Улучшение теплофизических характеристик тепловых труб

Перспективы развития информационных спутниковых систем в России связаны с созданием негерметичных космических аппаратов (КА). Такие аппараты уже вошли в состав глобальной навигационной системы ГЛОНАСС. Одновременно идет разработка новых моделей

КА с увеличенной мощностью более 15 кВт, сроком активного существования более 15 лет и с повышенными точностными навигационными и временными характеристиками.

Одной из главных проблем на борту КА является обеспечение оптимального теплового режима радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). В условиях постоянно возрастающей мощности бортовой аппаратуры и необходимости уменьшения ее объема и массы обеспечение работы КА возможно только за счет увеличения эффективности работы систем отвода тепла. Основной принцип функционирования системы обеспечения теплового режима заключается в поддержании требуемого диапазона температур на посадочных местах тепловыделяющего оборудования космического аппарата КА при заданном энергопотреблении [1, 2]. От этого зависит долговечность и надежность функционирования спутника в целом. Для минимизации массоэнергетических параметров системы целесообразно использовать принцип естественной, нерегулируемой передачи тепловой мощности с более высокого температурного уровня на низкий. Наиболее предпочтительным средством реализации этого принципа являются тепловые трубы (ТТ), работающие на основе замкнутого испарительно-конденсационного цикла. ТТ отличаются высокой эффективной теплопроводностью, в десятки раз превышающей теплопроводность металлов. Это позволяет оптимально решать многие инженерные задачи, связанные с передачей тепла с минимальными потерями, охлаждением и термостатированием или термостабилизацией различных объектов, использующихся как на Земле, так и в космическом пространстве.

Современные искусственные спутники Земли для связи и телерадиовещания представляют собой КА, оснащенные крупногабаритным негерметичным приборным отсеком в виде блочно-модульной конструкции на основе плоских прямоугольных сотовых панелей [3], несущих на себе теплонагруженные приборы радиоэлектронной бортовой аппаратуры (БА) [4].

Отсутствие в конструкциях ТТ движущихся механических частей, использование для движения теплоносителя капиллярных сил, высокая плотность передаваемого теплового потока при минимальных перепадах температур (термических сопротивлениях) и автономность работы каждой из них, возможность резервирования, минимальное обслуживание и малый удельный вес, бесшумная работа создают им преимущества и обеспечивают надежность и долговечность перед иными способами термостатирования заданного объекта на борту КА. Панели с вмонтированными в них ТТ – надежная защита от ударов микрометеоритов [5]. Изотермализирующая природа ТТ уменьшает температуры мощных компонентов тепловыделяющего оборудования, увеличивая таким образом надёжность их работы.

Методика расчета массогабаритных характеристик ТТ

Разница в давлении между жидкой и газообразной фазами теплоносителя в каждой точке тепловой трубы не должна превышать величины капиллярного напора, который способна развивать пористая структура [6, 7].

Новая математическая модель представлена уравнениями (1–8), состоит из уравнений Дарси для жидкой фазы теплоносителя (1–4), уравнений оптимизации массогабаритных характеристик ТТ (5–7) и уравнения для газовой фазы теплоносителя (8):

др = wo., 1 KSpfi

^Рс =

2оcosф

, т_с

^Рд = p^Zsin ф,                                                     (3)

^Р_с = ^P t + ^                                         ⁽⁴⁾

т = npfSl,

m

— = Кг,

Q

(Кг > 2п,

{       Кг

^^ -2,3,4^

<2 и Z = Z0 , и=1,

ч V

I 20Q

■^пр^^^Л

где ц 1 ^- вязкость жидкости; l 0 ^- длина ТТ; Q ^- мощность источника тепла; К ^- проницаемость фитиля; р 1 - плотность жидкости; S - площадь поперечного сечения фитиля; X - теплота парообразования; σ – поверхностное натяжение; r_c – радиус капилляров; φ – угол наклона ТТ; g - ускорение свободного падения; р а - плотность фитиля; n - количество ТТ в системе (количество перегородок равно = n – 1); P_speci fi _c – максимальный удельный тепловой поток (УТП) через перегородку (ограничение по кипению ТТ); Kr – критерий масса/мощность; B – ширина ТТ; ρ _v – плотность фитиля; R_v – газовая постоянная; d_v – диаметр газового канала.

Физический смысл математической модели заключается в объединении массогабаритных и теплофизических характеристик ТТ. Для обеспечения отвода теплового потока (по критерию «капиллярное осушение») с увеличением длины ТТ требуется увеличение поперечной площади фитиля ТТ и нелинейной зависимости. Критерий Kr определяет отношение массы к мощности ТТ, при превышении которого следует преобразовать одну ТТ в n -труб и установить между ними связь (сделать общих n -1 перегородок).

Критерий Kr определен уровнем техники, т.е. первоначально получен из соотношения для медной ГТПС, которая при весе 180 г способна отводить 40 Вт вертикально (в условиях гравитации) с высоты 160 мм (25 мм зона конденсации), Kr = 4,5 г/Вт. Данный критерий путем анализа результатов расчета по новой математической модели для современных ТТ был принят равным 2 г/Вт (с критерием 4,5 г/Вт при добавлении перегородки резко уменьшалась масса системы), что обеспечивает достаточно плавный переход по весу ТТ в зависимости от мощности. Перепад температуры в зоне конденсации определен теплопроводностью конструкционного материала (стенки и фитиль сделаны из одного материала), теплопроводности жидкости и УТП. Значение перепада должно быть меньше 1–2 °С, для меди при площади перегородки 10 см² составит 1,2 °С. Внешний вид новой ТТ и детализация перегородки представлены на рис. 1 и 2. Сборка ТТ названа высокоэффективной тепловой трубой (ВТТ). ВТТ будет обладать по- – 374 –

Рис. 1. Внешний вид ВТТ

Рис. 2. Перегородка ВТТ

а )

Рис. 3. Внешний вид ГТПС (а); зоны унифицированной ВТТ (б): 1 – ВТТ с периметром 0,4 м; 2 – ВТТ с периметром 0,16 м

б )

добными ГТПС теплофизическими характеристиками (разница температур между зоной испарения и конденсации менее 3 °С), при этом толщина ВТТ составит 1,4 мм, а масса по сравнению с медной ГТПС уменьшится на 30-40 %.

На рис. 3 схематично реализован принцип унифицированной ВТТ. Имеются сегменты 2 (рис. 3) с периметром 0,16 м, в которые возможно установить радиоэлементы с УТП более 30 Вт/см2.

Принципиально новый подход к конструкции ТТ даёт возможность применять их как высоконадежный элемент системы охлаждения военной и гражданской техники. Система охлаждения может быть собрана с использованием исключительно ВТТ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фон- да поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 16-41-242156 р_офи_м