CC BY
76
C. M. Marrese, J. J. Blandio // AIAA-2000-3262, NASA/TM-2000-210364. 2000. September.
9. Новицкий, Л. А. Оптические свойства материалов при низких температурах : справ. / Л. А. Новицкий, Б. А. Степанов. М. : Машиностроение, 1980.
10. Physics of thin films. Advanced in Research and Development / guest editor : M. H. Francombe and R. W. Hoffman. Vol. VI. Academic Press, 1971.
A. B. Nadiradze, V. V. Shapospnikov, V. A. Smirnov, I. A. Maximov, S. G. Kochura
CRITERION CHOICE AND TAKING INTO ACCOUNT THE CONTAMINATION FILMS COMPOSITION AT THE ESTIMATION OF THE JOINT CONTAMINATING INFLUENCE OF THE OWN EXTERNAL ATMOSPHERE AND STATIONARY PLASMA THRUSTERS
It is viewed the criteria, used at the estimation of the joint contaminating influence of the own external atmosphere and plasma, generating by stationary plasma thrusters. It is proved the transition from «deposited mass» criteria to the «optical degradation». It is proposed the interpolatory model, which allows to estimate the change of the optical characteristics of the functional surfaces of the spacecraft. The influence of the metal particles, which are the part of the dispersion product on the optical characteristics of the covering, is viewed.
ХЦК 629.78.06-533.6:658.652
А. А. Логанов
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОФИЛЯ АКСИАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Предложена методика выбора наилучших конструктивных параметров и показателей эффективности компонентов системы терморегулирования малых космических аппаратов в условиях производственных и финансовых ограничений. На основании анализа статистического материала по профилям аксиальных тепловых труб предлагается методика определения геометрических параметров профиля эффективной тепловой трубы для любых условий эксплуатации.
В последние годы широкий диапазон практических задач возлагается на мини- и микроспутники. Малые массы таких аппаратов (50-300 кг) позволяют повысить эффективность решения данных задач за счет значительного удешевления доставки на рабочую орбиту. Обеспечение тепловых режимов модуля служебных систем и целевой аппаратуры таких спутников традиционно осуществляется с помощью тепловых труб (ТТ). Наибольшее распространение получили ТТ из алюминиевых профилей с аксиальными канавками (аксиальные ТТ). Следует отметить, что наличие достаточно эффективных конструкций ТТ является одним из немногих условий, возможность удовлетворения которых означает в принципе саму техническую возможность создания КА малого класса. Основным фактором, снижающим общую эффективность применения ТТ на мини- и особенно микроспутниках, является проблема весовой эффективности. Масса ТТ обусловлена конструктивными соображениями, т. е. их количество, форма и длина продиктованы системными требованиями по обеспечению теплового режима приборов КА. Это означает, что снижение их массы может быть осуществлено только за счет уменьшения площади поперечного сечения, что, в свою очередь, возможно только при условии применения максимально эффективных профилей ТТ.
В условиях, когда возможность унификации конструкции тепловых труб, устанавливаемых на разные мини- и
микроспутники, минимальна, наличие метода, обеспечивающего надежные экспресс-прогноз величины теплопередающей способности проектируемой ТТ, дает преимущество в массе КА разработчику, владеющему таким методом.
С целью исследования эффективности различных вариантов профилей ТТ были обработаны экспериментальные данные по 25-ти различным ТТ [1; 2]. Все варианты профилей можно разбить на две группы - с осевыми канавками сложной (трапециеидальной, бульбовидной) формы (рис. 1, 2) и прямоугольной формы (рис. 3).
Задача исследования - определить зависимость показателя эффективности ТТ с аксиальными канавками от геометрических параметров их профиля для заданных теплофизических характеристик применяемой в ТТ рабочей среды - аммиака. В качестве показателя эффективности использовалась теплотранспортная способность, которая оценивалась по величине 2Ь, где 2 - значение отводимой с помощью ТТ тепловой энергии, Ь - эффективная длина ТТ. При оценке эффективности ТТ рассматривается как абсолютная эффективность ТТ, так и относительная весовая эффективность.
Критерии качества профиля аксиальной ТТ. Цля оценки эффективности ТТ исследованы две зависимости: зависимость <2Ь от площади канавок в поперечном сечении и условный скоростной критерий. Зависимость теп-
лопередающей способности QL аммиачных ТТ от площади поперечного сечения капиллярной структуры Г для двух групп профилей приведена на рис. 4. Значению Г соответствует заштрихованная область на рис. 2, в, она определяется по чертежу профиля.
А(10:1) О
Рис. 1. Типы профилей ТТ с аксиальными канавками бульбовидной формы
18
Рис. 2. Типы профилей ТТ с аксиальными канавками трапециеидальной формы
I
Так, зависимость 2Ь =$Р) разделяется на две ветви. Ветвь
1 объединила профили бульбовидного типа (рис. 1, в). Такие профили, в отличии от изображенных на рис. 1, а, обеспечивают высокое значение капиллярных сил и низкие гидравлические потери в капиллярной структуре.
Второй критерий сопоставляет две величины скорости. Первая величина рассчитывается исходя из величины
2 для Ь = 1м, при известном г, т. е. значении скрытой теплоты парообразования рабочей жидкости - аммиака:
V = едгрп (1)
где 21 - значение отводимой тепловой мощности, приведенное к эффективной длине ТТ 1 м; г - скрытая теплота парообразования рабочего тела; р - плотность жидкого аммиака; F - расчетное значение площади капиллярной структуры в поперечном сечении ТТ.
А
1 /
\; 4
>
г
* 2
^ мм
350 300 250 200 150 100 50
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Рис. 4. Зависимость QL от площади капиллярной структуры: 1 - точки экспериментальных результатов и квадратичной аппроксимации для профилей с аксиальными канавками бульбовидной формы; 2 - экспериментальные значения и их квадратичная аппроксимация для всех остальных типов профилей
Вторая величина скорости Укс получается при приравнивании силы капиллярного давления Рс к динамической составляющей давления рабочей жидкости, фактически - условного скоростного напора:
1/2 • Р^кс=Ро где Рс вычисляется по формуле [3]
РС =2 а/г ,
С wy
где а - сила поверхностного натяжения рабочей жидкости при расчетной температуре, гw - эквивалентный радиус канавки.
Окончательно расчетная скорость капиллярного напора рассчитывается по формуле
У*с =
(2)
Рис. 3. Типы профилей ТТ с аксиальным канавками прямоугольной формы
Зависимость (4) для 25-ти вариантов профилей ТТ отражена на рис. 5.
Так, наибольшая эффективность наблюдается у показанных профилей. Однако следует отметить, что попытка изготовления таких профилей ТТ с малым наружным диаметром (8 мм и менее) приводит к «вырождению» профиля, что выражается в уменьшении внутреннего диаметра ТТ и в снижении относительной площади капиллярной структуры. При значительном уменьшении наружного диаметра бульбовидного профиля ухудшает-
ся соотношение капиллярных сил и сил гидравлического сопротивления. В таких условиях бульбовидный профиль по своим теплопередающим характеристикам начинает уступать трапециеидальному.
Рис. 5. Зависимость показателя скорости V от расчетной
г исп г
капиллярной скорости VKc 1 - результаты эксперимента и квадратичной аппроксимации для профилей с аксиальными канавками бульбовидной формы;
2 - остальных типов профилей ТТ
Для исследования эффективности профилей ТТ по двум критериям - веса и теплопередающей способности - была рассмотрена зависимость k = k(D), (рис. 6), где D - наружный диаметр цилиндрической части профиля ТТ, а k определяется в виде
k = QL/(l{ Fp), где l} - фактическая длина ТТ эффективной длиной 1м с учетом герметизации на торцах, м.
90
70
во
50
40
30
20
10
0
k Дж/кг
1
♦
2 \ / ч 4
\
V г 2^3
♦ ** * ♦ — ♦
D, мм
0
10
15
20
д0/2г1/4
8w _ a
j _ A~ 1/4 rl/2^ 1/2
L p L а
Fw„
где § - толщина пограничного слоя; L - эффективная длина ТТ, А - коэффициент, зависимый от температуры, в условиях поставленной задачи может считаться постоянным, р - плотность жидкой фазы рабочего тела, - динамическая вязкость [4], н’т-п - минимальная ширина канавки профиля,р - периметр канавок профиля.
Найденный критерий эффективности профиля ТТ сформирован, исходя из физических свойств рабочей жидкости и геометрических характеристик профиля ТТ. В качестве исходных предпосылок приняты следующие:
- падение величины отводимой тепловой мощности обусловлено потерями трения в осевых канавках, при этом течение в канавках представляет собой слившийся пограничный слой;
- характерная скорость течения в канавках обусловлена действием капиллярных сил (2);
- толщина пограничного слоя связана с эффективной длиной ТТ соотношением [5]
8
L
_A
1
puL
До
Рис. 6. Зависимость удельной теплопередающей способности ТТ от наружного диаметра: 1 - профили с аксиальными канавками бульбовидной формы; 2 - профили с аксиальными канавками трапециедальной формы; 3 - все остальные типы профилей; 4 - предполагаемая зависимость к от В для профилей с аксиальными канавками бульбовидной формы
Приведенная методика позволит выбрать профили ТТ, которые при заданной тепловой нагрузке отличаются наименьшим весом.
Цля оценки соответствия профиля ТТ применяемой рабочей среде и рабочему диапазону температур сформирован общий критерий эффективности:
V = ЛКъ/Ь), (3)
где
где § - толщина пограничного слоя, L - эффективная длина ТТ, А - коэффициент, зависимый от температуры, в условиях поставленной задачи может считаться постоянным, р - плотность жидкой фазы рабочего тела, и - характерная скорость жидкой фазы в капиллярной структуре (2), О0 - динамическая вязкость [3];
- минимальная ширина канавки ^ . пропорциональна толщине пограничного слоя;
- эффективная скорость движения рабочего тела по канавкам (1) рассчитывается исходя из величины Q для L = 1м при известном г, т. е. значении скрытой теплоты парообразования жидкой фазы - аммиака.
Зависимость (3) применительно к результатам испытаний 25-ти различных профилей ТТ показана на рис. 7 К 0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
Д— -3
п /
/ , ♦
V
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
6w/L
Рис. 7. Зависимость показателя эффективности от параметра ёш/Ь: 1 - бульбовидные профили; 2 - прямоугольные и трапециеидальные; 3 - огибающие для наиболее эффективных профилей каждого типа
Результаты оценки эффективности профилей ТТ для общего случая разделены на две группы: для бульбовид-ных профилей - точки 1, для прямоугольных и трапецие-идальных - точки 2. Соответственно, с помощью зависимости (3) необходимые геометрические параметры профиля ТТ могут быть определены для общего случая с
з
помощью верхней огибающей (рис. 7), для ТТ малого диаметра В (менее 10 мм) помощью верхней огибающей.
Итак, в ходе исследования получены критерии оценки эффективности профиля аксиальных ТТ, использующих в качестве рабочего тела аммиак, а также критерии оценки эффективности профиля аксиальной ТТ для общего случая, которые может быть использован и для проектирования профилей под любую рабочую среду в любых условиях.
Библиографический список
1. Оптимизация геометрии конструкции капиллярной структуры ТТ из алюминиевых профилей / К. Г. Смирнов-Васильев [и др.] // Современное состояние разрабо-
ток и применение тепловых труб в космической технике и товарах народного потребления : сб. докл. Межреспубл. научно-практ. конф. Kрасноярск-26, 199З. С. 109-119.
2. Investigation Performance of Axial Grooved Heat Pipes with High Thermal Capacity I V. Barantsevich [et al.] IIHeat pipes. Science Technology Application: Pros. of the 12th Int. Heat Pipe Conf. Moscow-Samara. 2002. P. 489-49З.
3. Чи, С. Tепловые трубы: теория и практика I С. Чи. М. : Машиностроение, 1981. 207 с.
4. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей I Н. Б. Варгафтик. М. : Наука, 1972, 720 с.
5. Гинзбург, И. П. Tеория сопротивления и теплопередачи I И. П. Гинзбург ; Лениград. горс. ун-т им. А. А. Жданова. М. : Машиностроение, 1970, З76 с.
A.A. Loganov
ESTIMATION OF EFFICIENCY OF A STRUCTURE OF AXIAL THERMAL PIPES OF SMALL SPACE VEHICLES
The technique of choice of the best design data and parameters of the small space vehicles thermal control system efficiency of components in conditions of industrial and financial restrictions is offered. By results of the analysis of a statistical material on axial thermal pipes structures the technique of calculation of effective heat pipe structure geometric parameters for any operating conditions is offered.
ХЦК629.78
Ц. Ю. Щербинин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВИРТУАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ПОЛУЧЕННЫХ НА БОРТУ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
Рассматриваются вопросы использования информационных технологий при анализе визуальной информации, поступающей с борта Международной космической станции. В качестве решения задачи повышения информативности изображений земной поверхности предлагается использовать на борту станции метод стереосъемки, а для визуализации данных - систему виртуального окружения.
Анализируется опыт использования средств получения стереоизображения в космосе, рассматривается перспектива использования систем виртуальной реальности при визуализации изображений земной поверхности, а также при подготовке экипажей пилотируемых космических аппаратов.
На протяжении более 40 лет космической эры средства наблюдения, устанавливаемые на борту отечественных орбитальных станций, активно развивались и совершенствовались, что позволяло получать достоверную информацию в интересах науки, народного хозяйства и безопасности страны.
Очередным шагом в развитии российской космонавтики является сотрудничество в рамках программы Международной космической станции (МКС). Орбита МКС дает возможность обозревать 85 % поверхности Земли, где проживает 95 % населения планеты, поэтому использование станции для решения задач дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является актуальным. Это, прежде всего, мониторинг районов природных и техногенных катастроф, экологических зон, прогнозирование природ-
ных явлений, своевременное обнаружение объектов. Однако изменения в планах развертывания МКС привели к существенному сокращению количества бортовых средств ДЗЗ российского сегмента (РС) МКС. В настоящее время основным источником информации о поверхности Земли являются оптико-электронные средства. Таким образом, задача повышения информативности изображений земной поверхности, полученных с помощью бортовых фото-, видеосредств, является актуальной. Одним из путей ее решения может стать использование методов получения стереоизображения на борту МКС.
Космические системы стереосъемки земной поверхности. В основе пространственного восприятия лежит бинокулярный параллакс (binocular stereopsis) - построение объемного зрительного образа на основе разли-
