CC BY
58Решетневскуе чтения. 2018
УДК 536.2.08
ДВУХФАЗНАЯ СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. А. Ходенков, М. Г. Мелкозеров, Э. В. Ходенкова, И. Ю. Ермиенко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Система терморегулирования космического аппарата - сложный комплекс, необходимый для поддержания штатной работы бортовых систем аппарата. Современные спутники все чаще переходят на двухфазные системы терморегулирования, которые эффективнее систем терморегулирования без фазового перехода. В настоящей работе рассматриваются проблемы, возникающие при проектировании двухфазных систем терморегулирования.
Ключевые слова: система терморегулирования, космический аппарат, двухфазный поток, коэффициент теплоотдачи.
SPACECRAFT TWO-PHASE THERMAL CONTROL SYSTEM
А. A. Khodenkov, M. G. Melkozerov, E. V. Khodenkova, I. Yu. Ermienko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The system of thermal control of a spacecraft is a complex, that is necessary for maintain the regular work of the onboard systems of the apparatus. Modern satellites are increasingly switching to two-phase thermal control systems, which are more effective than thermal control systems without a phase transition. This paper covered problems that arise in the design of two-phase thermal control systems.
Keywords: thermal control system, spacecraft, two-phase flow, heat transfer coefficient.
Система терморегулирования (СТР) космического аппарата (КА) предназначена для создания и поддержания заданных значений температур на борту КА в условиях неравномерных по времени внешних и внутренних тепловых нагрузок. В условиях наличия солнечного теплового излучения, теплопритоков от работающего оборудования, радиационного теплового излучения КА в космическое пространство температура в различных точках поверхности космического аппарата может находится в диапазоне -150...+150 °С, в то время как для сохранения работоспособности оборудования и агрегатов космического аппарата требуется весьма узкий температурный диапазон 0...+40 °С [1].
Задача терморегулирования КА решается за счет сброса излишнего тепла в космическое пространство. От производительности СТР и точности регулирования во многом зависит срок службы бортового комплекса приборов и в целом выполнение миссии КА [2].
Одной из наиболее эффективных СТР является СТР на основе двухфазного контура теплопереноса, в основу рабочего процесса которой заложены тепло-обменные процессы при изменении фазового состояния теплоносителя. Преимуществами применения ДФК по сравнению с другими типами систем являются сокращение массы СТР и снижение ее энергопотребления, что обуславливается значительной степе-
нью интенсификации теплообмена при фазовых переходах теплоносителя.
Согласно исследованию [3; 4], применение ДФК дает до 30 % сокращение в массе системы по сравнению с жидкостным контуром системы терморегулирования.
Простейшая принципиальная схема ДФК СТР представлена на рисунке. Такой контур состоит из нескольких теплообменных аппаратов - для охлаждения бортового комплекса приборов и для сброса тепла в окружающую среду. Для циркуляции теплоносителя предназначен насос. В процессе работы контура происходит два различных процесса теплообмена: подвод тепла Qобщ = от охлаждаемых объектов (приборов) в теплоноситель и сброс тепла 0общ в космическое пространство с помощью механизма излучения.
Процессы подвода и отвода тепла в данном случае протекают с изменением агрегатного состояния теплоносителя, что определяет ряд сложностей в расчете ДФК. В настоящее время теплообмен при фазовых переходах теплоносителя изучен недостаточно.
При работе контура охлаждающий теплоноситель в жидкой фазе механически закачивается в испаритель, где происходит фазовый переход с отъемом тепла у охлаждаемых приборов. В конденсаторе/радиаторе пары превращаются в жидкость, которая подается на вход насоса. Таким образом, формируется замкнутый цикл, обеспечивающий тепловой баланс.
Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения
Контур с фазовым переходом
Описание работы системы включает в себя множество параметров, таких как тепловые нагрузки, температуры поверхностей теплообменных аппаратов, температура пара, температура жидкости, температура радиатора, скорость потока, напор насоса и давление в аккумуляторе. Кроме того, структура многофазного потока существенным образом зависит от уровня и направления силы тяжести, так как сам поток представляет собой пространственное распределение фаз различной плотности [4].
Основной задачей при расчете конвективного теплообмена ДФК СТР является определение коэффициента теплоотдачи а [5]. Основным подходом к определению коэффициентов теплоотдачи в настоящее время является применение корреляционных зависимостей, полученных экспериментальным путем. Вследствие огромного интереса к двухфазным потокам было проведено множество экспериментальных исследований протекающих в них процессов теплообмена. К сожалению, большое количество работ непреднамеренно привело к огромной путанице.
Обзор современных расчетных методик показал, что в настоящее время недостаточно хорошо проработан вопрос определения термодинамических параметров рабочего тела на начальных этапах кипения, т. е. при малой степени сухости. Исследование расчетных и схемных построений ДФК позволило определить, что большинство времени бортовой комплекс аппаратуры работает при переменной нагрузке. Таким образом, вопрос разработки методик определения коэффициента теплоотдачи двухфазного потока в граничных условиях ДФК СТР КА представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Библиографические ссылки
1. Алексеев В. А., Малоземов В. В. Обеспечение теплового режима радиоэлектронного оборудование космических аппаратов : учеб. пособие. МАИ. 2001. С. 52.
2. Система обеспечения теплового режима космического аппарата / В. Д. Атамасов, В. И. Ермолаев, И. О. Кукушкин // СПБ МО. 2003. С. 71.
3. Задачи и методы математического моделирования тепловых технических систем / А. В. Делков, Д. А. Непомнящий, Д. Б. Ситничук, А. А. Кишкин // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 69-70.
4. Расчет теплообмена космического аппарата /
B. М. Залетаев, Ю. В. Капинос, О. В. Сургучев. М. : Машиностроение, 1979. C. 175.
5. Исследование процессов теплообмена в конденсаторе холодильной установки / А. А. Ходенков, А. В. Делков, А. А. Кишкин // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы X Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи. Красноярск, 2014.
C. 80-81.
References
1. Alekseev V. A., Malozemov V.V. Obespechenie teplovogo rezhima radioelektronnogo oborudovanie kos-micheskikh apparatov [Providing the thermal regime of radio electronic equipment for space vehicles]. Uchebnoe posobie, MAI, 2001. 52 p.
2. Atamasov V. D., Ermolaev V. I., Kukushkin I. O. Sistema obespecheniya teplovogo rezhima kosmicheskogo apparata [The system for ensuring the thermal regime of the spacecraft] Sankt-Peterburg, MO., 2003. 71 p.
3. Kishkin A. A., Chernenko D. V., Delkov A. V. i d.r. [Development of low-potential heat recovery facilities based on the Rankine Organic Cycle] Al'ternativnaya en-ergetika i ekologiya. 2014. № 3 (4). P. 35-36 (In Russ.).
4. Zaletaev V. M., Kapinos Yu. V., Surguchev O. V. [] Raschet teploobmena kosmicheskogo apparata. [Calculation of heat transfer of the spacecraft]. Moscow: Mashi-nostroenie, 1979. 175 p.
5. Khodenkov A. A., Delkov A. V., Kishkin A. A. [Investigation of heat transfer processes in the condenser of a refrigeration unit] Aktual'nye problemy aviatsii i kos-monavtiki : tezisy X Vseros. nauch.-prakt. konf. tvor-cheskoi molodezhi, Krasnoyarsk, 2014. P. 80-81.
© Ходенков А. А., Мелкозеров М. Г., Ходенкова Э. В., Ермиенко И. Ю., 2018
