Совершенствование агрегатов для транспортировки тепла в космических аппаратах

Космический аппарат (КА) представляет собой замкнутую автономную теплоэнергетическую систему, в которой выделяется внутренний нестационарный тепловой поток от многочисленных источников, расположенных внутри гермоконтейнера или снаружи. Извне подводится наружный переменный тепловой поток, зависящий от положения на орбите, и сам объект сбрасывает избыточное тепло в окружающее пространство излучением или расходованием массы вещества. Например, вну-

три гермоконтейнера спутника связи типа «Галс», созданного в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» еще в прошлом веке, в различных четвертях на приборной раме расположены следующие наиболее теплонагруженные приборы: аккумуляторная батарея, выделяющая в режимах разряд (участки «тени» на стационарной орбите) – заряд 200 Вт тепла; блок автоматизации и стабилизации, выделяющий 200 Вт тепла; система преобразования и управления двигателей установки коррекции, выделяющая 250 Вт тепла; бортовая цифровая вычислительная машина, выделяющая 160 Вт тепла; контрольно-измерительная система, выделяющая 80 Вт тепла, и другие. Снаружи гермоконтейнера на астроблоке наибольшее количество тепла вы-

Совершенствование агрегатов для транспортировки тепла в космических аппаратах деляют лампы бегущей волны в блоке ретранслятора, который в сумме выделяет 1250 Вт тепла. Аналогичные тепловыделяющие приборы установлены в гермоконтейнере КА «Горизонт» [1].

Проблему передачи и распределения многочисленных тепловых потоков решают АТТ, обеспечивая при этом требуемый диапазон температур газа в герметичном контейнере 0–40 °С, газа на выходе в комплект аккумуляторных батарей 0–35 °С, жидкостного теплоносителя на входе в гидравлический тракт бортового радиотехнического комплекса 5–37 °С, а также температурных режимов внешних элементов и систем в орбитальных условиях в течение времени активного существования 5-10 лет, и совместно с наземными средствами термостатирования при электрических испытаниях на заводе-изготовителе, электрических проверках на техническом комплексе и подготовке к пуску на стартовом комплексе.

Поэтому очень важной проблемой на всех этапах разработки и эксплуатации КА является проблема определения его температурных полей, создаваемых потоками теплоносителей агрегатов транспортировки тепла (АТТ).

Решением задач по различным АТТ занимались научные сотрудники и инженеры, работающие в самых различных областях науки и техники, поэтому до настоящего времени еще не сложилось единого понимания назначения и функционального содержания СТР и АТТ, а что касается последних, то нет общепринятой терминологии. Первые попытки обобщения АТТ предприняты в 1995 и 1996 годы [2; 3].

На международной научно-технической конференции в 1994 году В. В. Двирным был предложен термин АТТ и впервые сформулирована связанная с их созданием крупная научная проблема в качестве нового перспективного направления в области теплофизики и молекулярной физики, имеющего важное народно-хозяйственное значение при разработке КА, заключающееся в создании высокоресурсных и высокоэффективных конструкций, передающих максимальные потоки тепла и распределяющих эти потоки по заданной логике работы [4]. При уровнях внутренних тепловых нагрузок 4–6 кВт в КА разработки АО «ИСС» типа «Галс», «Горизонт» и др. применялись активные газожидкостные СТР, представляющие собой совокупность АТТ, таких как малорасходные вентиляторы (МВ) для создания искусственного конвективного теплообмена в условиях невесомости внутри гермоконтейнера, электронасосные агрегаты (ЭНА) для транспортного жидкого теплоносителя на наружный радиатор-излучатель, распределительно-регули-рующие агрегаты (РРА) для управления тепловыми потоками газов и жидкостей, капиллярные нагнетатели – тепловые трубы (ТТ), в которых реализован испарительно-конденсационный цикл передачи тепловых потоков и др.

Во всех АТТ, кроме тех, где изменяется агрегатное состояние вещества, тепломассообмен происходит при движении газов и жидкостей, которые было предложено рассматривать как сплошные среды, поскольку, например, в газах КА при давлениях, сравнимых с атмосферными, число молекул в 1 см 3 равно 2,7*10¹⁹, а длина свободного пробега молекул порядка 10^-5 см. Поэтому всякий малый элемент объема газа или жидкости, то есть теплоносителя, считается большим по сравнению с длиной свободного пробега молекул и межмолекулярными расстояниями. Известно, что температура теплоносителей определяется кинетической энергией молекул, при этом действительные мгновенные значения скоростей потока теплоносителя в данной точке АТТ суть некоторые средние скорости движения группы молекул, то есть скорости центра инерции молекул, находящихся в физически бесконечно малом объеме. Наличием движения молекул в теплоносителях АТТ обусловлены внутреннее трение и теплопроводность.

Эти предпосылки были использованы при разработке АТТ в дальнейшем. На современном уровне развития космической техники в АО «ИСС» создан, например, телекоммуникационный КА «Экспресс-АМ8» [5], который успешно был запущен на геостационарную орбиту 14 сентября 2015 года [2]. КА создан на базе спутниковой платформы среднего класса «Экспресс-1000 НТВ», которая обеспечивает мощность электропитания, выделяемого на полезную нагрузку 5 800 Вт [6].

На КА «SESAT» хорошо зарекомендовал себя АТТ жидкости ЭНА - электронасосный агрегат и другие АТТ, которые непрерывно проработали в орбитальных условиях 16 лет и работают по настоящее время.

Обеспечение длительного ресурса малорасходных нагнетателей КА АТТ жидкости освещено в работе как решение наиболее наукоемкой задачи для быстровращающихся (n = 6 000 об/мин) роторов ЭНА[4]. При этом большое значение придается предотвращению негативных последствий дисбаланса вращающихся масс [11].

Показаны АТТ, наиболее эффективные для различных энергетических систем КА, в том числе являющиеся элементами теплоники: теплопровод - тепловая труба (ТТ), термодиод и термотриод. Для решения теплофизических проблем при создании ТТ были решены проблемы совместимости рабочей жидкости и корпуса, их очистки, контроля неприлегания фитиля, тепловых испытаний по снятию основных теплопередающих характеристик, гибки, заправки, термостарения, приработки и др. с привлечением таких научных

U ИССЛЕДОВАНИЯ плуко____________ ■ ГРАДА центров, как МЭИ, КуАи, КИЦМ, ОТИ ПП и др., завода КРАМЗ.

Разработаны первые в отрасли аммиачные нерегулируемые ТТ для спутников типа «Горизонт» и впервые в стране газорегулируемые ТТ для спутников типа «Луч», «Смолсат» и «Гонец». Удельная теплопроводность ТТ примерно в 500 раз больше, чем у серебра и меди.

Тепловые трубы применяются в настоящее время практически на всех спутниках разработки АО «ИСС», а проекты перспективных спутников в бесконтейнерном варианте основаны на примене- ¹⁴ нии легких сотопанелей с алюминиевыми ТТ [8].

Применение запатентованных турбулизаторов позволило в три раза повысить интенсивность теплообмена. Приведены характеристики ТТ и поперечные сечения ТТ из прессованного алюминиевого профиля. Благодаря высокой точности и специальной геометрии разработанные ТТ конкурируют по теплопередающим характеристикам с ресурсом с ТТ NASA США из профиля фирмы «Minalex». Газорегулируемые ТТ подтвердили свои характеристики в составе спутника типа «Луч» и превосходят аналогичные характеристики ТТ французских спутников «SIGMA». При тех же передаваемых максимальных и минимальных тепловых потоках объем баллона ТТ АО «ИСС» в 2,3 раза меньше.

Высокие теплотехнические характеристики разработанных ТТ подтверждены в результате теоретических и экспериментальных исследований, наземной и летной отработки, а также безотказной эксплуатации КА в составе девяти космических систем. Итоги работ по ТТ доложены на международных конференциях [9; 10].

Выбор ТТ, определение их характеристик с обеспечением требуемой надежности при возможно минимальной массе, задание топологии ТТ по панели, определение оптимальных характеристик СТР в процессе разработки КА требуют большого объема вычислений.

Дано научное обоснование и усовершенствован метод элементарных тепловых балансов А. П. Ваничева для расчета температурных полей применительно к термостатированным панелям КА сотовой конструкции.

Описание процессов теплопередачи в методе Ваничева изначально производится с помощью системы алгебраических уравнений путем составления балансов тепла для малых объемов (узлов), на которые разбивается вся система физических тел, участвующих в теплообмене рассматриваемой задачи.

Вывод уравнений основан на том, что всякое изменение внутренней энергии узла приводит к изменению температуры. Особенностью ТТ является то, что большая эквивалентная теплопроводность предопределена фазовым превращением рабочего тела, происходящим при большой температуре, в чем выражается основная трудность применения метода А. П. Ваничева, поскольку противоречит физической сути, отражаемой системой его уравнений.

Определение фактических текущих расходов пара и жидкости в фитиле ТТ при решении комплексной задачи по теплопередаче весьма проблематично как с точки зрения точности их определения, так и с точки зрения сложности совместного решения системы уравнений движущейся жидкости и пара с уравнениями баланса тепла для конструкции ТТ и устройства в целом. Предложен более простой метод, основанный на допущении, что баланс тепла произвольного участка ТТ, включающего в себя элемент конструкции ТТ с канавками, заполненными рабочей жидкостью, складывается из тепла, подведенного теплопроводностью в осевом и окружном направлениях, конвекцией от движущегося жидкого теплоносителя, и тепла за счет фазового перехода на границе жидкость – пар.

При составлении баланса тепла рассматриваемого элементарного участка ТТ сделано допущение, что тепло, отведенное с поверхности испарения, пропорционально эффективной проводимости насыщенного рабочей жидкостью фитиля и разности температур участка и температуры насыщения пара. Температура насыщения пара принята равной средней температуре расчетных участков ТТ, соприкасающихся с паровым каналом. Это автоматически исключает появление ложных стоков тепла. При этом предположено, что тепло, ушедшее с участков через границу жидкость-пар, мгновенно перераспределяется между участками с более низкой температурой, эквивалентная теплопроводность парового канала бесконечна. Таким образом, сымитировано основное свойство ТТ – стремление к выравниванию температур участков ТТ с большой эквивалентной теплопроводностью с помощью перемещения очень малых масс вещества. При составлении баланса считается, что теплосодержание и масса участка за счет движущейся жидкости не меняются и ТТ работает в режиме испарения. Справедливость всех принятых допущений подтверждена экспериментальным исследованием сотопанели с ТТ. Составлена система уравнений теплового баланса для произвольного участка ТТ.

Система уравнений по физической сути аналогична системе уравнений А. П. Ваничева. При определении теплового потока через границу пар-жидкость необходимо в качестве температуры участка ТТ подставить температуру насыщенного пара, а вместо теплопроводности участка ТТ эффективную теплопроводность насыщенного рабочей жидкостью фитиля, вычисленную по известным в теории ТТ формулам.

Таким образом, система уравнений моделирует основные свойства ТТ – стремление к выравниванию температуры с помощью больших значений эквивалентной теплопроводности, доста-

Совершенствование агрегатов для транспортировки тепла в космических аппаратах точно в исходных данных задать нулевое значение эффективной теплопроводности фитиля. ТТ при этом работает как обычный конструктивный элемент панели.

По предлагаемой методике были проведены расчеты теплового режима экспериментальной панели сотовой конструкции с ТТ после проведения тепловакуумных испытаний. Результаты расчета показали хорошую сходимость с результатами эксперимента, в пределах 2 оС.

Выводы

В период с 70-х годов прошлого столетия по настоящее время АТТ для КА прошли усовершенствование на ресурс непрерывной работы в орби-

тальных условиях с 3 лет до 5 лет, 7 лет, 10 лет и 15 лет в составе КА: «Галс», «Горизонт», «Экран», «Радуга», «Гео – ИК», «Луч», «Экспресс АМ1», «Экспресс АМ5», «Экспресс АМ6», «Экспресс АМ8», «Глонасс М», «Глонасс К», «SESAT», «AMOS» и др.

Наиболее наукоемким при совершенствовании АТТ было доведение быстровращающихся роторов ЭНА до 15 лет непрерывной работы на шарикоподшипниковых опорах.

Разработаны нерегулируемые, газорегулируемые и встраиваемые в сотопанели ТТ КА.