский туман создавали кошмарные условия для обслуживания и ремонта. Затраты на ремонт и борьбу с коррозией стремительно возрастали. Вибрация при стартах и разъедание конденсаторов соленым океанским воздухом вызывали утечки фреона из холодильных установок. Электрические кабели сносило выхлопами ракет, и после старта их приходилось очищать от коррозионно-активного налета; часто требовалась замена. Система температурного регулирования холодильных установок основывалась на использовании соленоидных вентилей с механическим приводом – лишний поворот регулятора вызывал выброс избыточной порции хладагента в орбитальный модуль. Регулирование температуры было в лучшем случае циклическим. На одном из первых пусков холодильная установка вышла из строя и заменялась в то время, когда космонавты уже поднимались на борт.

Рисунок 2. (подробнее) Конфигурация стартовой платформы

Цель разработки новой наземной охлаждающей системы состояла в обеспечении простого и надежного охлаждения в широком диапазоне тепловых нагрузок, гарантии стартовой готовности, обеспечении резервной холодопроизводительности, упрощении обслуживания и ремонта. В задачу системы входило поддержание температуры хладоносителя R-124 в пределах -12...+16 °С) и расхода в пределах 0,13–1,2 л/с, ассимиляция переменных тепловых нагрузок до 40 МВт при ограничении максимального давления 1 825 кПа в теплообменнике системы наземного обслуживания оборудования. Эти расчетные параметры должны были соответствовать (с запасом) жестким требованиям регламента контроля взаимодействия орбитального комплекса с наземными системами. Поскольку возможности новой системы превосходят требования регламента контроля взаимодействия 20-летней давности, имеется резерв для тепловых нагрузок от новых устройств (например, многозадачного модуля логистики); это позволит обеспечить более высокие потребности охлаждения, чем было предусмотрено в середине 1970-х годов.

Опыт эксплуатации старых систем наземного охлаждения предоставил много информации о надежности, ремонтопригодности и возможности обслуживания всех компонентов. Новая система охлаждения является простой, доступной для обслуживания, настройки и ремонта. Все отсеки и корпус имеют приспособления для доступа персонала, калиброванные коммуникационные отверстия и отсечные клапаны. В число основных компонентов системы включены также дренажные устройства для слива и замены хладагентов.

Ввиду жестких условий со стороны окружающей среды на стартовой площадке для новой системы было предусмотрено специальное помещение. Первоначально предполагалось размещать наземные охлаждающие системы внутри каждой стартовой платформы. Однако затем было решено для этой цели возводить их на платформах здания.

Главным объектом разработки была система регулирования температуры. Три холодильные машины соответствующей мощности, включенные последовательно, были приспособлены для ассимиляции переменных тепловых нагрузок в широком диапазоне значений. На каждую из них по мере надобности подавалась фиктивная нагрузка (электронагрев) так, чтобы суммарная нагрузка системы оставалась постоянной. Это было сделано для того, чтобы постоянными могли оставаться параметры настройки холодильного цикла, что сразу избавило от необходимости устройства сложных подсистем. Для управления первичными и вторичными вентилями в системе используются программируемые логические контроллеры. Каждый вентиль имеет линейную характеристику регулирования. Изменение температуры хладоносителя может осуществляться из центра управления запуском (с расстояния примерно 4,8 км) или, при необходимости, местным компьютером. При использовании компьютера точность поддержания температуры составляет 0,5 °С, а при регулировании из центра (во время запуска) – 0,8 °С.

При разработке системы охлаждения реализовано много новых идей. Поскольку компрессоры холодильных установок размещены внутри нового здания, было предусмотрено водяное охлаждение конденсаторов. Ввиду того что пусковой комплекс размещается в зоне с жесткими природоохранными требованиями, расход воды для охлаждения конденсаторов строго ограничивался. Было также принято решение подавать охлаждающую воду от основной сети пускового комплекса, т. к. это наиболее надежный ресурс. Ко всем конденсаторам холодильных установок предусмотрена подача воды из указанной сети через регулирующий вентиль с программируемыми логическими контроллерами, имеющий линейную характеристику регулирования. Имеется также резерв охлаждающей воды, который может быть задействован из центра управления стартом. В циркуляционно-контрольном контуре используются также программируемые логические контроллеры для регулирования температуры хладоносителя на линиях подачи и возврата и для контроля расхода хладоносителя с помощью резервных регуляторов расхода. Когда программируемые логические контроллеры работают в автоматическом режиме, температура хладоносителя на подаче регулируется термостатирующими смесительными клапанами, а для поддержания заданной температуры на выходе используется регулятор расхода. Такой метод автоматического контроля сводит к минимуму необходимость вмешательства персонала в критических ситуациях старта.

При разработке проекта энергоэффективность не входила в число критериев оптимизации. С самого начала в проект была заложена максимальная степень резервирования. В здании предусмотрены три источника электропитания переменного тока напряжением 480 В, два из которых присоединены к автоматическим переключателям. Запасные трансформаторы на 120 В питаются от независимого источника. Каждое из устройств контроля, работающих на напряжении 28 В постоянного тока, также имеет резервный источник питания. Такая система не является экономичной при обычном подходе к энергопотреблению, и она не может быть обоснована для коммерческого применения. Однако благодаря тому, что эта система имеет минимальное время простоя, она эффективна для обслуживания космических кораблей, где требуется высочайшая степень надежности во время старта. Здесь на карту поставлены жизни космонавтов. Кроме того, отмена старта в каждом случае обходится в $1 млн.

Эксплуатация и техническое обслуживание новой системы – это просто удовольствие по сравнению со старой системой, располагавшейся открыто на пусковой платформе. Большинство процедур по обслуживанию выполняется в комфортабельном кондиционируемом помещении. Операторы легко выполняют переключение режимов с помощью компьютеров. Доступ к агрегатам стал более удобным по сравнению со старой системой.

Например, чтобы открыть дверь в электрощитовой отсек старого циркуляционного модуля, требовалось отвернуть 34 болта. В новой системе дверь открывается поворотом ручки. Смена хладагента может производиться внутри здания в любую погоду с использованием удобных дренажных устройств и сервисных отверстий. Во время первого года эксплуатации стартового комплекса 39В было зарегистрировано 26 неполадок. В одном случае это был отказ компонента. Остальные 25 относились к периоду монтажа, тестирования и приемки новой системы. Для сравнения: на старой системе наземного охлаждения в течение 10 лет эксплуатации каждый год регистрировалось по 150 нарушений. Срок окупаемости новой системы составляет 18–19 лет.

Перевод с английского О. П. Булычевой.

Научное редактирование выполнено В. Д. Коркиным – зав. кафедрой СПб ГАИЖСА им. И. Е. Репина.