Композиционные материалы в конструкциях теплоизлучающих устройств космических энергетических установок

Решаемые современными космическими аппаратами (КА) задачи требуют снижения массы конструкции КА для увеличения массы целевой функциональной аппаратуры [1]. В первую очередь, это относится к конструкциям теплоизлучающих устройств, габариты которых являются определяющими КА (до сотен квадратных метров) в его орбитальном положении [2]. Соответственно, масса этих устройств достигает значительных величин из-за использования в них в настоящее время в качестве излучающей поверхности медной оболочки из-за её хорошей теплопроводности. Появление углеродных волокон с теплопроводностью более 500 Вт / (м · К) делает актуальной замену медной оболочки на углеродную ткань с существенно меньшей плотностью [3, 4]. Реализации такого конструктивного приёма препятствуют сложности передачи тепла от тепловой трубы к излучающей углеродной поверхности. Причиной служит существенная разница в величинах коэффициентов линейного расширения металла, например, нержавеющей стали, из которой выполнены тепловые трубы, и углеродного волокна, имеющего практически нулевое значение.

Трудности также заключаются в реализации трансформируемости теплоизлучающих устройств из стартового — компактного — положения в орбитальное, обеспечивающее необходимый отвод тепла в космическое пространство. Одним из путей решения этой задачи является совмещение функций силовой конструкции устройства отвода тепла, к которым можно отнести различные оболочки, рамы, балки с его излучающей поверхностью.

Ниже будут рассмотрены некоторые технические решения, которые способны либо удовлетворить существующие требования, либо дать направления дальнейшим исследованиям.

Теплопроводное волокнокак теплоизлучающая поверхность

Существующие теплоизлучающие поверхности, или панели холодильника-излучателя (ХИ), имеют либо плоскую, либо изогнутую форму (рис. 1).

В конструкционном плане они представляют, как правило, металлический коллектор с установленными в него участками испарения тепловых труб, которые омываются теплоносителем,

Рис. 1. Геометрия излучающих поверхностей холодильников-излучателей: а — плоская; б — изогнутая (рисунок создан авторами)

охлаждающим агрегаты КА. Участки конденсации в тепловых трубах снабжены припаянными медными пластинами, с которых излучается тепло. Основной вопрос, стоящий при замене медных пластин на теплопроводное углеродное полотно, заключается в том, чтобы с минимальным термическим сопротивлением присоединить углеродное волокно (рис. 2) к тепловой трубе. При этом следует отметить, что углеродное пековое волокно (а именно оно является теплопроводным) обладает высоким значением модуля упругости, т. е. является весьма ломким и вызывает дополнительные технологические трудности при работе с ним.

Попытки соединить тепловую трубу с углеродным волокном путём пайки (рис. 3) или механическим контактом, за счёт введения трубы в структуру углеродного волокна (рис. 4), показали возможность этих методов.

На рис. 5 показано распределение температуры на макете ХИ по углеродному волокну с малой теплопроводностью (рис. 5, а ) и с теплопроводностью 500 Вт / (м ∙ К) (рис. 5, б ). В качестве источников тепла вместо тепловых труб в эксперименте применялись электронагреватели.

Полученное распределение температуры на макете ХИ подтверждает целесообразность продолжения работ в этом направлении, учитывая, что разрабатываемые в настоящее время энергетические установки имеют ХИ площадью до нескольких сотен квадратных метров. Так оценочный расчёт массы излучающей поверхности, выполненной из меди и углеродной ткани, показал следующее. Масса медной оболочки площадью 500 м2 и толщиной 0,3 мм составляет 1 305 кг. Масса углеродного полотна такой же площади равна 200 кг. Поэтому замена меди на углеродное полото выглядит весьма перспективно.

Выше были представлены теплоотводящие системы, относящиеся к агрегатам всего КА, однако в некоторых случаях целесообразно иметь локальные теплоотводящие устройства. Например, к ним можно отнести регенеративную систему подачи рабочего тела в энергетический блок (рис. 6) [5].

Необходимость применения такого метода обусловлена сложностью одновременной реализации в ограниченном объёме и температуры испарения, и температуры конденсации рабочего тела.

Теплопроводное углеродное волокно было также использовано при изготовлении корпуса блока электронных устройств (рис. 7). Материалом служил графитопласт с фенолформальдегидным связующим. Его теплопроводность составила 65^90 Вт / (м • К); ст _раст = 18^50 МПа;

Рис. 2. Углеродное пековое волокно (фотография сделана авторами)

Рис. 3. Элемент паяного соединения трубки с углерод-

ным полотном (фотография сделана авторами)

Рис. 4. Элемент механического соединения трубки с углеродным полотном (фотография сделана авторами)

600 ° C

Рис. 7. Корпус электронных устройств (фотография сделана авторами)

а)

100 ° C

б)

Рис. 5. Распределение температуры на макете холодильника-излучателя по углеродному волокну с малой теплопроводностью (а) и с теплопроводностью 500 Вт /(м · К) (б) (рисунок создан авторами)

в полёте беспилотного летательного аппарата, и показал себя более эффективным, чем корпус, выполненный из алюминиевых сплавов, как по отводимому теплу, так и по массе.

Углеродный материал в конструкции теплоотводящих устройств

Помимо использования углеродного волокна в теплоизлучающих поверхностях, его целесообразно применять и в силовых конструкциях теплоотводящих устройств, например в виде различных балок, профилей и состоящих из них элементов [6]. На рис. 8 представлена балка из углеродного материала на основе высокотемпературного фталонитрильного связующего, которое позволяет балке функционировать при температурах до 350 ° С (таблица).

Механические свойства силовых конструкций с фталонитрильным связующим

Характеристика	Температура, ° С
	25	300	350
Предел прочности при растяжении, МПа	664,9	–	–
Модуль упругости при растяжении, ГПа	64,4	–	–
Предел прочности при сжатии, МПа	458,4	455,4	431,6
Модуль упругости при сжатии, ГПа	70,2	55,0	51,9

Углеродное волокно

Рис. 6. Излучатель регенеративной системы подачи рабочего тела (рисунок создан авторами)

а сж = 80^120 МПа; а _изг = 20...150 МПа, где а _раст, а сж и а _изг — пределы прочности при растяжении, сжатии и изгибе соответственно. Как показали натурные испытания, корпус из данного теплопроводного углеродного материала выдержал механические нагрузки, реализующиеся

Способность конструкций на фталонитриль-ном связующем функционировать при такой высокой температуре делает их весьма перспективными для применения в ХИ различных энергетических установок КА.

Особенно это важно в конструкциях КА, в которых ХИ имеет два рабочих положения: стартовое (компактное) и орбитальное (развёрнутое) [6]. В этом случае, как показали

Рис. 8. Изогридная углеродная балка на фталонитриль-ном связующем (фотография сделана авторами)

конструкторские проработки, имеется возможность интегрировать панель ХИ в силовую конструкцию теплоотводящего устройства. Это позволяет уменьшить габариты составляющих его элементов (панелей), упакованных в стартовом положении, и, соответственно, разместить дополнительные панели. На рис. 9, 10 показан один из вариантов теплоотводящего устройства в стартовом и орбитальном положениях [7]. В этой конструкции реализована попытка получения максимальной излучающей поверхности при ограниченных габаритах стартового положения КА. При этом ограничением выступал также размах панелей ХИ в орбитальном положении.

Поставленные цели достигались путём трансформирования телескопической штанги 5 , раздвигающей части 4 КА и служащей опорой для развёртывания по ней в трёх плоскостях створок панелей 2 ХИ с последующим их поворотом в радиальное положение относительно продольной оси телескопической штанги 5 . Её раздвижение обеспечивалось тросовой системой с приводом 7 . Важным конструктивным приёмом служило размещение коллекторов 3 панелей ХИ в плоскости силовой конструкции разворачиваемых створок 2 , для чего коллекторы ХИ помещались между половинками перекладин створок, образующих силовой каркас.

26       1      7

Рис. 9. Холодильник-излучатель в стартовом положении: 1 — углеродные композиционные балки; 2 — разворачиваемые створки; 3 — коллекторы; 4 — раздвигающиеся части КА; 5 — телескопическая штанга; 6 — гибкие металлорукава; 7 — троссовая система с приводом (рисунок создан авторами)

3     2  6  326    23

Рис. 10. Холодильник-излучатель в орбитальном положении. Расшифровку обозначений см. в подрисуночной подписи к рис. 9 (рисунок создан авторами)

Аналогично крепились сепараторы тепловых труб, препятствующие их вибрации при старте КА. В результате створка представляла собой замкнутый прямоугольник с рядом поперечных балок. Одновременно такая конструкция створки с панелью ХИ обеспечивала защиту коллекторов от метеоров.

Передача теплоносителя от створки к соседней створке осуществляется посредством гибких металлорукавов 6 . Движителями всех перемещений из стартового положения в орбитальное являются электроприводы с тросовыми системами. Одновременно в представленной конструкции предусмотрена возможность размещения электрических коммуникаций между раздвигаемыми частями КА. Она также реализована с использованием углеродных композиционных балок 1 с фталонитрильным связующим. Как уже было отмечено, это связующее позволяет функционировать изделиям при температуре до 350 ° С. Для функционирования аналогичных конструкций при более высоких температурах необходим переход на углерод-углеродный композиционный материал [6]. При этом все конструктивные подходы в проектировании теплоотводящих устройств сохраняются.

Заключение

Выполнен анализ возможностей применения углеродных композиционных материалов в теплоотводящих системах КА. Показан большой потенциал их использования в конструкции КА для снижения их массы.

Применение теплопроводной углеродной ткани в качестве излучающей поверхности теплоотводящих устройств, особенно имеющих большие излучающие поверхности, например в энергетических установках на основе газотурбинного цикла преобразования энергии, позволит существенно снизить массу КА.

Теплопроводный углеродный материал, способный быть представленным в различных конструктивных формах, может быть крайне полезным при реализации локальных устройств отвода тепла.

Интегрирование теплоотводящих поверхностей ХИ в силовой контур конструкции панели, независимо от её температуры, является целесообразным. Это позволяет достичь большей излучающей поверхности при ограничениях на стартовые габариты КА и одновременном снижении массы теплоотводящей системы. Реализация такой конструкции дополнительно повышает защищённость жидкометаллического контура коллекторов КА от метеорного пробоя.