Проектирование системы терморегулирования с двухфазным теплоносителем для космического аппарата производительностью 7 кВт
Автор: Шилкин О. В., Колесников А. П., Кишкин А. А., Делков А. В., Шевченко Ю. Н.
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 1 т.24, 2023 года.
Бесплатный доступ
В работе представлен методологический подход к проектированию системы терморегулирования космического аппарата (КА) с прокачкой теплоносителя хладопроизводительностью до 7,0 кВт. Рассмотрены два варианта конструкций. В компоновочной схеме построения КА отсутствует герметичный приборный контейнер, а все тепловыделяющее оборудование располагается непосредственно на панелях силовой конструкции, поэтому отвод избыточного тепла от КА осуществляется непосредственно с наружной стороны приборных панелей. При всей привлекательности двухфазного контура (ДФК) с контуром тепловой трубы (КТТ) его использование в автоматических КА усложняется необходимостью подвода сосредоточенного тепла на капиллярный испаритель контура (КИТ). Для этого необходимо собрать тепло с большой поверхности конструкции, на которой установлено большое количество теплоисточников. Рассматривается схемное решение системы терморегулирования, в котором тепловая мощность модуля полезной нагрузки распределяется между панелью модуля служебных систем и раскрываемыми радиаторами. При этом в первом варианте тепловые трубы модуля полезной нагрузки соединены с тепловыми трубами модуля служебных систем по полочкам профиля, контурные тепловые трубы раскрываемого радиатора связаны только с тепловыми трубами модуля служебных систем. Таким образом, тепловая нагрузка модуля полезной нагрузки передается к тепловым трубам модуля служебных систем, а затем контурным тепловым трубам. Второй вариант отличается от первого тем, что для выравнивания температур панелей модуля полезной нагрузки каждая тепловая труба панели «Север» соединена с тепловыми трубами панели «Юг». Из результатов сравнительного анализа бюджета масс и энергетической эффективности следует вывод: для систем терморегулирования с ДФК с капиллярной прокачкой наиболее предпочтительным является второй вариант, который при остальных одинаковых характеристиках имеет меньшую массу. Удельная массо-энергетическая характеристика такой системы составляет ~ 22,9 кг/кВт.
Космический аппарат, система терморегулирования, тепловые трубы, капиллярный насос, двухфазный контур
Короткий адрес: https://sciup.org/148326248
IDR: 148326248 | DOI: 10.31772/2712-8970-2023-24-1-155-166
Список литературы Проектирование системы терморегулирования с двухфазным теплоносителем для космического аппарата производительностью 7 кВт
- Meseguer J., Perez-Grande I., Sanz-Andres A. Spacecraft thermal control. Cambridge. UK: Woodhead Publishing Limited, 2012. 413 p.
- Gilmore D. G. Spacecraft thermal control handbook. The Aerospace Corporation Press, 2002. 413 p.
- Крушенко Г. Г., Голованова В. В. Совершенствование системы терморегулирования космических аппаратов // Вестник СибГАУ. 2014. № 3 (55). С. 185-189.
- Chebotarev V. E., Zimin I. I. Procedure for evaluating the effective use range of the unified space platforms // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19, № 3. С. 532-537. Doi: 10.31772/2587-6066-2018- 19-3-532-537.
- Проектирование системы пассивного охлаждения бортового комплекса космического аппарата / О. В. Шилкин, А. А. Кишкин, А. А. Зуев и др. // Вестник Московского авиац. ин-та. 2021. Т. 28, № 2. С. 96-106. Doi: 10.34759/vst-2021-2-96-106.
- Two-dimensional thermal model of the thermal control system for nonhermetic formation spacecraft / F. V. Tanasienko, Y. N. Shevchenko, A. V. Delkov и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19, № 3. С. 445-451. Doi: 10.31772/2587-6066-2018- 19-3-445-451.
- Определяющие тепловые сопротивления в модели жидкостного контура системы терморегулирования космического аппарата / Ю. Н. Шевченко, А. А. Кишкин, Ф. В. Танасиенко и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2019. Т. 20, № 3. С. 366-374.
- Delcov A. V., Hodenkov A. A., Zhuikov D. A. Mathematical modeling of single-phase thermal control system of the spacecraft // Proceedings of 12th Intern. Conf. on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering. APEIE 2014. 2014. P. 591-593.
- Delcov A. V., Hodenkov A. A., Zhuikov D. A. Numerical modeling and analyzing of conjugate radiation-convective heat transfer of fin-tube radiator of spacecraft // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 93, No. 012007. Р. 1-6.
- Зуев А. А., Назаров В. П., Арнгольд А. А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя в полостях вращения газовых турбин // Вестник Московского авиац. ин-та. 2019. Т. 26, № 2. С. 99-115.
- Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя с конвективной составляющей в полостях вращения ТНА ЖРД / А. А. Зуев, В. Ю. Пиунов, В. П. Назаров, А. А. Арнгольд // Вестник Юж.-Урал. гос. ун-та. Серия: Машиностроение. 2019. Т. 19, № 2. С. 30-44. Doi: 10.14529/engin190203.
- Weyburne D. W. Approximate heat transfer coefficients based on variable thermophysical properties for laminar flow over a uniformly heated flat plate // Heat andMass Transfer. 2008. Vol. 44, Iss. 7. P. 805-813. Doi: 10.1007/s00231-007-0306-z.
- Weyburne D. W. New thickness and shape parameters for the boundary layer velocity profile // Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. Vol. 54. P. 22-28. Doi: 10.1016/j.expthermflusci. 2014.01.008.
- Triple diffusive mixed convection from an exponentially decreasing mainstream velocity / P. M. Patil, M. Roy, A. Shashikant et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 124. P. 298-306. Doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.052.
- Improved velocity and temperature profiles for integral solution in the laminar boundary layer flow on a semi-infinite flat plate / S. M. Seyyedi, A. S. Dogonchi, M. Hashemi-Tilehnoee et al. // Heat Transfer - Asian Research. 2019. Vol. 48, Iss. 1. Р. 182-215. Doi: 10.1002/htj.21378.
- Denarie A., Aprile M., Motta M. Heat transmission over long pipes: New model for fast and accurate district heating simulations // Energy. 2019. Vol. 166. P. 267-276. Doi: 10.1016/j.energy. 2018.09.186.
- Прямолинейное равномерное течение газов с теплоотдачей в энергетических установках летательных аппаратов / М. И. Толстопятов, А. А. Зуев, А. А. Кишкин и др. // Вестник СибГАУ. 2012. № 4 (44). С. 134-139.
- Analysis of efficiency of systems for control of the thermal regime of spacecraft / A. V. Delkov, A. A. Kishkin, N. A. Lavrov et al. // Chemical and Petroleum Engineering. 2016. No. 9. P. 714-719.
