CC BY
168
УДК 536.248
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РЭА
©2009 В. В. Бирюк1, А. И. Китаев2
1 Самарский государственный аэрокосмический университет Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс»
Приведены анализ и результаты экспериментальных исследований по разработке и изготовлению профилированных тепловых труб для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры ракетных двигателей и разгонных блоков.
Тепловая труба, профиль тепловой трубы, термостатирование РЭА, теплопроизводительность
Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) ракетных двигателей и разгонных блоков является одной из актуальных задач. Стремление снизить тепловые потери при передаче тепла от более горячего источника к более холодному, борьба за снижение массы теплопередающих устройств, устанавливаемых на ракетных двигателях и разгонных блоках невозможна без применения тепловых труб. Применение медных тепловых шин и медных теплопроводных стержней, имеющих термическое сопротивление от 2 до 15 К/Вт при теплопередаче на 1м длины, в настоящее время непозволительная роскошь для космических аппаратов, разгонных блоков и ракет.
Применение тепловых труб на предприятии ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» проходило с переменным успехом. Первый опыт предприятие получило в 1970-74 годах, когда совместно с Куйбышевским политехническим институтом, ныне СамГТУ, была создана первая экспериментальная установка. Она представляла собой разветвленную пористую поверхность, с одной стороны к которой подводилась тепловая нагрузка, с другой тепловая нагрузка излучалась в космическое пространство. Это был своеобразный прообраз каскада тепловых труб в одной конструкции. Толщина спеченной пористой структуры составляла около 80 мм, ширина каждого из 6 параллельных каналов 150 мм. Экспериментальная установка была создана, прошла наземные испытания и готовилась к запуску в 1975 г. Её удельный вес составлял около 15 кг/м2. Теплопроизводительность около 100 Вт/м2. Высокий удельный вес конструкции и отсутствие ближай-
шей перспективной задачи для данной конструкции привёло к тому, что установка не была запущена, работы по разработке тепловых труб приостановлены, приостановлено было и финансирование работ. В результате чего более 20 лет предприятие не занималось этим направлением, велись традиционные серийные разработки с использованием газожидкостных систем обеспечения теплового режима.
Однако с 1995 года в связи с наметившейся тенденцией отхода в конструкции КА от герметичных отсеков и борьбой за снижение массы КА и ракетных двигателей вопрос о применении тепловых труб стал подниматься вновь. Работы по разработке собственных тепловых труб начали вести с Самарским государственным университетом (Сам ГУ).
Дальнейшие этапы создания тепловых труб на предприятии «ЦСКБ-Прогресс» представлены ниже:
1975 г. - первая экспериментальная ТТ;
1986г. - исследование ТТ разработки РКК «Энергия»;
1995г. - исследование ТТ с прямоугольными канавками;
1995г. - исследование медных ТТ с пористой структурой;
2000г. - собственная разработка ТТ с сетчатой структурой;
1998-2003 гг. - исследование сотопане-лей с ТТ НПП «ТАИС»;
2004г. - работа с НТТУ «КПИ» (г. Киев) и ИЦ им. Келдыша;
2006г. - запуск КА «Ресурс-ДК» с ТТ сетчатой структуры (4 шт.).
Было создано несколько аксиальных тепловых труб с прямоугольными канавками (профили были получены в РКК «Энергия») и несколько медных тепловых труб с пористой структурой из спечённого порошка (Минский институт порошковой металлургии).
Проводимые исследования показывали достаточную эффективность тепловых труб, но одновременно с этим отразили сложность технологии изготовления этих устройств, особенности наземной эксплуатации и необходимости учёта отличий процессов кипения теплоносителя внутри тепловых труб в условиях невесомости относительно наземных испытаний.
При выборе оптимального профиля для тепловых труб было произведен сравнительный анализ различных изготовителей тепловых труб.
Сравнительные характеристики тепловых труб различных производителей представлены на рис. 1 - 4:
(J, II г*и
Рис.1. НТУУ “КПИ” (Украина) Ut м ЛПЛ_______
2011._____
ISO-_____
lflft____
fo:
_i_________________________і—
fil) 4ft Jil і 4Л fill in
1.4 '
Рис.2. Aerospatiale (Франция)
■ J-Í Г—_ _1_ г __
Т г ___
1 GO А 0 - 1 НІ і ' 1 № 4 1 0 Ъ 9 1
і), Г.т гіі
Ркс.З. НПО ПАЇ, ВІІЛС (Россия)
1.
‘ 1-ш_т г.
г" і (til - і і і и и ;о ■ 1 il 1) 1 Ü }
W
ТА
Рис. 4. MBB-ERNO (Германия)
На основании проведенного анализа дальнейшие работы по тепловым трубам ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» проводило с профилями тепловых труб НТУУ “КПИ” (Украина). Типы применяемых профилей представлены на рис. 5, их технические характеристики на рис.б.
Al ЕЛ V Е /іаі YTA'-.i Р.
ЛЇПї&їгУК .V.WAJ.HR
*г i:i% ■■■ri
Рис. 5. Типы профилей разработки НТУУ “КПИ” (Украина)
Рис. 6. Максимальная теплопроизводительность ТТ из профилей НТУУ “КПИ” (Украина)
Совместно с ФГУП ИЦ им.Келдыша и СамГУ ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» разработало и испытало собственные тепловые трубы из профиля АС-КРА7.5-Р1.
Испытаниям в лабораториях ФГУП ИЦ им.Келдыша и СамГУ подвергались ТТ различных типоразмеров и конфигураций из профилей с высотой (наружным диаметром) Н=14 мм: АС-КРА7.5-Р1-30 и АС-КРА7.5-Р1-120. Здесь параметры 30 и 120 обозначают ширину полок ТТ.
Результаты испытаний одной из тепловых труб представлены на графиках (рис.7).
Говоря о тепловых трубах нельзя не сказать о контурных тепловых трубах, которые иногда называют антигравитационными тепловыми трубами. Дело в том, что они не изменяют свои характеристики при изменении разности высот между зоной испарения и зоной конденсации. В настоящее время «пионерами» во внедрении этого направления являются НПП «ТАИС» (г.Москва) и институт теплофизики УО АН (г.Екатеринбург).
В качестве альтернативного варианта для КА «Ресурс-ДК» ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» совместно с НПП «ТАИС» с 1998 по 2003 г. велись работы по разработке со-топанели со встроенными тепловыми трубами и контурной тепловой трубой. При этом обеспечение теплового режима приборов, размещенных на термоплате, обеспечи-
валось за счет отвода тепловой нагрузки посредством контурной тепловой трубы (КТТ) с регулятором давления. НПП «ТАИС» поставило термоплату и контурную тепловую трубу с заданными ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» характеристиками. Испытания проводились на экспериментальной базе «ЦСКБ-Прогресс». Результаты испытаний докладывались в сентябре 2008г. на международной конференции по тепловым трубам в г. Минске (1).
Е
Сі
I/
П
п V
/ ■ : ,У
1
-4
гс:
20:с -:ос е:о о:з:і ж
Пптіпі;іьттпп?Е('п п™.
1^: :э
і
5
5
—
Ф
С
и
:'5: о -
;о:о-
* * -
* 1-Л
■ I Г Т=4
5:о
.'.т :'ґіГі"і .¿'.т чті.1. ^.пґі 7...Г1 гїїі:. ті.1.:. і:іїті Платность тї пловога потока.
Рис. 7. Характеристики ТТ из профиля АС-КРА7.5-Р1-30 длиной 1840мм и радиусом гиба 1000мм
Общий вид миниатюрных контурных тепловых труб представлен на рис. 8.
Активное внедрение тепловых труб и контурных тепловых труб в разработке космических аппаратов как в России, так и Европе и США говорит об их достаточной технологической отработке и эффективности и необходимости их внедрения в конструкцию ракет и разгонных блоков.
Рис. 8. Миниатюрная контурная тепловая труба Термическое сопротивление: 0,02-0,1 К/Вт
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. Применение ТТ для термостатиро-вания РЭА, имеющих термическое сопротивление от 0.01 до 0.1 К/Вт - значительный шаг по сравнению с медными тепловыми шинами и медными проводящими стержнями.
2. Технология изготовления ТТ в настоящее время отработана и позволяет их широкое внедрение в аэрокосмической сфере, а также в народном хозяйстве.
3. Опыт эксплуатации КА «Ресурс -ДК» и других КА, созданных в России, подтверждает работоспособность и конкурентоспособность отечественных тепловых труб.
Библиографический список
1. Китаев, А.Н. Результаты наземных испытаний профилированной тепловой трубы, используемой для поддержания тепловых условий оборудования/ А.И. Китаев,
B.Н. Царьков, Е.С. Гаврилова//Тепловые трубы, тепловые насосы, рефрижераторы, энергетические источники: программа 7-й Междунар. конф. Минск, Беларусь, 2008.-
C.157-160
References
1. Kitaev A.I., Tsarkov V.N., Gavrilova E.S. Ground testing results of loop heat pipe used to maintain thermal conditions of equipment //Proc. of 7th Minsk Int. Seminar “Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators, Power Sources”, Minsk, Belarus, 2008, pp157-160.
HEAT-PIPES’ APPLICATION FOR COOLING OF COMMUNICATION S-ELECTRONICS EQUIPMENT
©2009 V. V. Biryuk1, A. I. Kitaev2
Samara State Aerospace University 2State Scientific Production Space-Rocket Centre “TsKB Progress”
In thus paper it is shown analysis and results of experimental research of design and making shaped heat-pipes in order to cool communications-electronics equipment of rockets’ engines.
Heat-pipe, shape of heat-pipe, cooling of communications-electronics equipment, thermal output
Информация об авторах
Бирюк Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры Теплотехники и тепловых двигателей Самарского государственного аэрокосмического университета. Тел. (846) 335-18-12. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: тепломассообмен, термодинамика.
Китаев Александр Ирикович, начальник отдела Государственного научнопроизводственного ракетно-космического центра «ЦСКБ-Прогресс». Тел. (846) 270-56-12. Область научных интересов: тепломассообмен, термодинамика, тепловые трубы.
Biruk Vladimir Vasiljevich, doctor of engineering science, professor of the department of thermotechnics and heat engines of Samara State Aerospace University. Phone: (846) 335-18-12. E-mail: [email protected]. Area of research: thermodynamics, diffusion and heat-mass exchange processes.
Kitaev Aleksandr Irikovich, group director of «Progress» Design Bureau. Рhone: (846) 27056-12. Area of research: thermodynamics, diffusion and heat-mass exchange processes.
