Опыт разработки и применения тепловых труб для космических аппаратов в научно-производственном объединении имени С.А. Лавочкина

Тепловые трубы (ТТ) были впервые применены на российских космических аппаратах в начале 1970-х гг С этого времени большое количество ТТ успешно используется в различных системах терморегулирования (СТР), расширяя с каждым годом их возможности и сложность решаемых задач. Современным СТР на базе тепловых труб характерны высокая надежность и длительный ресурс (15-20 лет) наряду с относительно низкой стоимостью тепловых труб по сравнению с активными жидкостными или газовыми контурами

В 1970-1990 гг в СССР более 20 организаций разрабатывали и производили тепловые трубы для космического применения. К настоящему времени осталось лишь 5 предприятий в России, которые занимаются разработкой и производством таких изделий:

• -    Центр тепловых труб Роскосмоса в НПО имени С. А. Лавочкина (ЦТТ);

• -    НПП «Тепловые агрегаты и системы» (ТАИС);

• -    НПО Прикладной механики имени М. Ф. Решетнева (НПО ПМ) и др.

В НПО имени С. А Лавочкина начали заниматься тепловыми трубами в 1968 г. Тогда под руководством Э. П. Смирнова совместно с Ленинградским технологическим университетом были созданы первые опытные образцы реверсивных ТТ и термодиодов на ацетоне и спирте с гомогенной капиллярной структурой. Успешные лабораторные эксперименты с этими трубами позволили приступить к разработке криогенных систем терморегулирования для серии спутников, получивших в открытой печати название «Око». В НПО имени С. А. Лавочкина под руководством И. И. Штейнгарда была разработана СТР для охлаждения опто-электронного оборудования до уровня температур 180 К. В 1971 г решением Военно-промышленной комиссии дальнейшая разработка и изготовление ТТ для этих спутников были переданы в НПО «Красная Звезда».

Первый КА этой серии был запущен 19 сентября 1972 г Мы полагаем, что это был первый в России космический аппарат с тепловыми трубами на борту (рис. 1).

В состав СТР входили 26 реверсивных тепловых труб с теплоносителем фреон-22. Несмотря на то, что первый американский аппарат с тепловыми трубами был запущен на полгода раньше (2 марта 1972 г.), наша страна может по праву гордится этой разработкой. Сложная криогенная система, созданная в сжатые сроки, оказалась не только одной из первых, но и самой долгоживущей. Спутники этой серии, созданные под руководством А. Г. Чеснокова, до настоящего времени остаются основой национальной противоракетной обороны. К настоящему вре мени уже запущено около 100 спутников «Око» и еще 3 будут запущены в ближайшее время.

Капиллярная структура для ТТ КА «Око» была предложена Данилевским и Бруно - сотрудниками НПО «Красная Звезда» и его филиала в г Протвино. Сделанная из гофрированной сетки, она получила название «поли-артериальной» (рис. 2).

Рис. 2. Полиартериальная капиллярная структура Данилевского и Бруно

Капиллярная структура оказалась очень технологичной, имела неплохие теплофизические свойства по сравнению с гомогенной капиллярной структурой и хорошо сочеталась с корпусом из нержавеющей стали. ТТ с такой капиллярной структурой были также просты и дешевы, как ТТ с гомогенной структурой, но имели в несколько раз более высокую мощность и устойчивость к перегреву зоны испарения.

Несколько лет спустя в США в TRW под руководством David Antoniuk были созданы очень похожие ТТ с металловолокнистым фитилем, которые также до сих пор используются для низкотемпературных СТР

Артериальные ТТ. Шестой спутник серии «Око», запущенный 22 сентября 1976 г., был оснащен модернизированной СТР, в которую вошли 8 термодиодов с жидкостной ловушкой. Термодиоды с жидкостной ловушкой на базе ТТ с полиартериальной структурой были разработаны талантливым конструктором и изобретателем НПО «Красная Звезда» И. М. Блинчевским. По нашим сведениям, это был первый в мире КА с термодиодами на борту.

Более 2 000 ТТ с полиартериальной структурой были изготовлены и запущены на борту КА серии «Око». Они продемонстрировали достаточно высокую надежность. Их производство почти без модернизации конструкции и технологии продолжалось до 1992 г.

Создание ТТ с сегментной артерией было следующим шагом в развитии ТТ. В начале 1980-х гг. в НПО имени С. А. Лавочкина была начата разработка нового спутника, требовавшего диапазона температур 150...170 К. И. А. Зеленовым и И. И. Штейнгардом была создана криогенная СТР для геостационарного КА «Око-1». Увеличивающиеся требования к производительности ТТ заставили найти новую капиллярную структуру для ТТ, которая превосходила полиартериальную более, чем в три раза по мощности и по коэффициентам теплоотдачи. Коллективом конструкторов из НПО имени С. А. Лавочкина и НПО «Красная Звезда» во главе с И. М. Блинчевским была предложена капиллярная структура с сегментной артерией (рис. 3).

Рис. 3. Капиллярная структура с сегментной артерией

Первый КА «Око-2» был запущен на орбиту 14 февраля 1991 г. К этому времени уже имелся негативный опыт разработчиков артериальных ТТ из компаний «Nortrop», «Gruman» и «ОАО» (рис. 4). Созданные ими конструкции артериальных ТТ хорошо работали на земле, но в космосе артерия «запаривалась» и ТТ работать переставали (4th IHPC, London, 1981). «No bubble - no trouble» (D. Antoniuk). В 1984 г. использование артериальной структуры было запрещено в NASA и ESA.

Несмотря на все опасения СТР, «Око-1» показал хорошие характеристики в полете и доказал жизнеспособность артериальной структуры ТТ при его грамотном проектировании. В конце 1990-х гг. ТТ этой системы были модернизированы в НПО имени С. А. Лавочкина под руководством автора и производятся в ЦТТ до настоящего времени. Сейчас уже запущены 6 спутников этой серии и еще 2 должны быть запущены в ближайшее время.

Рис. 4. КА «Око-2»

В состав СТР входят 12 ТТ с аксиальными канавками, 2 ТТ с полиартериальной структурой и 10 ТТ с сегментной артерией. В числе последних 4 термодиода с жидкостной ловушкой и 2 гибкие ТТ, соединяющие сканирующий узел с опто-электронной аппаратурой с тепловым аккумулятором. Все ТТ этой СТР имеют теплоноситель «пропилен» (рис. 5).

В 1984 г. НПО имени С. А. Лавочкина начало собственное производство ТТ. В первую очередь это производство было предназначено для комплектации вновь разрабатывавшихся КА: «Аркон», «Купон», «Марс-96» и «Око». Под руководством автора этого доклада были созданы ТТ на базе артериальной структуры газорегулируемые, ТТ сложной конфигурации, высокотемпературные, с повышенной стойкостью к радиации и сверхвысоким ресурсом (более 20 лет). Полный перечень КА с артериальными ТТ представлен в табл. 1.

Несмотря на неудачи с эксплуатацией КА (большая часть из них была связана с газовой СТР приборного контейнера и электроникой), надежность функционирования артериальных ТТ в условиях невесомости была доказана и больше опасений не вызывает. Более 300 артериальных ТТ были изготовлены и запущены на борту российских КА. За этот период в полете не зафиксировано ни одного отказа.

Кооперация. НПО имени С. А. Лавочкина разрабатывает и производит ТТ с 1984 г Большое количество научных и исследовательских организаций участвует в разработке новых конструкций ТТ:

• -    Одесская академия холода;

• -    Институт теплофизики УрО РАН;

• -    Грузинский технический университет;

• -    Московский энергетический институт;

• -    Институт тепломассобмена имени Лыкова;

• -    Физико-химический институт имени Карпова;

• -    Киевский политехнический институт;

Протвинский филиал госНИИ «Луч» и др.

В 1992 г. было создано НПП «ТАИС». Для того чтобы пережить сложный переходный период, сотрудники отдела тепловых труб и ближайших смежников учредили новое предприятие, которое занималось открытыми разработками и экспортными поставками. ТАИС помог не только пережить трудные девяностые, но и существенно развил технологии и конструкции тепловых труб. Между НПО имени С. А. Лавочкина и НПП «ТАИС» в 1995 г. подписано соглашение о сотрудничестве. Практически все новые технические решения в области тепловых труб, которые применяет НПО имени С. А. Лавочкина, создаются и апробируются в ТАИС. Сегодня ТАИС - это самостоятельная организация, имеющая собственные производственные мощности в Пушкинском районе Московской области и независимый персонал.

Рис. 5. Теповакуумные испытания СТР с артериальными ТТ КА «Око-1»

Рис. 6. Тепловые трубы с аксиальными канавками

Применение артериальных ТТ на борту российских КА

Таблица 1

Название КА	Период на орбите	Количество ТТ	Диапазон температур оС	ТепХоноситеХь
Око-2-0	1991-1995	38	-160...+115	Пропилен
Око-2-1	1992-1999	38	-160...+115	Пропилен
Обзор	1994-2003	1	-20...+50	Аммиак
Око-2-3	1994-1995	38	-160...+115	Пропилен
Марс-96	1996-1996	2	-60... +90	Аммиак
Купон	1997-1998	14	-60... +90	Аммиак
Аракс-1-0	1997-1997	32	-60... +90	Аммиак
Око-2-2	1998-2000	38	-160...+115	Пропилен
Око-2-4	2001-н.в.	38	-160...+115	Пропилен
Аракс-1-1	2002-2003	32	-60... +90	Аммиак
Око-2-6	2003-2005	10	-160...+115	Пропилен

Аксиальные ТТ. В ТАИС была создана обновленная технология аксиальных тепловых труб. Этот тип тепловых труб создал Edvard Krolichek (ОАО, США) в конце 1960-х гг. В нашей стране их впервые разработали и применили в КА НИИЭМ в начале 1970-х гг. (рис. 6). Работы ТАИС в конце 1990-х гг позволили существенно развить эту технологию и получить характеристики на уровне лучших мировых образцов при уровне цен ниже российских аналогов.

Сегодня более 1 000 тепловых труб с аксиальными канавками производства НПО имени С. А. Лавочкина и ТАИС успешно эксплуатируются на борту российских и европейских КА.

Рис. 7. Эксперимент «Алена» на борту КА «Гранат»

Таблица 2

Год запуска	КА	Предприятие-разработчик КА/КнТТ	РегуХирование/ тепХоноситеХь	Статус	КоХ-во КнТТ
1989	Горизонт	НПО ПМ/НПО ПМ, ИТФ	Нет/Фреон-23	Эксперимент	1
1989	Гранат	НПО Л/НПО л	Нет/ПропиХен	Эксперимент	1
1990	Горизонт	НПО ПМ/НПО ПМ, ИТФ	Нет/Фреон-23	Эксперимент	1
1992	Горизонт	НПО ПМ/НПО ПМ, ИТФ	Нет/Фреон-23	Эксперимент	1
1994	Обзор	ПО ПоХет/ТАИС	НагреватеХь КП / ПропиХен, Аммиак	СТР оптико-эХектронной аппаратуры	3
1995	Express	DASA ERNO/НПО Л	НагреватеХь КП/ Аммиак	Эксперимент	1
1996	Марс-96	НПО Л/НПО Л	РегуХятор давХения / Аммиак	СТР маХых станций и ДУ	6
1997	STS-87	DTX, ТАИС	НагреватеХь КП/ Аммиак	Эксперимент	1
19992002	FY-1 3 спутника	SISE/ТАИС	ЭХемент ПеХьтье/ Аммиак	СТР аккумуХяторных батарей	6 на каждом КА
1998-2003	Huges-7027 спутников	Huges (Boeing)/Dynatherm (Swales), ТАИС	Нет/Аммиак	Раскрывающиеся радиаторы	12 на каждом КА
1999,2002	Thuraja 2 спутника	Huges (Boeing)/Dynatherm (Swales), ТАИС	Нет/Аммиак	Раскрывающиеся радиаторы	12 на каждом КА
2003	Glass	JPL/Dynatherm (Swales)/ TAIS support	НагреватеХь КП / ПропиХен	СТР оптико-эХектронной аппаратуры	2
2003	STS-107	ESA/OHB, ТАИС	НагреватеХь КП РегуХятор давХения/ Аммиак	Эксперимент	1
2003	STS-107	ESA/Astrium	Нет/Аммиак	Эксперимент	1
2003	STS-107	ESA/S.A.B.C.A.	НагреватеХь КП/ Аммиак	Эксперимент	1
2003	ЯмаХ-200 2 спутника	PKK «Энергия»/ТАИС	РегуХятор давХения, ЭХемент ПеХьтье / ПропиХен	СТР аккумуХяторных батарей	4 на каждом КА
2006	БеХКА	PKK «Энергия»/ ТАИС	РегуХятор давХения, ЭХемент ПеХьтье / ПропиХен	СТР аккумуХяторных батарей	2

Применение контурных ТТ на борту КА

Контурные ТТ. С 1985 г. НПО имени С. А. Лавочкина разрабатывает контурные тепловые трубы (КнТТ). Как и НПО ПМ, начавшее работы в этом направлении на год раньше, НПО имени С. А. Лавочкина начинало свою деятельность в этом направлении в сотрудничестве с ИТФ УрО РАН. Первый летный эксперимент с КнТТ был осуществлен 1 декабря 1989 г., на месяц позже эксперимента НПО ПМ. Но в отличие от последнего, эксперимент «Алена» на борту КА «Гранат» был успешным (рис. 7). Более 10,5 лет КнТТ длиной 4 м с каналами диаметром 3 мм успешно работала и передавала тепло с горячего радиатора на холодный.

Огромный вклад в развитие этой технологии и популяризации применения КнТТ внесло НПП «ТАИС». К настоящему времени практически все космические предприятия мира имеют демонстрационные образцы КнТТ, сделанные в ТАИС, и могут сами убедиться в надежности и прекрасных характеристиках этих изделий.

Создана программа для расчета этих устройств. На базе КнТТ созданы раскрывающиеся радиаторы, миниатюрные ТТ и ТТ большой мощности, криогенные и высокотемпературные КнТТ, диодные, реверсивные и разветвленные конструкции с одним и несколькими испарителями и конденсаторами. Созданы регулируемые КнТТ с пассивным и активным регулированием. Успешно завершена летная квалификация этих уст ройств на борту российских, американских и китайских КА (табл. 2).

Отраслевой центр тепловых труб. В 2003 г на базе отделения тепловых труб НПО имени С. А. Лавочкина при поддержке предприятий космической отрасли России, в том числе НПО ПМ, приказом по Роскосмосу был создан Центр тепловых труб Роскосмоса. Идея создания отраслевого центра позволила сконцентрировать финансовые усилия всех предприятий отрасли на развитии этой сложной и интересной технологии. Кроме того, статус отраслевого центра позволяет поставлять тепловые трубы для всех предприятий космической отрасли России, даже в том случае, если предприятия являются конкурентами для НПО имени С. А. Лавочкина на уровне КА и космических систем.

Сегодня ЦТТ Роскосмоса обеспечивает все потребности в тепловых трубах НПО имени С. А. Лавочкина, а также совместно с ТАИС поставляет тепловые трубы всех типов и сотопанели для следующих предприятий:

• -    ГКНПЦ им. Хруничева - Alcatel-Alenia;

• -    ЦСКБ «Прогресс» - ОНВ;

• -    РКК «Энергия» - TESAT;

  -НИИЭМ-CASA;

• - НПО МАШ-ONES;

• -    КБ «Арсенал» - Bradford;

• - КБ «Полет»-SISE;

• -    ЦНИИ «Комета» - CAST.

К. A. Goncharov, V. V. Dvirnyi

EXPERIENCE OF DEVELOPMENT AND APPLICATION OF HEAT PIPES FOR SPACE VEHICLES AT S. A. LAVOCHKIN’S SCIENTIFIC-INDUSTRIAL ENTERPRISE

Experience ofdevelopment ofheatpipes ofall types at S.A. Lavochkin s Scientific-Industrial Enterprise is summarized. Successful technical decisions of development of the loop heat pipes, found wide application in space branch are described.

УЦК 548:537.611.46

E. В. Кривов, А. А. Кульков, Ю. М. Голованов, А. Е. Цюдин, О. В. Шилкин, О. В. Загар ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ДОЗЫ ЗАПРАВКИ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ С ПРОДОЛЬНЫМИ КАНАВКАМИ

Представлено уточнение метода определения оптимальной дозы заправки тепловых труб с продольными канавками, с точки зрения теории о заглублении радиуса мениска и самого мениска. В предложенной расчетной модели учитывается перепад температур на тепловых трубах (ТТ) с учетом блокирования жидкостью части конденсаторной зоны за счет технологии изготовления и эксплуатационныхусловий (температурный диапазон работоспособности ТТ). Проведен анализ трех видов профилей тепловых труб с продольными канавками.

Одной из важных конструктивных характеристик ТТ, предназначенных для работы в условиях отсутствия гравитации, является степень заполнения фитильной структуры жидким теплоносителем. Обычно ТТ заправляют с небольшим избытком теплоносителя относительно количества, необходимого для насыщения фитиля.

Однако избыток жидкости при работе ТТ может накапливаться в зоне конденсации, где возникает существенный градиент температур, как в случае наличия некон-денсирующихся газов. В результате чего либо уменьшается эффективная длина зоны конденсации за счет накопления избытка жидкости в конце конденсационной зоны,