ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КРИОСТАТОВ С ЗАМКНУТЫМ ЦИКЛОМ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ МАЛОГАБАРИТНЫХ СПУТНИКОВ

В последнее десятилетие отмечается значительный рост числа запусков космических аппаратов, масса которых не превышает 10 кг, так называемых пико (до 1 кг) и наноспутников (от 1 до 10 кг).

Традиционно такие спутники используются для обучения и отработки новых технологий, однако сфера их применения постоянно расширяется. Важную роль в этом направлении играет стандарт «CubeSat», в соответствии с которым выполнено большинство подобных спутников. В статье приводится краткий обзор состояния работ в области создания спутников стандарта «CubeSat», указаны тенденции и возможные перспективы развития данного направления. Появление стандарта «CubeSat» связано с необходимостью решения одной из важнейших проблем подготовки специалистов в космической отрасли — проблемы проведения практических занятий. С одной стороны, практические работы по созданию и эксплуатации реальных, пусть даже простейших, спутников могли бы существенно повысить уровень подготовки будущих специалистов. С другой стороны, такие работы требуют значительного времени и попросту не вписываются в учебные планы, а необходимые для этого финансовые средства слишком велики даже для бюджетов крупнейших учебных центров.

Концепция создания спутников следующая. Существующие разработки явились предпосылками стандарта, накладывающего ограничения на размеры и массу спутника: его корпус должен представлять собой алюминиевый куб объемом 10 × 10 × 10 см³, общая масса которого не должна превышать 1 кг.  Характеристики всех остальных систем и устройств разработчик выбирает по-своему усмотрению. В стандарте предусмотрена возможность создания двойных (объемом 10 × 10 × 20 см³ и массой 2 кг — 2U) и тройных (10 × 10 × 30 см³, 3 кг — 3U) спутников. На рисунке 1 изображены наноспутники серии «Кубсат».

Рисунок 1. Наноспутники серии «Кубсат»

С момента появления популярность стандарта «CubeSat» неизменно растет. Если в 2001 г. над проектами подобных спутников работало всего семь организаций, то сейчас их 95, причём 38 спутников уже запущено. Работы ведутся отнюдь не только в развитых космических державах, но и в Дании, Нидерландах, Израиле, Норвегии, Швейцарии, Турции, Колумбии.     

Внешние элементы спутника подвергаются тепловым воздействиям в диапазоне температур от –120 °C до +100 °C при переходе с теневой стороны орбиты на освещенную, причем скачок температуры происходит в течение нескольких минут. Такой перепад температур может привести к сбоям в работе или выходу из строя бортовой аппаратуры. Согласно данным внутри спутника температура изменяется не так резко: от –20 до +20 °C. Основные электронные компоненты, отвечающие промышленным стандартам, способны работать в диапазоне температур от –40 до +85 °C. Большинство проектов «CubeSat» используют пассивные способы управления тепловым режимом (специальные облицовка, окраска). Известно, однако, что ряд «CubeSat» имели проблемы с работой аккумуляторов. Дело в том, что температурный диапазон нормальной работы современных литиевополимерных аккумуляторов составляет от 0 до +60 °C. Анализ показал, что на теневой стороне орбиты температура батарей будет падать ниже этого предела, если использовать только пассивные методы обеспечения теплового режима. Другим уязвимым местом может стать аппаратура полезной нагрузки. Поскольку возможности активного управления температурой на борту «CubeSat» (особенно одиночного) весьма ограничены, выходом из ситуации является разработка такой компоновки, при которой батареи будут «подогреваться» теплом от других элементов спутника.

Наземная экспериментальная отработка. Разработчики «CubeSat» проводят наземное тестирование спутника в целом и отдельных его систем. Как правило, обязательными являются термовакуумные, вибрационные и радиационные испытания. В ходе радиационных испытаний критические узлы спутника подвергаются воздействию дозы радиации, эквивалентной годичному пребыванию на орбите. Подобные испытания спутника XIIV позволили выбрать наиболее радиационно устойчивый вариант конструкции. Вибрационные испытания проводятся как для отдельных узлов, так и для спутника в целом, помещенного в стартовый контейнер PPOD. Кроме этого, при создании XIIV проводились испытания системы связи: приемник и передатчик размещались на метеорологическом зонде, поднимавшемся до высоты 400 км. Этот спутник прошел также тепловые испытания (равномерным нагревом в печи) для изучения диапазонов температур, в которых его элементы сохраняют работоспособность.

Для имитации условий движения РН и КА необходимо применять установки, которые позволяют создать низкие и даже сверхнизкие температуры чтобы исследовать воздействие этого фактора на элементы конструкции исследуемых объектов.

Существуют некоторые лабораторные исследования и технологические процессы, протекающие при сверхнизких (-150°С и ниже) температурах. Подобного температурного режима требуют исследования сверхпроводимости, исследования прочности материалов, используемых при конструировании космических аппаратов, а также ряд производственных процессов в таких отраслях, как радиотехника, оптика, электротехника, криотехнологии. Криостат - это устройство, в камере которого создается температура ниже 0°С. Обработке в криостатах подвергают сверхпроводящие электротехнические устройства: трансформаторы, магниты, соленоиды, гироскопы. В связи с широким диапазоном температур, в которых функционируют КА, для испытаний при низких температурах используются криостаты.

Криостат представляет собой сосуд, заключенный в теплоизолирующий корпус, в котором обеспечена постоянная циркуляция хладагента. Поскольку прибор предназначен для создания сверхнизких температур, в качестве хладагента используется не фреон, как в холодильниках и морозильниках, а газы с более низкой температурой конденсации: жидкий азот, гелий, водород. Также современные криостаты оснащены электронными блоками управления и регулировки температуры. Одной из важнейших проблем при разработке криостата является его теплоизоляция – минимизация влияния тепла окружающей среды на температуру в рабочей камере устройства. В качестве теплоизолирующих технологий могут применяться вакуум, отражающие экраны, дополнительные охлаждающие контуры. Выпускаются также криостаты, оснащенные манипуляторами, позволяющими перемещать исследуемый объект в камере криостата, не открывая его.

Классификация криостатов осуществляется по используемому хладагенту (то есть по пределу достижимого температурного минимума), по материалу корпуса, по функциональному назначению. В настоящее время корпуса криостатов чаще всего изготавливают из стекла, металла (меди, стали, различных сплавов) или пластика. Корпуса лабораторных криостатов чаще всего стеклянные, поскольку прозрачность часто бывает необходима для визуального контроля процесса исследования. Однако такие криостаты требуют особенно бережного обращения в силу своей малой прочности. Поэтому для процессов, не требующих визуального контроля, лучше использовать криостат в металлическом или пластиковом корпусе: такие устройства достаточно универсальны, выпускаются в разнообразных модификациях, что позволяет с легкостью выбрать наиболее подходящую модель.

Простейший криостат для исследований при температурах, близких температуре кипения жидкого гелия (4,2 К) при атмосферном давлении, состоит из двух сосудов Дьюара, вставленных один в другой. Внутренний сосуд заполняют жидким гелием, а наружный - жидким азотом. Ниже на рисунке 2 представлен простейший криостат.

Рисунок 2. Стеклянный гелиевый криостат: 1 – охлаждаемый предмет; 2 – сосуд Дьюара с гелием; 3 – сосуд Дьюара с азотом

Современные криостаты имеют, как правило, металлические стенки. В межстеночных пространствах создается глубокий вакуум, который поддерживается в процессе эксплуатации с помощью адсорбента, поглощающего остатки газа после вакуумирования.

Криостаты замкнутого цикла не требуют криогенных жидкостей. Они обладают низким уровнем вибраций и акустических шумов, а также исключительной температурной стабильностью. Предельная температура криостатов достигает 1,5 К. Каждый криостат может быть оснащен сверхпроводящим магнитом, а для снижения вибраций криостаты помещаются в специальный вибропоглащающий корпус. На рисунке 3 представлен современный криостат с замкнутым циклом.

Рисунок 3. Криостат с замкнутым циклом

Фундаментальные исследования в физике, равно как и исследования образцов в материаловедении, часто требуют охлаждения до сверхнизких температур. Многие явления также связаны с использованием магнитного поля.

Существуют разработки криостатов с замкнутым циклом (attoDRY) и жидкие гелиевые (attoLIQUID). Криостаты замкнутого цикла линейки attoDRY не требуют криогенных жидкостей, что делает их все более популярными во всех областях, где требуются низкие температуры. Криостаты этой серии обладают низким уровнем вибраций и акустических шумов, а также исключительной температурной стабильностью. Предельная температура криостатов этой линейки достигает 1,5 К. Для измерений в высоких магнитных полях криостаты могут быть оснащены сверхпроводящими магнитами. Криостаты attoDRY1100 и attoDRY2100 лежат в основе исследовательских комплексов attoDRY LAB и по своей сути являются их упрощенными версиями. Для случаев, когда требуется предельная стабильность в чувствительных к вибрациям измерениях, а также предельно низкие температуры. Криостаты (attoDRY) особенно полезны для научных приложений таких, как дефектоскопия, микроскопия, спектроскопия.

Особое внимание было уделено снижению уровня вибраций. Компания attocube разработала линейку заливных криостатов attoLIQUID. Предельная температура криостатов этой линейки достигает 20 мК. Каждый криостат может быть оснащен сверхпроводящим магнитом, а для снижения вибраций все криостаты линейки attoLIQUID помещаются в специальный вибропоглощающий корпус. Это делает возможным проведение экспериментов с использованием сканирующей зондовой микроскопии при различных температурах с максимально возможной чувствительностью и разрешением. На рисунке 4 представлен криостат attoDRY.

Рисунок 4. Криостат attoDRY

Зависимость от жидкого гелия по-прежнему связана с тяжелой логистикой, высокими ценами и ненадежными поставками. Следовательно, криостаты с замкнутым циклом становятся все более популярными во всех областях, связанных с измерениями при переменных или низких температурах. С серией attoDRY attocube предлагает уникальные криогены без криогена с непревзойденными и проверенными низкими механическими колебаниями, беспрецедентным низким уровнем акустического шума и исключительной температурной стабильностью. Следовательно, они особенно полезны для научных приложений, таких как микроскопия и оптическая спектроскопия, но также и для транспортных измерений.

Кроме того, данные системы были оптимизированы для быстрого выполнения оборота и, следовательно, обеспечивают максимальное количество циклов измерения за минимальное время. Сверхпроводящие магниты в форме одиночных соленоидов или векторных магнитов доступны для измерений в сильных магнитных полях. Наконец, что не менее важно, особое внимание было уделено простоте использования благодаря автоматизации рутинных процедур, таких как контроль температуры и магнитного поля.

На основании проведенных исследований была составлена таблица (таблица 1) существующих криостатов, обеспечивающих необходимый диапазон температур для имитации условий движения космических аппаратов. Диапазон температур от -269° С (4° К) до +147° С (420° К)

Таблица 1.

Перечень криостатов

В результате проведенного анализа делается вывод о том, что применение современных криостатов со сверхпроводящими магнитами можно применять при экспериментальной отработке материалов и элементов конструкции КА серии Кубсат (они имеют небольшие размеры), а также проводить различные исследования в области технической диагностики с последующим прогнозом.

Список литературы:

1. Пироженко А. В., Храмов Д. А. Схема развертывания малой космической тросовой системы // Вісник Дніпропетровського ун-ту. Ракетно-космічна техні-ка. — 2007. — № 9/2. — С. 198–204.
2. Tsuda Y., et al. University of Tokyo's CubeSat Project — Its Educational and Technological Significance // 15^th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites Logan, Utah, August 13–16, 2001. — Logan, 2001. — SSC01_VIIIb_7. — 8 p.
3. https://chemtest.com.ua/kriostati_termostati_nizkotemperaturnii
4. Oehrig J. H., et al. TU Sat 1 — An Innovative Low_Cost Communications Satellite // 15th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites Logan, Utah, August 13 – 16, 2001. — Logan, 2001. — SSC01_VIIIb_4. — 15 p.