CC BY
17
УДК 629.78
ОБЗОР СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А.И. Кругленя, А.А. Ходенков, Е.Д. Сабо
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]
В данной работе рассматривается вопрос исследования устройства, принципа действия и применения современных систем терморегулирования космических летательных аппаратов.
Ключевые слова: теплота, сплав, радиационный теплообменник, терморегулирование. OVERVIEW OF SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEMS A.I. Kruglenya, A. A. Khodenkov, E.D. Sabo
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This article is devoted to the study of the device, the principle of operation and application of modern thermal control systems for spacecraft.
Key words: heat, alloy, radiation heat exchanger, thermoregulation.
Космический аппарат (КА) - это многообразный объект, распределение температуры в котором определяется внешними тепловыми потоками, его ориентацией в космическом пространстве, свойствами поверхности аппарата, энергопотреблением теплогенерирующего оборудования и т.д.
Во время работы бортового оборудования выделяется тепло, которое необходимо отводить. Для отвода тепла предназначена система обеспечения теплового режима (СОТР) КА.
В общем случае теплообмен производится тремя методами: теплопроводностью (кондукцией), излучением и конвекцией. Теплообмен в космическом пространстве имеет свои характерные особенности: в открытом космосе возможен только один вид теплообмена - излучение, а невесомость приводит к отсутствию естественной конвекции внутри КА. С учетом этих особенностей проектируются и формируются системы обеспечения теплового режима КА, которые состоят из средств пассивного и активного терморегулирования, объединенных в систему терморегулирования (СТР).
К категории пассивных систем контроля температуры относятся системы, основанные на:
- тепловой термоизоляции;
- терморегулирующих покрытий;
-оптимизации взаимного расположения источников тепла и элементов аппарата.
Пассивные средства поддерживают температуру компонентов без использования оборудования с питанием и обеспечивают заданные температуры за счет придания определенных теплофизических свойств элементам конструкции КА. Одним из
Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»
первостепенных и особо эффективных пассивных способов терморегулирования является использование экранно-вакуумной теплоизоляции ЭВТИ [1].
Рис 1. Типы СОТР
Пассивные системы обычно ассоциируются с низкой стоимостью, объемом, весом и риском и поэтому выгодны для космических аппаратов с ограниченной массой, объемом и мощностью.
Активные средства - средства принудительного теплообмена, которые включают в себя циркуляционные СТР. В контурах этих систем создаются необходимые скорости потока теплоносителей и регулируется их температура. В основном используются радиационные СТР, в которых тепло излучается в космическое пространство с поверхности радиатора. Радиационные СТР подразделяются на однофазные и системы с фазовым переходом теплоносителя. Наиболее часто встречающимся активным способом терморегулирования является применение тепловых труб (для малых значений тепловых нагрузок) или жидкостного (однофазного) контура с насосной циркуляцией (в случае значительных тепловых нагрузок). Для кратковременных космических полетов используются испарительные СТР, которые включают в себя испарительный теплообменник с расходуемым хладоагентом. В этих системах тепло поглощается во время фазового перехода, и затем пары хладоагента выбрасываются за борт.
В соответствии с конструкцией радиатора имеются следующие СТР:
1) с выносным радиатором;
2) с корпусным радиатором.
СТР по способу регулирования температуры делятся на:
1) с регулированием внешнего теплообмена;
2) с регулированием внутреннего теплообмена [2].
Принципиальная схема газовой СТР представлена на рисунке 2.
Эта система отводит теплоту как вовремя полета, так и в процессе наземных испытаний. Она состоит из гермоконтейнера 1, вентилятора 2, регулятора 3, аппаратуры 4, газожидкостного теплообменника 5, газовода 6 и теплового радиатора 7. Гермоконтейнер заполнен нейтральным газом (обычно азотом), выполняющим роль теплоносителя. Трубопроводы газожидкостного теплообменника заполняются жидким теплоносителем.
Принудительный теплообмен КА с окружающей средой может быть обеспечен:
- электрическими и радиоизотопными подогревателями;
- внутренними и внешними радиаторами с принудительным движением теплоносителя между ними.
12 5 6
Рис. 2. Принципиальная схема газовой СТР: 1 - гермоконтейнер; 2 - вентилятор; 3 - регулятор; 4 -аппаратура; 5 - газожидкостный теплообменник; 6 - газовод; 7 - тепловой радиатор
Регулирование тепловой мощности активной СТР может выполняться за счет механического изменения площади радиаторов. Если площадь радиационных поверхностей неизменна, то регулирования осуществляется:
- периодическим включением расхода теплоносителя;
- путем перепуска части теплоносителя через обводную линию;
- изменением расхода теплоносителя;
- изменением ориентации КА относительно внешних тепловых источников.
Таким образом, основным направлением развития современных СТР является повышение степени надежности и долговечности СТР за счет использования новых устройств и узлов с минимальным количеством ударных нагрузок и трущихся поверхностей деталей, а также создание возможности замены этих устройств экипажем.
Библиографические ссылки
1 Малоземов В.В., Кудрявцева К.С. Оптимизация систем терморегулирования космических аппаратов. М : Машиностроение, 1988. 56 с.
2 Иванов В. Л., Касилов П.В. Радиатор-излучатель развертываемого типа для космической энергоустановки. Студенческий научный вестник. Сб. тез. докл. общеуниверситетской науч.-техн. конф. Студенческая научная весна-2010, т. X, ч. 3. Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. C. 228-229.
3 Касилов П.В. Теплообменник радиационного типа энергоустановки космического базирования. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, № 10. URL: http://technomag.edu.ru/doc/253502.html (дата обращения 22.03.2021).
© Кругленя А.И., Ходенков А. А., Сабо Е.Д., 2022
