CC BY
245
УДК 629.78.06-533.6
К. А. Гончаров, В. В. Двирный
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ОББЕДИНЕНИИ ИМЕНИ С. А. ЛАВОЧКИНА
Обобщен опыт создания тепловых труб всех типов в научно-производственном объединении имени С. А. Лавочкина. Описаны удачные технические решения в создании контурных тепловых труб, нашедшие широкое применение в космической отрасли.
Тепловые трубы (ТТ) были впервые применены на российских космических аппаратах в начале 1970-х гг. С этого времени большое количество ТТ успешно используется в различных системах терморегулирования (СТР), расширяя с каждым годом их возможности и сложность решаемых задач. Современным СТР на базе тепловых труб характерны высокая надежность и длительный ресурс (15-20 лет) наряду с относительно низкой стоимостью тепловых труб по сравнению с активными жидкостными или газовыми контурами
В 1970-1990 гг. в СССР более 20 организаций разрабатывали и производили тепловые трубы для космического применения. К настоящему времени осталось лишь 5 предприятий в России, которые занимаются разработкой и производством таких изделий:
- Центр тепловых труб Роскосмоса в НПО имени С. А. Лавочкина (ЦТТ);
- НПП «Тепловые агрегаты и системы» (ТАИС);
- НПО Прикладной механики имени М. Ф. Решетнева (НПО ПМ) и др.
В НПО имени С. А Лавочкина начали заниматься тепловыми трубами в 1968 г. Тогда под руководством Э. П. Смирнова совместно с Ленинградским технологическим университетом были созданы первые опытные образцы реверсивных ТТ и термодиодов на ацетоне и спирте с гомогенной капиллярной структурой. Успешные лабораторные эксперименты с этими трубами позволили приступить к разработке криогенных систем терморегулирования для серии спутников, получивших в открытой печати название «Око». В НПО имени С. А. Лавочкина под руководством И. И. Штейнгарда была разработана СТР для охлаждения опто-электронного оборудования до уровня температур 180 К. В 1971 г. решением Военно-промышленной комиссии дальнейшая разработка и изготовление ТТ для этих спутников были переданы в НПО «Красная Звезда».
Первый КА этой серии был запущен 19 сентября 1972 г. Мы полагаем, что это был первый в России космический аппарат с тепловыми трубами на борту (рис. 1).
В состав СТР входили 26 реверсивных тепловых труб с теплоносителем фреон-22. Несмотря на то, что первый американский аппарат с тепловыми трубами был запущен на полгода раньше (2 марта 1972 г.), наша страна может по праву гордится этой разработкой. Сложная криогенная система, созданная в сжатые сроки, оказалась не только одной из первых, но и самой долгоживущей. Спутники этой серии, созданные под руководством А. Г. Чес-нокова, до настоящего времени остаются основой национальной противоракетной обороны. К настоящему вре-
мени уже запущено около 100 спутников «Око» и еще 3 будут запущены в ближайшее время.
Капиллярная структура для ТТ КА «Око» была предложена Данилевским и Бруно - сотрудниками НПО «Красная Звезда» и его филиала в г. Протвино. Сделанная из гофрированной сетки, она получила название «поли-артериальной» (рис. 2).
Рис. 1. Космический аппарат «Око»
Рис. 2. Полиартериальная капиллярная структура Данилевского и Бруно
Капиллярная структура оказалась очень технологичной, имела неплохие теплофизические свойства по сравнению с гомогенной капиллярной структурой и хорошо
сочеталась с корпусом из нержавеющей стали. ТТ с такой капиллярной структурой были также просты и дешевы, как ТТ с гомогенной структурой, но имели в несколько раз более высокую мощность и устойчивость к перегреву зоны испарения.
Несколько лет спустя в США в TRW под руководством David Antoniuk были созданы очень похожие ТТ с металловолокнистым фитилем, которые также до сих пор используются для низкотемпературных СТР.
Артериальные ТТ. Шестой спутник серии «Око», запущенный 22 сентября 1976 г., был оснащен модернизированной СТР, в которую вошли 8 термодиодов с жидкостной ловушкой. Термодиоды с жидкостной ловушкой на базе ТТ с полиартериальной структурой были разработаны талантливым конструктором и изобретателем НПО «Красная Звезда» И. М. Блинчевским. По нашим сведениям, это был первый в мире КА с термодиодами на борту.
Более 2 000 ТТ с полиартериальной структурой были изготовлены и запущены на борту КА серии «Око». Они продемонстрировали достаточно высокую надежность. Их производство почти без модернизации конструкции и технологии продолжалось до 1992 г.
Создание ТТ с сегментной артерией было следующим шагом в развитии ТТ. В начале 1980-х гг. в НПО имени С. А. Лавочкина была начата разработка нового спутника, требовавшего диапазона температур 150...170 К. И. А. Зеленовым и И. И. Штейнгардом была создана криогенная СТР для геостационарного КА «Око-1». Увеличивающиеся требования к производительности ТТ заставили найти новую капиллярную структуру для ТТ, которая превосходила полиартериальную более, чем в три раза по мощности и по коэффициентам теплоотдачи. Коллективом конструкторов из НПО имени С. А. Лавочкина и НПО «Красная Звезда» во главе с И. М. Блинчевским была предложена капиллярная структура с сегментной артерией (рис. 3).
Рис. 3. Капиллярная структура с сегментной артерией
Первый КА «Око-2» был запущен на орбиту 14 февраля 1991 г. К этому времени уже имелся негативный опыт разработчиков артериальных ТТ из компаний «Nortrop», «Gruman» и «OAO» (рис. 4). Созданные ими конструкции артериальных ТТ хорошо работали на земле, но в космосе артерия «запаривалась» и ТТ работать переставали (4th IHPC, London, 1981). «No bubble - no trouble» (D. Antoniuk). В 1984 г. использование артериальной структуры было запрещено в NASA и ESA.
Несмотря на все опасения СТР, «Око-1» показал хорошие характеристики в полете и доказал жизнеспособность артериальной структуры ТТ при его грамотном проектировании. В конце 1990-х гг. ТТ этой системы были модернизированы в НПО имени С. А. Лавочкина под руководством автора и производятся в ЦТТ до настоящего времени. Сейчас уже запущены 6 спутников этой серии и еще 2 должны быть запущены в ближайшее время.
Рис. 4. КА «Око-2»
В состав СТР входят 12 ТТ с аксиальными канавками, 2 ТТ с полиартериальной структурой и 10 ТТ с сегментной артерией. В числе последних 4 термодиода с жидкостной ловушкой и 2 гибкие ТТ, соединяющие сканирующий узел с опто-электронной аппаратурой с тепловым аккумулятором. Все ТТ этой СТР имеют теплоноситель «пропилен» (рис. 5).
В 1984 г. НПО имени С. А. Лавочкина начало собственное производство ТТ. В первую очередь это производство было предназначено для комплектации вновь разрабатывавшихся КА: «Аркон», «Купон», «Марс-96» и «Око». Под руководством автора этого доклада были созданы ТТ на базе артериальной структуры газорегулируемые, ТТ сложной конфигурации, высокотемпературные, с повышенной стойкостью к радиации и сверхвысоким ресурсом (более 20 лет). Полный перечень КА с артериальными ТТ представлен в табл. 1.
Несмотря на неудачи с эксплуатацией КА (большая часть из них была связана с газовой СТР приборного контейнера и электроникой), надежность функционирования артериальных ТТ в условиях невесомости была доказана и больше опасений не вызывает. Более 300 артериальных ТТ были изготовлены и запущены на борту российских КА. За этот период в полете не зафиксировано ни одного отказа.
Кооперация. НПО имени С. А. Лавочкина разрабатывает и производит ТТ с 1984 г. Большое количество научных и исследовательских организаций участвует в разработке новых конструкций ТТ:
- Одесская академия холода;
- Институт теплофизики УрО РАН;
- Грузинский технический университет;
- Московский энергетический институт;
- Институт тепломассобмена имени Лыкова;
- Физико-химический институт имени Карпова;
- Киевский политехнический институт;
Протвинский филиал госНИИ «Луч» и др.
В 1992 г. было создано НПП «ТАИС». Для того чтобы пережить сложный переходный период, сотрудники отдела тепловых труб и ближайших смежников учредили новое предприятие, которое занималось открытыми разработками и экспортными поставками. ТАИС помог не только пережить трудные девяностые, но и существенно
развил технологии и конструкции тепловых труб. Между НПО имени С. А. Лавочкина и НПП «ТАИС» в 1995 г. подписано соглашение о сотрудничестве. Практически все новые технические решения в области тепловых труб, которые применяет НПО имени С. А. Лавочкина, создаются и апробируются в ТАИС. Сегодня ТАИС - это самостоятельная организация, имеющая собственные производственные мощности в Пушкинском районе Московской области и независимый персонал.
Рис. 5. Теповакуумные испытания СТР с артериальными ТТ КА «Око-1»
Рис. 6. Тепловые трубы с аксиальными канавками
Таблица 1
Применение артериальных ТТ на борту российских КА
Название КА Период на орбите Количество ТТ Диапазон температур оС Теплоноситель
Око-2-0 1991-1995 38 -160...+115 Пропилен
Око-2-1 1992-1999 38 -160...+115 Пропилен
Обзор 1994-2003 1 -20...+50 Аммиак
Око-2-3 1994-1995 38 -160...+115 Пропилен
Марс-96 1996-1996 2 -60... +90 Аммиак
Купон 1997-1998 14 -60... +90 Аммиак
Аракс-1-0 1997-1997 32 -60... +90 Аммиак
Око-2-2 1998-2000 38 -160...+115 Пропилен
Око-2-4 2001-н.в. 38 -160...+115 Пропилен
Аракс-1-1 2002-2003 32 -60... +90 Аммиак
Око-2-6 2003-2005 10 -160...+115 Пропилен
Аксиальные ТТ. В ТАИС была создана обновленная технология аксиальных тепловыых труб. Этот тип тепловых труб создал Edvard Krolichek (OAO, США) в конце 1960-х гг. В нашей стране их впервые разработали и применили в КА НИИЭМ в начале 1970-х гг. (рис. 6). Работы ТАИС в конце 1990-х гг. позволили существенно развить эту технологию
и получить характеристики на уровне лучших мировых образцов при уровне цен ниже российских аналогов.
Сегодня более 1 000 тепловых труб с аксиальными канавками производства НПО имени С. А. Лавочкина и ТАИС успешно эксплуатируются на борту российских и европейских КА.
Рис. 7. Эксперимент «Алена» на борту КА «Гранат»
Применение контурных ТТ на борту КА
Таблица 2
Год запуска КА Предприятие-разработчик КА/КнТТ Регулирование/ теплоноситель Статус КоХ-во КнТТ
1989 Горизонт НПО ПМ/НПО ПМ, ИТФ Нет/Фреон-23 Эксперимент 1
1989 Гранат НПО Л/НПО л Нет/ПропиХен Эксперимент 1
1990 Горизонт НПО ПМ/НПО ПМ, ИТФ Нет/Фреон-23 Эксперимент 1
1992 Горизонт НПО ПМ/НПО ПМ, ИТФ Нет/Фреон-23 Эксперимент 1
1994 Обзор ПО ПоАет/ТАИС Нагреватель КП / ПропиХен, Аммиак СТР оптико-эХектронной аппаратуры 3
1995 Express DASA ERNO/НПО Л Нагреватель КП/ Аммиак Эксперимент 1
1996 Марс-96 НПО Л/НПО Л РегуХятор давХения / Аммиак СТР маХых станций и ДУ 6
1997 STS-87 DTX, ТАИС НагреватеХь КП/ Аммиак Эксперимент 1
1999- 2002 FY-1 3 спутника SISE/ТАИС ЭХемент ПеХьтье/ Аммиак СТР аккумуХяторных батарей 6 на каждом КА
1998-2003 Huges-702 7 спутников Huges (Boeing)/Dynatherm (Swales), ТАИС Нет/Аммиак Раскрывающиеся радиаторы 12 на каждом КА
1999, 2002 Thuraja 2 спутника Huges (Boeing)/Dynatherm (Swales), ТАИС Нет/Аммиак Раскрывающиеся радиаторы 12 на каждом КА
2003 Glass JPL/Dynatherm (Swales)/ TAIS support НагреватеХь КП / ПропиХен СТР оптико-эХектронной аппаратуры 2
2003 STS-107 ESA/OHB, ТАИС НагреватеХь КП РегуХятор давХения/ Аммиак Эксперимент 1
2003 STS-107 ESA/Astrium Нет/Аммиак Эксперимент 1
2003 STS-107 ESA/S.A.B.C.A. НагреватеХь КП/ Аммиак Эксперимент 1
2003 ЯмаА-200 2 спутника PKK «Энергия»/ТАИС РегуХятор давХения, ЭХемент ПеХьтье / ПропиХен СТР аккумуХяторных батарей 4 на каждом КА
2006 БеАКА PKK «Энергия»/ ТАИС РегуХятор давХения, ЭХемент ПеХьтье / ПропиХен СТР аккумуХяторных батарей 2
Контурные ТТ. С 1985 г. НПО имени С. А. Лавочкина разрабатывает контурные тепловые трубы (КнТТ). Как и НПО ПМ, начавшее работы в этом направлении на год раньше, НПО имени С. А. Лавочкина начинало свою деятельность в этом направлении в сотрудничестве с ИТФ УрО РАН. Первый летный эксперимент с КнТТ был осуществлен 1 декабря 1989 г., на месяц позже эксперимента НПО ПМ. Но в отличие от последнего, эксперимент «Алена» на борту КА «Гранат» был успешным (рис. 7). Более 10,5 лет КнТТ длиной 4 м с каналами диаметром 3 мм успешно работала и передавала тепло с горячего радиатора на холодный.
Огромный вклад в развитие этой технологии и популяризации применения КнТТ внесло НПП «ТАИС». К настоящему времени практически все космические предприятия мира имеют демонстрационные образцы КнТТ, сделанные в ТАИС, и могут сами убедиться в надежности и прекрасных характеристиках этих изделий.
Создана программа для расчета этих устройств. На базе КнТТ созданы раскрывающиеся радиаторы, миниатюрные ТТ и ТТ большой мощности, криогенные и высокотемпературные КнТТ, диодные, реверсивные и разветвленные конструкции с одним и несколькими испарителями и конденсаторами. Созданы регулируемые КнТТ с пассивным и активным регулированием. Успешно завершена летная квалификация этих уст-
ройств на борту российских, американских и китайских KA (табл. 2).
Отраслевой центр тепловых труб. В 2003 г. на базе отделения тепловых труб НПО имени С. A. Лавочкина при поддержке предприятий космической отрасли Pоссии, в том числе НПО ПМ, приказом по Pоскосмосу был создан Центр тепловых труб Pоскосмосa. Идея создания отраслевого центра позволила сконцентрировать финансовые усилия всех предприятий отрасли на развитии этой сложной и интересной технологии. ^оме того, статус отраслевого центра позволяет поставлять тепловые трубы для всех предприятий космической отрасли Pоссии, даже в том случае, если предприятия являются конкурентами для НПО имени С. A. Лавочкина на уровне KA и космических систем.
Сегодня Ц^ Pоскосмосa обеспечивает все потребности в тепловых трубах НПО имени С. A. Лавочкина, а также совместно с TAK! поставляет тепловые трубы всех типов и сотопанели для следующих предприятий:
- ГKHПЦ им. Хруничева - Alcatel-Alenia;
- ЦССТ «Прогресс» - ОНВ;
- PKK «Энергия» - TESAT;
- НИИЭМ - CASA;
- НПО МЛШ - CNES;
- KE «Apсенaл» - Bradford;
- KE «Полет» - SISE;
- ЦНИИ помета» - CAST.
K. A. Goncharov, V. V. Dvirnyi
EXPERIENCE OF DEVELOPMENT AND APPLICATION OF HEAT PIPES FOR SPACE VEHICLES AT S. A. LAVOCHKIN’S SCIENTIFIC-INDUSTRIAL ENTERPRISE
Experience ofdevelopment of heat pipes ofall types at S. A. Lavochkin s Scientific-Industrial Enterprise is summarized. Successful technical decisions of development of the loop heat pipes, found wide application in space branch are described.
УДК 548: 537.611.46
Е. В. Кривов, А. А. Кульков, Ю. М. Голованов, А. Е. Дюдин, О. В. Шилкин, О. В. Загар
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ДОЗЫ ЗАПРАВКИ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ С ПРОДОЛЬНЫМИ КАНАВКАМИ
Представлено уточнение метода определения оптимальной дозы заправки тепловых труб с продольными канавками, с точки зрения теории о заглублении радиуса мениска и самого мениска. В предложенной расчетной модели учитывается перепад температур на тепловых трубах (ТТ) с учетом блокирования жидкостью части конденсаторной зоны за счет технологии изготовления и эксплуатационных условий (температурный диапазон работоспособности ТТ). Проведен анализ трех видов профилей тепловых труб с продольными канавками.
Одной из важных конструктивных характеристик ТТ, предназначенных для работы в условиях отсутствия гравитации, является степень заполнения фитильной структуры жидким теплоносителем. Обычно ТТ заправляют с небольшим избытком теплоносителя относительно количества, необходимого для насыщения фитиля.
Однако избыток жидкости при работе ТТ может накапливаться в зоне конденсации, где возникает существенный градиент температур, как в случае наличия некон-денсирующихся газов. В результате чего либо уменьшается эффективная длина зоны конденсации за счет накопления избытка жидкости в конце конденсационной зоны,
