Выбор характеристик электрообогревателей космического аппарата при наличии ограничений

Электрообогреватели космического аппарата (КА) совместно со средствами охлаждения используются для поддержания заданного теплового режима оборудования, создавая необходимое равновесие между притоком и оттоком тепла от этого оборудования. Электрообогреватель (ЭО) содержит токонесущий провод и электроизолирующую подложку [1].

Основными параметрами ЭО являются: мощность, масса, площадь обогреваемой поверхности.

Мощность ЭО, Вт, определяется по закону Ома [2]:

,           (1)

1 Tip 7 V ' 'пр Рпр ' 'пр где U – напряжение электропитания ЭО, В; Rпр – электрическое сопротивление провода, Ом; Rl - удельное электрическое сопротивление единицы длины провода, Ом/м; S - площадь сечения провода, м2; рпр - удельное электрическое сопротивление материала провода, Ом⋅м; lпр – длина провода, м.

С. В. Тимофеев, М. А. Ильин, В. Е. Чеботарев, В. Д. Звонарь, Р. Ф. Фаткулин

Выбор характеристик электрообогревателей космического аппарата при наличии ограничений

Площадь обогреваемой с помощью ЭО поверхности FЭО зависит от площади провода FЭОи коэффициента заполнения им обогреваемой поверхности KЗАП:

Лц>^— ^П! I ' ^c4ip ^— .      , -    ' ^пр'           (2)

Рэо" ЭО где dпр - максимальный размер сечения про- вода.

Масса ЭО формируется как сумма масс токонесущего провода m пр , электроизолирующей подложки и клея m _ЭП:

тЭО — ,ипр + тЭП — /пр * 'пр ‘ ^пр + /ЭП * ~    —

^ЗАП

_ и v ПР , Р-Н

^ПР 1 Пр j гт      '            ⁽³⁾

dnp АЗАП !

где Y _пр - объемная плотность провода, кг/м³;

Y _ЭП - поверхностная плотность подложки, кг/м².

Эффективность применения ЭО харак- теризуют следующие удельные показатели:

- тепловая эффективность

массовая эффективность

-

^эо тэо ш3

Удельные показатели ЭО могут быть использованы для оптимизации параметров ЭО по критерию q _Э ^ max, m _Э ^ max. С помощью этих критериев проведем выбор материала токонесущего провода по максимуму ρ_пр провода (4), или максимуму (5).

Анализ представленных в табл. 1 данных позволяет сформулировать следующие рекомендации:

• -    материал нихром имеет лучшие показатели по обоим критериям;

• -    материал константан имеет удовлетворительные показатели по критерию 1, но уступает материалу алюминий по критерию 2;

• -    материал алюминий имеет удовлетворительные показатели по критерию 2, но неудовлетворительные – по критерию 1.

В итоге в ЭО КА применяют токонесущий провод из материала с большим удельным сопротивлением (критерий 1): нихром, константан.

Кроме того, удельные показатели ЭО также содержат информацию о других частных критериях оптимизации ЭО U ^ min, S пр ^ min, K зап ^ max.

Уменьшение напряжения ЭО повышает удельный показатель g _Э, m _Э, однако приводит к увеличению массы кабелей системы электропитания

• ?F • ]' • pF • —,         (6)

К Uv 1 К К 1       \ т т т т               v z д и к • и где Kоб – коэффициент конструктивных затрат массы на оболочку кабеля; Yк - объемная плотность провода кабеля, кг/м3; lк - длина кабеля, м; ρк – удельное электрическое сопротивление материала провода кабеля, Ом-м; AUк - допустимое падение напряжения в кабеле за счет омического сопротивления.

Ввиду неопределенности реализации длины кабеля для конкретного типа ЭО выработаны общие рекомендации по выбору напряжения ЭО: для N _ЭО ≤ 60 Вт U = 27 В, а для N _ЭО ≥ 60 Вт U = 100 В.

Минимизация площади сечения провода ЭО S _пр и максимизация K _ЗАП связаны с тепловыми и конструктивными ограничениями.

Рассмотрим методику выбора в условиях ограничений ЭО, применяемых на КА ин-

Таблица 1

№ п/п	Наименование	Р пр, Ом-мм2/м	γ пр , кг/л	Рпр/ / /пр
1	Медь	0,0178 (5)	8,9	0,002 (5)
2	Алюминий	0,0287 (4)	2,71	0,106 (2)
3	Вольфрам	0,055 (3)	19,1	0,003 (4)
4	Костантан	0,5 (2)	8,9	0,056 (3)
5	Нихром	1,12 (1)	8,4	0,133 (1)

Примечание: в скобках приведен номер позиции материала, занимаемой по данному критерию.

U ИССЛЕДОВАНИЯ