Увеличение эффективности исполнительных устройств системы терморегулирования космических аппаратов в условиях открытого космоса

Разработка перспективных космических аппаратов (КА) с увеличенными сроками активного существования (САС) в негерметичном исполнении предъявляет повышенные требования к системе терморегулирования (СТР), обеспечивающей температурный режим работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) [9] и узлов КА в заданном температурном диапазоне длительное время, поддержание баланса тепловой энергии и ее перераспределение между конструкциями аппарата [1].

В качестве активных исполнительных устройств СТР используются электронагревате-

Дмитриев Г. В., Шестаков И. Я., 2019

ли (ЭН), установленные на нагреваемые объекты (НО): приборы, аппаратура, узлы КА и включающиеся для подогрева НО до минимальных значений эксплуатационных температур. Включение осуществляется путем подачи напряжения питания U_пит на резистивный слой ЭН. После достижения заданных значений температур НО U_пит снимается. Количество ЭН, применяемых в КА, зависит от габаритов КА и составляет от 300 до 500 и более. Повышение эффективности ЭН и разработка новых ЭН для условий штатной эксплуатации в составе существующих и перспективных КА негерметичного исполнения на целевой орбите в условиях открытого космоса обеспечивается совершенствованием основных технических характеристик, улучшением габаритно-массовых показателей, увеличением надежности, улучшением технологичности, увеличением КПД [2], созданием новых (дополнительных) функцио-

Том 3

нальных и эксплуатационных возможностей на основе новых конструктивно-технологических решений.

Технические характеристики перспективных электронагревателей:

•

•

ресурс работы в составе КА - более 20 лет; удельная тепловая нагрузка - более 2 Вт/см2;

• сопротивление изоляции

не менее

500 МОм;

• возможность использования в расширен-

ном температурном диапазоне эксплуатации -125 °С до +125 °С;

от

травления резистивного слоя [3], различного конструктивного исполнения.

Рис. 1. Гибкий пленочный ЭН на основе константанового резистивного слоя

• предельная температура нагрева +180 °С;

до

• •    применение отечественных материалов;

• •    требуемые геометрические размеры: форма, длина, ширина, толщина;

• •    требуемые прочностные характеристики: гибкость, стойкость к механическим и радиационным воздействиям [1];

• •    требуемый рисунок токопроводящего (резистивного) слоя;

• •    ширина резистивного слоя - менее 1 мм;

• •    равномерный нагрев резистивного слоя;

• •    резервирование функции нагрева - не менее двойного;

• •    параметры газовыделения: потеря массы - менее 0,1 %, летучие конденсирующиеся вещества - менее 0,01%;

• •    удельный вес - менее 1 г/см²;

• •    механическая прочность токовыводов ЭН - не менее 9,8 Н;

• •    толщина - менее 0,4 мм;

• •    сопротивление, приведенное к площади нагрева, - более 100 Ом/см²;

• •    разброс электрических и тепловых параметров - не более 10 %;

• •    технологичность изготовления;

• •    увеличенный КПД [6].

  

  Рис. 2. Гибкий пленочный ЭН на основе нихромового резистивного слоя

  
  
  

  Рис. 3. Гибкий пленочный ЭН с двукратным резервированием

  
  

Разработка электронагревателей повышенной эффективности

С целью получения ЭН с необходимыми техническими характеристиками (ТХ) в АО «ИСС» проведены работы по увеличению эффективности, подбору новых материалов, производимых отечественной промышленностью, и отработке новых конструктивно-технологических решений, которые могут быть применены при изготовлении ЭН в условиях действующего производства. В результате предложены способы изготовления ЭН с помощью метода фотолитографии и травления нагревательного резистивного слоя для получения необходимого рисунка проводников [3]. На рис. 1-3 представлены гибкие пленочные ЭН, разработанные на основе метода фотолитографии и

Для подтверждения эксплуатационных характеристик ЭН в условиях открытого космоса были проведены испытания типоразмерного ряда ЭН, установленных на НО с имитацией космического пространства криогенными экранами термовакуумной установки (ТВУ) объемом 120 м3, охлаждаемыми в ходе испытаний до температуры минус 180±10 °С. В качестве НО использовалась сотовая панель, имитирующая часть РЭА космического аппарата (имитатор РЭА). Внешний вид имитатора РЭА в ТВУ показан на рис. 5. Для обеспечения заданного эксплуатационного давления ЭН до значений 1∙10-5 мм рт. ст. была задействована система вакуумной откачки камеры. На рис. 4 представлена схема термовакуумных испытаний (ТВИ). В ходе испытаний система измерения ТВУ обеспечи- вала регистрацию температур оборудования и имитатора РЭА с помощью автоматизированной системы измерения температурных параметров установки. Погрешность измерения температурных параметров составила не более ±0,5 % от их диапазонов измерения. В ходе проведения всех режимов ТВИ управление ЭН осуществлялось по отдельным регулируемым каналам от стабилизированных источников постоянного тока согласно программе испытаний. Погрешность измерения потребляемых мощностей составила не более ±2 %. Тепловые инфракрасные излучатели (ИК-излучатели) были установлены на случай отказа электропитания ЭН и в ходе работ использованы не были. Требуемые граничные температуры обеспечивались путем регулирования величин мощностей, подаваемых на ЭН. На рис. 5 представлен внешний вид имитатора РЭА в ТВУ.

имитатор бортовой РЭА

Рис. 4. Схема термовакуумных испытаний

Рис. 5. Внешний вид имитатора РЭА, размещенного в ТВУ

Таблица 1

Максимальные температуры и максимальные удельные тепловые мощности ЭН

Номер ЭН	Выход на верхний уровень		Верхний уровень
	Т ОС mах ,	р , уд.mах , Вт/см2	Т  ОС mах ,	р , уд.mах , Вт/см2
1	134	5,1	126	4,8
2	133	5,1	123	4,8
3	87	2,3	76	1,9
4	99	2,3	86	1,9
5	105	2,3	91	1,9
6	123	4,3	112	4,2
7	118	4,3	111	4,2
8	117	4,3	110	4,2
9	107	2,6	92	2,1
10	106	2,6	91	2,1
11	86	1,1	77	0,7
12	85	1,1	75	0,7
13	139	0,25	112	0,21
14	133	0,25	108	0,21
15	136	0,25	111	0,21
16	130	2,9	124	2,8
17	126	2,9	119	2,8
18	137	2,9	130	2,8
19	164	2,3	142	2
20	125	2,3	112	2

На рис. 6 показаны температуры имитатора РЭА и ЭН при термоциклировании в установившемся состоянии.

Рис. 6. Температурные режимы имитатора РЭА с ЭН при термоциклировании

Проведено 20 термоциклов (ТЦ) имитатора РЭА с установленными ЭН в диапазоне от -70 °С до +70 °С. Максимальные температуры Т_mах и максимальные удельные тепловые мощности Р_уд.mах ЭН отражены в табл. 1. Выдержка в установившемся температурном режиме составляла 1 час. Переход на нижний уровень до -70 ° С производился при выключенных ЭН. При переходе на верхний уровень мощность Р увеличивалась ступенчато.

На участке 1 (рис. 7) видно, что при подаче рабочей мощности Рраб = 39 Вт, Руд = 2,2 Вт/см2, ∆Тмах = 30 °С. На участке 2 на каждый ЭН подается

Р_перегр = 50 Вт, что соответствует Р_уд = 2,85 Вт/см²,

35 °С.

АТ мах

ЭН прошли испытания при Р_уд от 2,2 Вт/см² до 2,85 Вт/см². При Р_уд = 2,2 Вт/см² ∆ Т не превышала заданного ограничения 55 °С. При проведении ТЦ посадочные места достигали температур свыше

Том 3

+70 °С, а Р_уд для ряда ЭН существенно превышала величину 2,2 Вт/см², для отдельных ЭН (с нихромовым резистивным слоем) доходила до 5,1 Вт/см², температура ЭН при этом, с учетом данных тепловых полей, достигала плюс 135–155 °С. ТЦ прошло с отработочным запасом от 10 до 30 °С относительно установленной эксплуатационной температуры ЭН. После завершения ТЦ и открытия ТВУ замечания по внешнему виду ЭН отсутствовали, изменений теплового поля ЭН при съемке тепловизором не отмечено.

Рис. 7. Зависимость температуры ЭН от времени

Одним из важнейших показателей эффективности ЭН является КПД, определяемый отношением полного теплового потока А , переданного НО, к суммарному тепловому потоку Q ₀, выделенному ЭН:

η = A / Q 0 ∙ 100 %.             (1)

Из теории теплообмена известно три способа передачи тепловой энергии: кондуктивный, конвективный, излучением. Способы передачи тепловой энергии от ЭН к нагреваемому объекту зависят от внешней среды вокруг ЭН. В КА негерметичного исполнения приборы, узлы (нагреваемые объекты) и ЭН расположены в негерметичном отсеке в условиях космоса. Космос, как физическая среда, характеризуется малой плотностью частиц вещества. Зависимость параметров атмосферы Земли от высоты Н над ее поверхностью приведены в [4].

При количестве частиц n менее 10¹⁰, соответствующем давлению атмосферы менее 10^-6 мм рт. ст., передача тепла конвекцией ничтожна. Целевые орбиты отечественных КА расположены на высотах более 200 км от поверхности Земли. В связи с этим рассматривается теплообмен двумя способами:

• •    кондуктивным, между поверхностью ЭН и твердой поверхностью НО;

• •    излучением, с поверхности ЭН.

Модель штатного положения ЭН представлена на рис. 8.

нагреваемый объект

Рис. 8. Модель штатного положения ЭН

Полный тепловой поток А , передаваемый ЭН к нагреваемому объекту, составит:

А = Q 0 – Q 2 – Q 4 (2) или

А = Q 1 + Q 3 – Q 2 – Q 4 , (3) где Q ₀ – полный тепловой поток, выделяемый ЭН, Вт; Q ₁ – тепловой поток, передаваемый кон-дуктивным способом, Вт; Q ₂ – тепловой поток, передаваемый излучением в верхнюю полусферу, Вт; Q ₃ – тепловой поток, передаваемый излучением в нижнюю полусферу, Вт; Q ₄ – тепловой поток, передаваемый излучением вдоль поверхности НО, Вт.

Передача тепловой энергии ЭН излучением в соответствии с рис. 8 имеет три направления относительно поверхности ЭН: в нижнюю полусферу, в верхнюю полусферу, вдоль поверхности.

Передача тепловой энергии ЭН излучением в нижнюю полусферу нагревает объект (повышает КПД ЭН). Передача тепловой энергии ЭН излучением в верхнюю полусферу не нагревает объект (снижает КПД ЭН) и является нежелательной. Передачей тепловой энергии ЭН вдоль поверхности ЭН можно пренебречь исходя из малой толщины ЭН [8] и согласно закону Ламберта:

Q 4 ~ 0, Вт. (4)

Для определения полного теплового потока Q ₀, выделяемого при работе ЭН, можно использовать Закон Джоуля-Ленца [4].

Традиционно, при расчетах ЭН КА, в качестве задаваемых параметров используются параметры, контролируемые при электрических испытаниях ЭН как автономных, так и в составе узлов КА. Поэтому более удобной является формула:

Q 0 = U 2 / R , (5) где Q ₀ – полный тепловой поток, Вт; I – сила тока, А; R – сопротивление, Ом.

Тепловой поток ЭН Q ₁, передаваемый НО кондуктивным способом в соответствии с моделью штатного положения ЭН, представленной на рис. 2, формулой (3) и допущением (4), определяется следующим образом:

Q 1 = Q 0 – Q 2 – Q 3 . (6)

Тепловой поток излучения плоского ЭН, в соответствии с рис. 4, представляет собой сумму из- лучений в верхнюю и нижнюю полусферы. Таким образом, тепловой поток излучения составит:

Q изл = Q 2 + Q 3 (7) или

Q 2 = Q 3 = Q изл / 2. (8)

Плотность теплового потока излучения во всем диапазоне длин волн и по всем направлениям рассчитывается по формуле Стефана – Больцмана [4].

Степень черноты полного нормального излучения ε конструкционных материалов ЭН представлена в [4]. Степень черноты для стеклоткани с олигомерным связующим [8] установлена экспериментально и составляет 0,85.

Исходя из модели штатного положения ЭН в составе КА в условиях открытого космоса (рис. 8) следует, что если в конструкцию ЭН в качестве покрывного слоя ввести дополнительный слой отражающего материала, то можно увеличить КПД.

Результаты расчетов теплового потока

Индекс ДСЕ	Т , °С	Q 0 , Вт	Q 1 , Вт	Q изл , Вт	Q изл / 2, Вт	Q нагр , Вт	Q нагр , Вт	КПД, %	Увеличение КПД, %
ЭН 1	-75	19,57	19,44	0,13	0,06	0,06	19,57	99,98	0,32
ЭН 1	-50	19,57	19,36	0,21	0,10	0,10	19,56	99,97	0,51
ЭН 1	-25	19,57	19,25	0,32	0,16	0,15	19,56	99,96	0,78
ЭН 1	0	19,57	19,10	0,47	0,23	0,22	19,56	99,94	1,14
ЭН 1	25	19,57	18,90	0,67	0,33	0,32	19,55	99,91	1,62
ЭН 1	50	19,57	18,65	0,92	0,46	0,44	19,55	99,88	2,23
ЭН 1	75	19,57	18,33	1,24	0,62	0,59	19,54	99,84	3,01
ЭН 1	100	19,57	17,93	1,64	0,82	0,78	19,53	99,79	3,97
ЭН 1	125	19,57	17,45	2,12	1,06	1,01	19,52	99,73	5,15
ЭН 1	150	19,57	16,86	2,70	1,35	1,28	19,50	99,65	6,57
ЭН 1	175	19,57	16,17	3,40	1,70	1,62	19,48	99,57	8,26

На рис. 9 представлено изменение тепловых потоков ЭН в зависимости от температуры нагрева резистивного слоя с учетом экранирования в верхнюю полусферу.

Рис. 9. Изменение тепловых потоков ЭН от температуры нагрева резистивного слоя

Таким образом, введение экрана в условиях вакуума позволяет увеличить КПД для эксплуатационных температур нагрева ЭН на 4-5 %.

На рис. 10 представлен внешний вид ЭН, частично закрытого фольгой. На рис. 11 пред-

Дополнительный слой должен отражать инфракрасное излучение ЭН, направленное в верхнюю полусферу, в направлении нижней полусферы, т. е. иметь малый коэффициент черноты. В качестве материала дополнительного слоя можно использовать алюминиевую фольгу и/или композиционную полимерную пленку со слоями из термореактивного и/или термопластичного полимеров с отражающим инфракрасное излучение слоем.

В табл. 2 приведены результаты расчетов полного теплового потока Q ₀ и тепловых потоков ЭН 1 с экраном, передаваемых: на нагрев КА Q_нагр , кондуктивностью Q ₁, излучением Q_изл , излучением в полусферу Q_изл /2 в зависимости от температуры нагрева резистивного слоя с учетом излучения в направлении верхней полусферы, имеющего площадь нагрева 17,5 см². U_пит составляет 100 В, сопротивление резистивного слоя - 511 Ом, мощность - 19,57 Вт.

Таблица 2

ставлена термограмма ЭН, показывающая эффект экранирования в направлении верхней полусферы в инфракрасном диапазоне измерений длин волн 7,5-13 мкм.

Рис. 10. Внешний вид ЭН

Рис. 11. Термограмма ЭН с ограничением излучения в верхнюю полусферу

Заключение

Проведенные работы подтвердили правильность путей увеличения эффективности исполнительных устройств СТР – ЭН, позволили разработать ЭН нового поколения, наметили направления дальнейшего совершенствования СТР. Способы изготовления ЭН с использованием метода фотолитографии и травления резистивного слоя [3; 8] и применение в качестве конструкционных и технологических материалов, производимых отече-

Том 3

ственной промышленностью, позволяют реализовывать различные конструкции ЭН, существенно повышают эффективность ЭН и обеспечивают заданные ТХ при работе в условиях вакуума и температур, соответствующих штатному применению в составе КА негерметичного исполнения [7].

Электронагреватели нового поколения имеют существенный потенциал для модернизации в целях увеличения эффективности в составе СТР существующих и перспективных КА с увеличенными САС.