Орбитальные криогенные системы охлаждения фотоприемных устройств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

АИСТОВ Игорь Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность».

ЧЕРНОВ Герман Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».

КАТРИНА Марина Ивановна, магистрант группы ХТМ-513.

Адрес для переписки: yusha@omgtu.ru

Статья поступила в редакцию 17.10.2013 г.

© В. Л. Юша, И. П. Аистов, Г. И. Чернов, М. И. Катрина

УДК 621591 В. И. КАРАГУСОВ

В. Д. ГАЛДИН

Омский государственный технический университет

ОРБИТАЛЬНЫЕ КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

К орбитальным космическим аппаратам предъявляются повышенные требования по времени активного существования, энергопотреблению и массогабаритным характеристикам. Термоакустические системы охлаждения обладают длительным ресурсом, высокой надежностью. Для своей работы такие системы могут использовать тепловую энергию вместо электрической. Применение аккумуляторов теплоты и холода позволяет обеспечить работу системы охлаждения на освещенной и на теневой участках орбиты.

Ключевые слова: космические аппараты, системы охлаждения, термоакустика, фотоприемные устройства.

Тенденции последних лет показывают, что к орбитальным космическим аппаратам (КА) стали предъявляться повышенные требования по времени активного существования и по насыщенности оптико-электронной аппаратурой, что накладывает серьезные ограничения на ее энергопотребление и массогабаритные характеристики. Применение систем охлаждения в космической технике позволяет значительно улучшить ее тактико-технические характеристики, а в целом ряде случаев без систем охлаждения невозможно выполнение поставленных задач [1]. Бортовые криогенные системы охлаждения (КСО) предназначены для обеспечения крио-статирования фотоприемных устройств (ФПУ).

Температурный уровень, холодопроизводитель-ность, ресурс, надежность, энергопотребление, КПД, габариты и масса — основные параметры, по которым осуществляется выбор КСО. Численные значения этих параметров выбираются как исходя из требований приборов, так и возможностей космической техники. Практически во всех космических применениях требования по габаритам, массе и энергопотреблению должны быть минимальными. В ряде случаев, кроме требований по мощности, лимитируется и суточное энергопотребление [2].

Существующие КСО зачастую не удовлетворяют как по отдельным требованиям, так и по всему их комплексу. Они имеют недостаточную термодинамическую эффективность и, как следствие, высокое энергопотребление [3].

В настоящее время на борту КА в КСО наиболее широко используются газовые криогенные машины (ГКМ) Стирлинга и охладители на базе пульсацион-ной трубы [4]. Теоретические и экспериментальные

исследования показали принципиальную возможность создания ГКМ Стирлинга и охладителей на базе пульсационной трубы с линейным приводом с ресурсом работы 40000...50000 ч, достигаемым при помощи бесконтактного магнитного подвеса подвижных узлов. Использование редкоземельных материалов в качестве насадки регенератора ГКМ Стирлинга и охладителей на базе пульсационной трубы позволит улучшить энергетические и массогабаритные характеристики КСО на 20.30 % [5 — 8].

Схема бортовой КСО на базе ГКМ Стирлинга или пульсационной трубы приведена на рис. 1.

Система обеспечения теплового режима (СОТР) при помощи нагнетателя 7, пассивного радиатора-охладителя 8 и теплообменника 9 отводит теплоту сжатия от компрессора 4 за борт КА. Несмотря на развязку охладителя 3 от компрессора 4 через гибкую трубку 5 на чувствительные элементы ФПУ 2 передаются вибрации, что заметно ухудшает характеристики ФПУ 2 [2].

Уменьшить вибрации на ФПУ и энергопотребление позволяют магнитокалорические КСО, которые вырабатывают холод при помощи постоянного магнитного поля в твердых редкоземельных рабочих телах [9]. Бортовая КСО на базе магнитокалорического охладителя показана на рис. 2. В этой КСО холод вырабатывается в роторном магнитокалорическом охладителе 3, теплота намагничивания через теплообменник 9 отводится СОТР 6 в космическое пространство.

В ряде случаев для циркуляционных контуров роторных магнитокалорических ступеней КСО могут быть использованы не только механические, но и электростатические, электромагнитные нагнета-

Рис. 1. Бортовая КСО на базе ГКМ Стирлинга или пульсационной трубы: 1 — корпус КА; 2 — ФПУ; 3 — охладитель; 4 — компрессор;

5 — соединительная трубка; 6 — СОТР; 7 — нагнетатель СОТР;

8 — пассивный радиатор-охладитель СОТР;

9 — теплообменник охлаждения компрессора

Рис. 2. Бортовая КСО на базе магнитокалорического охладителя:

1 — корпус КА; 2 — ФПУ; 3 — роторный магнитокалорический охладитель; 4 — теплообменник нагрузки ФПУ;

5 — нагнетатель магнитокалорического охладителя;

6 — СОТР; 7 — нагнетатель СОТР;

8 — пассивный радиатор-охладитель СОТР; 9 - теплообменник отвода теплоты намагничивания

тели с длительным ресурсом работы и малым энергопотреблением [10, 11] (рис. 2).

На многих орбитальных КА наблюдается дефицит электроэнергии, причем не только в абсолютном выражении, но и в суточном энергопотреблении. Это связано с тем, что КА поочередно находится на освещенной и теневой участках орбиты [2].

Задачу дефицита электроэнергии наиболее эффективно, технически просто и надежно можно реализовать на термоакустическом эффекте, который заключается в том, что в прямом термодинамическом цикле тепловая энергия преобразуется в акустическую, а в обратном термодинамическом цикле акустическая энергия генерирует холод. Принцип действия термоакустических КСО описан в [12, 13].

Термоакустические КСО обладают рядом привлекательных для космической техники свойств: отсутствием механически подвижных деталей и узлов, что позволяет достичь длительного ресурса, высокой надежности и отсутствия вибраций; для своей работы они могут использовать не только электри-

ческую, но и тепловую энергию; такие КСО не требуют резервирования и обслуживания.

На рис. 3 приведена бортовая термоакустическая КСО с питанием от солнечной энергии с аккумуляторами теплоты и холода.

При движении КА по освещенной стороне орбиты теплота с солнечного концентратора 4 частично накапливается в аккумуляторе теплоты 10, а на теневой стороне — отдает теплоту термоакустическому охладителю, чем обеспечивает его работоспособность. Криогенный аккумулятор холода 11 запасает холод при работе термоакустической КСО на освещенной стороне и отдает запасы холодопроизво-дительности на теневой. Кроме того, криогенный аккумулятор холода 11 обеспечивает холодом переходные режимы и компенсирует нагрев ФПУ при нештатных засветках (рис. 3).

В заключение следует отметить, что термоакустические КСО могут работать практически от любого источника теплоты: изотопных источников, электрических нагревателей, работающих от сол-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

Рис. 3. Бортовая термоакустическая КСО с питанием от солнечной энергии: 1 — корпус КА; 2 — ФПУ; 3 — термоакустический охладитель;

4 — солнечный концентратор; 5 — теплопровод; 6 — СОТР;

7 — нагнетатель СОТР; 8 — пассивный радиатор-охладитель СОТР;

9 — теплообменники охлаждения термоакустического охладителя;

10 — аккумулятор теплоты; 11 — криогенный аккумулятор холода

нечных батарей, а в ряде случаев от теплоты, отводимой от оборудования КА.

Библиографический список

1. Карагусов, В. И. Комбинированные системы охлаждения для орбитальных комплексов / В. И. Карагусов, В. И. Ляпин, А. В. Громов // Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения : сб. докл. Технол. конгр. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2001. — Ч. 1. — С. 204 — 206.

2. Исследование принципов построения бортовых криогенных систем охлаждения на базе газовых криогенных машин Стирлинга для аппаратуры инфракрасного наблюдения / В. И. Карагусов [и др.] // Сб. научно-технических статей по ракетно-космической тематике. — Самара : ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», 2001. - С. 72-84.

3. Karagusov, V. I. Two-stage Gifford-MacMahon microcryogenic system for operation at subhelium temperature / V. I. Karagusov, N. V. Tyatyushkin, E. E. Karagusova // Chemical and Petroleum Engineering. — Vol. 45. — № 1-2. — 2009. — P. 77-80.

4. Karagusov, V. I. Nanocryogenic engineering / V. I. Ka-ragusov // Chemical and Petroleum Engineering. - Vol. 39. -№ 7-8. - 2003. - P. 400-408.

5. Применение сплавов редкоземельных металлов в регенераторах установок Гиффорда-Мак-Магона / В. Б. Анкудинов [и др.] // Известия Академии наук. - Энергетика. - 2003. -№ 6. - С. 97-101.

6. Карагусов, В. И. Двухступенчатая микрокриогенная система Гиффорда-Мак-Магона для работы на субгелиевом температурном уровне / В. И. Карагусов, Н. В. Тятюшкин, Е. Е. Карагусова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. - № 2. - С. 19-20.

7. Карагусов, В. И. Применение редкоземельных материалов в микрокриогенных системах / В. И. Карагусов, Е. Е. Ка-рагусова // Современные технологии при создании продук-

ции военного и гражданского назначения : сб. докл. Технол. конгр. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2001. - Ч. 1. - С. 206-208.

8. Карагусов, В. И. Создание баз данных теплофизических свойств редкоземельных материалов / В. И. Карагусов, Е. Е. Карагусова // Вестник Международной академии холода. - 2000. - № 3. - С. 32-33.

9. Grezin A. K. Analisis of the regenerative cycles in miniature magnetocaloric cryogenic system / A. K. Grezin, V. I. Karagusov, Y. M. Gorovoy // Proceedings of the XVIII Internetional Congress of Refrigeration. - Canada. - Montreal. - 1991 - V. 1. -P. 185- 189.

10. А. с. 1668726, МКИ F 04 B 43/04. Нагнетатель / В. И. Карагусов. - № 4718000/29 ; заявл. 11.07.89 ; опубл. . 07.08.91, Бюл. № 29. - 3 с.

11. А. с. 1756618, МКИ F 04 B 43/04. Реверсивный электростатический нагнетатель / В. И. Карагусов. - № 4699824/29 ; заявл. 01.07.89 ; опубл. 23.08.92, Бюл. № 31. - 3 с.

12. Карагусов, В. И. Бортовой термоакустический кондиционер на природном газе / В. И. Карагусов, П. С. Мальцев // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4. -С. 45-47.

13. Карагусов, В. И. Термоакустический ожижитель природного газа для заправки речных судов / В. И. Карагусов, В. Л. Юша, И. В. Карагусов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 2. - С. 66-68.

КАРАГУСОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология», академик РАЕН.

ГАЛДИН Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: karvi@mail.ru

Статья поступила в редакцию 14.10.2013 г.

© В. И. Карагусов, В. Д. Галдин