CC BY
25Ракетно-космическая промышленность
УДК 621.3.049.75
КОНСТРУКТИВЫ ТЕПЛОНАГРУЖЕННОЙ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ОТВОД ТЕПЛА, В ТОМ ЧИСЛЕ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ВАКУУМА
THE CONSTRUCTS OF THE HEATLOADED SPACECRAFT ONBOARD EQUIPMENT PROVIDING EFFECTIVE DISTRIBUTION AND BRANCH OF HEAT INCLUDING IN THE CONDITIONS OF SPACE VACUUM
DOI: 10.24412/CL-35807-2022-1-44-49
Шумских И. Ю., ведущий специалист, Акционерное общество «Ракетно-космический центр «Прогресс», г. Самара, e-mail: Shumskih.IY@samspace.ru.
Shumskikh I. Yu., leading expert, JSC «RSC «Progress», Samara, e-mail: Shumskih.IY@samspace.ru
Аннотация. В статье описаны вновь разработанные, запатентованные, внедренные на производство, неоднократно изготовленные, испытанные и успешно эксплуатируемые в составе космических аппаратов конструктивы, в которых реализованы все три схемы отведения тепла: последовательная, параллельная и комбинированная. Описано конкурентное преимущество этих конструктивов перед существовавшими ранее аналогами. Для данных конструктивов ранее были проведены расчеты тепловых сопротивлений. Выработаны рекомендации по применению разработанных конструктивов. Представлено описание принципиально новой эластичной теплопроводной прокладки.
Abstract. In article the constructs which are again developed, patented, implemented on production, repeatedly made, tested and successfully operated as a part of spacecrafts in which all three schemes of assignment of heat are implemented are described: consecutive, parallel and combined. Competitive advantage of these constructive solutions before the analogs existing earlier is described. Recommendations about application of the developed constructive solutions are developed. The description of essentially new elastic heat-conducting gasket is provided.
Ключевые слова: космический аппарат, бортовая аппаратура, тепловое сопротивление, теплопроводность, вакуум.
Keywords: spacecraft, spacecraft onboard equipment, thermal resistance, heat conductivity, vacuum.
Введение
Обеспечение теплового режима бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) является одной из самых ключевых задач, решаемых при ее разработке. Нарушение теплового режима БА приводит к снижению ее надежности, а именно снижению срока службы и, как следствие, преждевременному выходу из строя.
Для обеспечения теплового режима БА агрегатов и систем на борту КА предусмотрена система обеспечения теплового режима (СОТР). СОТР обеспечивает нагрев или охлаждение термоплат, на которые устанавливается БА. В процессе функционирования БА сама является источником тепла. Это тепло необходимо отводить, чтобы не произошел критический перегрев радиоэлементов, проводов и элементов печатного монтажа на печатных платах, по которым протекает ток (именно они являются источником тепла). Особенно это актуально для силовой аппаратуры. Таким образом, одной из задач конструктивных
элементов БА КА является отведение тепла от радиоэлементов и печатных проводников и передача его на термоплаты (установочные поверхности БА на КА).
Задача обеспечения теплового режима БА также стала особо актуальной в последнее время. Это связано с расширением функционала и увеличением быстродействия БА, снижением габаритов и массы БА, с сохранением ее функционала, а также использованием полупроводниковых приборов, которые выделяют больше тепла, чем электромагнитные реле.
На сегодняшний день вопрос обеспечения теплового режима аппаратуры достаточно полно проработан и описан в открытых источниках. Однако большая часть этих проработок касается наземной аппаратуры. В конструкции и условиях эксплуатации БА КА есть свои особенности. БА работает в условиях, где отсутствует естественная конвекция. Если отсек КА герметичный и наполнен воздухом, то может быть организован принудительный обдув БА. При этом вентиляторами управляет СОТР. Чаще всего отсеки КА выполняют в негерметичном исполнении. БА в таких отсеках при эксплуатации на орбите работает в условиях космического вакуума, где отсутствует какая-либо конвекция.
Необходимость и достаточность мер принимаемых для обеспечения отвода тепла требуется определять еще на этапе проектирования БА. Если принимаемых мер для обеспечения теплового режима недостаточно, то при проведении испытаний потребуются доработки, что приведет к дополнительным затратам средств и времени. Последнее может оказаться критичным и привести к несвоевременной сдачи КА в эксплуатацию, что в свою очередь приведет к уже существенным финансовым затратам или даже к снижению обороноспособности государства, в случае, если заказчиком окажется Министерство обороны Российской Федерации. Если меры принятые для обеспечения теплового режима избыточны, то это может привести к удорожанию БА и снижению ее технологичности. Все это приведет к дополнительным затратам и, как следствие, к снижению конкурентоспособности предприятия.
Таким образом вопрос отведение тепла именно БА, работающей в условиях космического вакуума весьма актуален сейчас как с технической, так и с экономической точки зрения.
Цель и задачи
Целью работы являлось создание новых типовых высокоэффективных теплоотводящих конструктивных решений БА КА.
Для достижения данной цели были решены исследовательские задачи, включающие теоретические расчеты и моделирования в специализированном программном обеспечении (ANSYS Mechanical), а также изобретательские задачи по проектированию новых конструктивных решений и оформление на них охранных документов.
Основное содержание и результаты исследовательской составляющей
В рамках анализа существующих теплоотво-дящих конструктивных решений и соответствующих тепловых расчетов решены следующие задачи и сделаны соответствующие выводы.
Проведен анализ вариантов установки различных тепловыделяемых радиоэлементов: с прямоугольными корпусами и цилиндрическими. Разработаны рекомендации по установке тепловыде-ляемых радиоэлементов.
Рекомендации по элементам с прямоугольными корпусами:
— краевые потоки будут оказывать существен -ное влияние, только если элемент теплонагру-женный, а площадь поверхности, через которую отводится тепло, мала;
— краевые потоки изначально можно не учитывать при проведении расчетов, если получена температура элементов, близкая к предельному значению, то следует уточнить расчет и учесть краевые потоки.
Рекомендации по элементам с цилиндрическими корпусами:
— разогрев элемента лучше всего исследовать при помощи тепловизора, чтобы видеть распределение температур по его поверхности, например, в случае с кристаллом, его расположение в корпусе ясно, тогда как в цилиндрических корпусах внутренний конструктив не всегда очевиден; размеры клеевых швов весьма условны, при изготовлении они не контролируются;
— при увеличении ширины наносимого клея температура значительно снижается, однако ее не удается снизить ниже 80 °С;
— при необходимости температуру эффективнее снижать уменьшением мощности рассеиваемой элементами с увеличением их количества.
Проведен расчет нагрузочной способности печатных проводников и разработана методика расчета ширины проводников печатных плат, работающих именно в условиях вакуума, чего ранее не было в открытых источниках [1—3].
Проведен обзор конструктивных схем БА в части отведения тепла (БА состоит из блоков и (или) плат, чаще всего блоки представляют собой рамки) [4]:
— параллельная схема отведения тепла (рамки расположены вертикально, тепло отводится с каждой напрямую). Учитывая особенности и преимущество параллельной схемы отведения тепла, ее целесообразно применять тогда, когда все или большинство блоков тепловыделяющие. Под тепловыделяющим блоком понимаем блок, тепловой поток от которого превышает 0,5 Вт;
— последовательная схема отведения тепла (рамки расположены горизонтально, друг над другом). Такие конструкции целесообразно использовать, если тепловыделяющие радиоэлементы сосредоточены в одном блоке. Этот блок устанавливается ближе к основанию или сам является установочным основанием, что более эффективно;
— комбинированная схема отведения тепла. Очень часто БА состоит из блоков с разным тепловыделением и рассеиваемая ими мощность может существенно отличаться. В таком случае необходимы преимущества, как последовательной, так и параллельной схемы. Комбинированные схемы отведения тепла позволяют сочетать преимущества параллельной и последовательной схемы. Комбинированные схемы могут быть применены и по другим причинам. Отведение тепла не является единственным критерием, по которому выбирается конструктивная схема БА.
Проведен обзор дополнительных конструктивных узлов:
— тепловые шины. Представляют собой пластины, которые способствуют отводу тепла от блоков, установленных далеко от основания в последовательной схеме отведения тепла. Такая тепловая шина уменьшает тепловое сопротивление между расположенными не рядом блоками. Однако шины увеличивают массу БА, так как для обеспечения эффективного теплообмена площадь их соприкосновения с рамками должна быть достаточно большой;
— теплопроводящая паста. Для снижения теплового сопротивления между соприкасающимися поверхностями используется теплопроводя-щая паста. Стенки блоков смыкаются неплотно из-за того, что изготовлены с допусками. Через эти щели паста может попасть во внутренние полости блоков. Поэтому для исключения попадания пасты во внутренние полости блоков разработана вновь теплопроводная трехслойная прокладка (фольга—паста—фольга).
Основное содержание и результаты изобретательской составляющей
По результатам описанных исследований и на основании полученных рекомендаций:
— разработана принципиально новая эластичная теплопроводная прокладка для установки тепловыделяющих радиоэлементов;
— разработан ряд новых эффективных конструктивов БА со всеми видами теплоотводящий схем: параллельная, последовательная, комбинированная;
— изготовлены опытные образцы и проведены лабораторно-отладочные и конструкторско-до-вод очные испытания, а также изготовлено множество штатных образцов, которые успешно эксплуатируются на КА;
— совершено несколько публикаций, и получены следующие охранные документы:
• патент на изобретение «Радиоэлектронный блок»;
• патент на изобретение «Радиоэлектронный блок теплонагруженный»;
• патент на изобретение «Теплонагружен-ный радиоэлектронный блок».
Далее представлено подробное описание полученных изобретений, каждое из которых успешно внедрено в производство.
Разработана принципиально новая эластичная теплопроводная прокладка (с коэффициентом теплопроводности не м енее 1,6 Вт/(м-К)) для установки тепловыделяющих радиоэлементов. Технический эффект от использования такой прокладки заключается в обеспечении возможности монтажа на теплоотвод высокомощных тепловыделяющих радиоэлементов, имеющих тонкие (хрупкие) установочные поверхности, без их повреждений с сохранением работоспособности (всех электрических параметров) и исключая возникновение загрязнений применяемыми материалами с повышением технологичности и обеспечением ремонтопригодности. Указанные технические результаты достигаются тем, что заявленная прокладка до установки уже имеет конкретные фиксированные размеры (габариты, толщину, целостность) и обладает необходимой упругостью благодаря тому, что изготавливается из резино-подобного теплопроводного упругого материала (отечественного производства).
Описанный конструктив прокладки обладает конкурентными техническими преимуществами перед существующим аналогом с соответствующим коэффициентом теплопроводности, например, пастой кремнийорганической теплопроводной 131-179 ТУ 20.59.41-187-00209013—2017, которая имеет недостаток, а именно она не имеет необходимую упругость и обладает определенной текучестью, что при механических воздействиях на нее (во время сопряжения через них двух изделий, например теплоотвода и радиоэлемента) приводит к изменению ее изначальной формы,
в том числе с вытеканием ее компонентов в окружающее пространство, и, как следствие, к возможной электрической неработоспособности радиоэлемента вследствие загрязнения вытекшими компонентами и/или механическому повреждению хрупких конструкций сопрягаемой поверхности радиоэлемента, например, высокомощного источника питания, в состав которого входит греющийся во время функционирования кристалл, установленный на тонкую (хрупкую) керамическую теплопроводную подложку. Более того, применение паст в чистом виде, а также клеев резко снижает технологичность демонтажа и установки вновь радиоэлемента (тяжелая отмывка от остатков пасты, клея и нанесение вновь) при возникновении необходимости ремонта, и в случае склеивания трудоемкость демонтажа резко возрастает вплоть до возможного появления повреждений демонтируемого радиоэлемента с невозможностью его повторного использования. Описанное преимущество является также уникальным ввиду того, что применение указанной прокладки возможно в условиях космического вакуума.
Заявка на патент на изобретение с описанием конструктива и способа изготовления указанной прокладки находится на стадии оформления.
Разработан конструктив радиоэлектронного бортового прибора с вертикальной компоновкой входящих блоков (параллельная схема отведения тепла), установленных на общем основании через многослойную теплопроводную прокладку. Технический эффект от использования такого конструктива заключается в обеспечении необходимого отвода тепла от входящих теплонагруженных блоков с радиоэлементами за счет использования теплопроводной прокладки, и в обеспечении необходимой защиты от электростатического разряда путем осуществления его стекания с внешних поверхностей прибора за счет совокупного использования токопроводящего покрытия, планок, перемычки, и путем исключения прямого попадание электростатического разряда в полость прибора благодаря применению пазов и выступов на рамках, обеспечивающих их лабиринтное соединение. При этом сам прибор крепится к установочной поверхности КА общим основанием через теплопроводную пасту.
Описанный конструктив обладает конкурентными техническими преимуществами перед существующими аналогами, которые имеют следующий недостаток. При изготовлении тепло-проводящих рамок и основания, на которое они устанавливаются, имеется неплоскостность сопрягаемых поверхностей, из-за которой образуются пустоты в сборке, повышающие тепловое сопротивление между теплопроводящими рамка-
ми и основанием (установочной поверхностью). Данное тепловое сопротивление значительно ухудшает отвод тепла от теплопроводящих рамок, что приводит к перегреву электрорадиоэлементов установленных в них и, как следствие, снижает срок эксплуатации радиоэлектронного блока, а также надежность в целом. Описанное преимущество является также уникальным ввиду того, что позволяет устранять указанные недостатки в условиях космического вакуума.
Разработанный вновь конкурентоспособный конструктив описан в полученном Патенте на изобретение № 2671004 «Радиоэлектронный блок» [5].
Разработан конструктив радиоэлектронного бортового прибора, корпус которого выполнен в виде установочного основания с крышкой. Технический эффект от использования такого конструктива заключается в обеспечении необходимого отвода тепла (последовательная схема) от входящих теплонагруженных печатных плат с радиоэлементами за счет использования теплопроводной пластины установленной на уступы в металлическом теплоотводящем установочном основании (корпусе) и в обеспечении необходимой многократной сборки и разборки прибора путем использования гибкого объемного монтажа.
Описанный конструктив обладает конкурентными техническими преимуществами перед существующими аналогами, которые имеют недостаток, а именно плохую кондуктивную связь верхних плат с основанием, что приводит к перегреву электрорадиоэлементов и, как следствие, снижению эффективности блока и уменьшению срока его эксплуатации, и поэтому требует приме -нения конструктивных мер в виде использования дополнительных радиаторов для тепловыделяющих радиоэлементов или организации принудительной вентиляции, что усложняет конструкцию, и абсолютно теряет эффективность в условиях космического вакуума. Кроме того, у аналогов стыковка многоконтактных разъемных соединителей при установке печатных плат в пакет осуществляется вручную путем совмещения штырей контактов соединителя верхней печатной платы с гнездами контактов соединителя нижней печатной платы без применения направляющих, что затрудняет процесс стыковки и расстыковки и не исключает повреждение контактов, а также снижает надежность электрических соединений при сильных механических нагрузках (например, на этапе выведения КА на орбиту).
Разработанный вновь конкурентоспособный конструктив описан в полученном Патенте на изобретение № 2671852 «Радиоэлектронный блок теплонагруженный» [6].
Разработан конструктив радиоэлектронного бортового прибора с горизонтальной (друг над другом) компоновкой входящих блоков, при этом один из блоков (нижний) выполнен в виде установочного основания (последовательная схема отведения тепла). Технический эффект от использования изобретения заключается в обеспечении необходимого отвода тепла от дополнительных теплонагруженных печатных плат с радиоэлементами за счет использования теплопроводной пластины, установленной на уступы в металлическом теплоотводящем установочном основании и в обеспечении необходимой многократной сборки и разборки прибора путем использования гибкого объемного монтажа, а также в обеспечении отвода тепла с дополнительных теплоотводя-щих рамок с печатными платами с помощью боковых теплоотводов (комбинированная схема отведения тепла) и выравнивании распределения тепла по КА путем чернения основных внешних поверхностей прибора.
Описанный конструктив обладает такими же конкурентными техническими преимуществами перед существующими аналогами, как представленный предыдущий конструктив.
Разработанный вновь конкурентоспособный конструктив описан в полученном Патенте на изобретение № 2676080 «Теплонагруженный радиоэлектронный блок» [7].
Все описанные выше вновь разработанные конструктивы бортовой аппаратуры реализованы в конструкторской документации разработки Акционерного общества «Ракетно-космический центр «Прогресс». Данная конструкторская документация успешно внедрена на производстве и по ней неоднократно изготовлена и испытана материальная часть. Аппаратура, конструктивы которой описаны в представленных патентах, успешно эксплуатируется в условиях космического вакуума на орбите в составе КА уже более пяти лет.
Анализ востребованности полученных результатов
В настоящее время невозможно представить решение задач связи, телевидения, интернета, задач в области народного хозяйства и в области обороноспособности стран без привлечения КА различных назначений. Так, в 2020 году мировыми державами (Россия, США, Китай) и не только совершено более 100 пусков ракет-носителей (РН), причем не редко каждый РН выводил на орбиту более одного КА, а в некоторых случаях целую группу КА.
В соответствии с требованиями тактико-технических заданий на вновь разрабатываемые КА
увеличивается их орбита и срок активного существования, увеличивается также количество приборов устанавливаемых в негерметичный отсек с увеличением площади термопанелей, в связи с чем требуется обеспечение более тонкого управления температурным режимом спецаппаратуры. Все это приводит к увеличению количества оконечных устройств СОТР и, как следствие, к усложнению управляющих ими приборов. Для обеспечения требуемых габаритов и массы данных приборов и изделия в целом (а также уменьшении массы и габаритов аппаратуры старой разработки на величину до 10 % от предыдущих показателей) необходимо миниатюризировать конструкцию приборов.
Результаты описанной работы позволили оптимизировать конструктивные решения, применяемые в БА для существующих космических аппаратов (КА), в том числе серийных, и привели к снижению массы данной БА ориентировочно на 5—7 %, а это экономия более 500 тысяч рублей за каждый килограмм только на этапе выведения на орбиту КА (средний вес разрабатываемой силовой БА для одного КА составляет 50—80 кг, тогда экономия составит более 3000 тысяч рублей для каждого КА), не говоря о снижении стоимости производства.
Однако, стоит признать, что на мировом рынке сложилась специфическая тенденция, а именно, заказчик, особенно представители структур отвечающих за обороноспособность стран, зачастую выставляет приоритет в пользу количества и качества решаемых КА задач, нежели их стоимости. Поэтому помимо экономического, основным эффектом проделанной работы стал технический, так как в результате него разработаны принципиально новые конструктивные решения и м етоды, которые позволяют проектировать более тепловыделяющую аппаратуру, решающую большее количество задач с сохранением необходимых показателей качества и надежности и, как следствие, конкурентоспособности, без чего получение очередного заказа на новые КА и соответственно прибыли с них будет в принципе невозможным.
Вышесказанное говорит о достаточно высокой востребованности в применении полученных конструктивов с большими объемами внедрения.
Область применения полученных результатов
Изобретения и научные-технические результаты проведенных и еще проводимых работ уже используются и позволяют разрабатывать и изготавливать надежные и качественные современные конкурентоспособные высокомощные с малыми массогабаритными характеристиками
и с большим перечнем выполняемых функций наземные и бортовые приборы и узлы РН, отвечающие всем необходимым тенденциям развития современного радиоэлектронного рынка в космической промышленности.
Разработанные образцы новой техники обеспечивают развитие экономики и социальной сферы, в том числе укрепление обороноспособности страны. Изобретения имеют высокий научно-технический уровень, отвечающий всем требованиям современных обширных технических заданий на разработку КА и РН, являются весьма конкурентоспособными на международном рынке, о чем свидетельствует тот факт, что данные образцы используются на множестве современных КА, выполняющих как народно-хозяйственные задачи и задачи по заказам частных компаний, так и широкий спектр задач в интересах Министерства обороны Российской Федерации. Инновационность и научный задел указанных изобретений еще многие годы позволят использовать их во всех перспективных вновь разрабатываемых КА и РН и их модернизациях.
Дополнительно стоит отметить, что хоть новые технические решения уже и внедрены в производство, однако описанная работа может развиваться и дальше при необходимости в случае увеличения требований заказчика. Например, полученные конструктивные решения можно модернизировать путем применения тепловых труб с проведением соответствующих тепловых расчетов и получением охранного документа на изобретение.
Стоит также отметить уникальность полученных конкурентоспособных конструктивных решений, которая исключает технологические, коммерческие и какие-либо другие риски и заключается в том, что все описанные решения состоят из общедоступных комплектующих и материалов отечественного (российского) производства, что в современных реалиях резко повышает конкурентоспособность и делает практически неуязвимым производство КА перед иностранными санкциями. Последнее, как известно, имеет особый интерес для Министерства обороны Российской Федерации.
Список литературы
1. Костин А. В., Шумских И. Ю., Бозриков В. С., Рузанов А. В., Никитин Д. А. Расчет температуры печатных проводников плат, установленных на металлическое основание в бортовой аппаратуре космических аппаратов, работающей в условиях вакуума // VI Всероссийская научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («VI Козловские чтения»): сборник материалов. — Самара: Самарский научный центр РАН, 2019. — Т. 2. — С. 55—62.
2. Костин А. В., Шумских И. Ю., Рузанов А. В. Методика расчета ширины печатных проводников печатных плат на металлическом основании для приборов космических аппаратов // ХЫУ Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти С. П. Королева и других выдающихся отечественных ученых — пионеров освоения космического пространства: сборник тезисов. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — Т. 2. — С. 264—267.
3. Костин А. В., Шумских И. Ю., Рузанов А. В. Выбор ширины печатных проводников печатных плат на металлическом основании для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов // Электронные и электромеханические системы и устройства: сборник научных трудов. — Томск: Издательство Томского государственного университета, 2021. — С. 526—533.
4. Шумских И. Ю., Костин А. В., Бозриков В. С., Рузанов А. В., Никитин Д. А. Анализ конструкции блоков бортовой аппаратуры космических аппаратов в части отведения тепла от электронной компонентной базы и токоведущих частей // VI Всероссийская научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («VI Козловские чтения»): сборник материалов. — Самара: Самарский научный центр РАН, 2019. — Т. 2. — С. 64—72.
5. Шумских И. Ю., Костин А. В., Маньшин С. А., Бусарев Т. Ю., Степанов В. А. Радиоэлектронный блок. Патент ИИ 2671004 С 1. Бюлл. № 31, 29.10.2018.
6. Шумских И. Ю., Костин А. В., Маньшин С. А., Бусарев Т. Ю., Латыпов Р. З. Радиоэлектронный блок теплонагру-женный. Патент ИИ 2671852 С 1. Бюлл. № 31, 05.10.2017.
7. Шумских И. Ю., Костин А. В., Маньшин С. А., Латыпов Р. З., Бусарев Т. Ю. Теплонагруженный радиоэлектронный блок. Патент ИИ 2676080 С 1. Бюлл. № 36, 26.12.2018.
