CC BY
24УДК 629.78.001.5
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ В ИСТОЧНИКЕ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ЛУННОЙ СТАНЦИИ
К. Н. Виноградов1, С. Е. Кухтарь1, И. Я. Шестаков2, А. А. Фадеев2, Ц. Г. Надараиа3
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3ООО «Конструирование, внедрение образцов новой техники» Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 75 E-mail: V1nogradov-KN@yandex.ru
Рассматривается вариант отведения тепла от активной части источника электроэнергии для лунных станций с помощью тепловых труб.
Ключевые слова: накопитель энергии, система электропитания, тепловая труба.
APPLICATION OF THERMAL PIPES IN THE SOURCE OF UNINTERRUPTED POWER SUPPLY FOR THE ENERGY SUPPLY OF THE LUNAR STATION
K. N. Vinogradov1, S. E. Kuhtar1, I. Ja. Shestakov2, A. A. Fadeev2, C. G. Nadaraia3
1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 1LLC "Design, implementation of new equipment" 75, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: V1nogradov-KN@yandex.ru
The authors consider a variant of heat removal from the active part of the electric power source for lunar stations using heat pipes.
Keywords: energy storage device, the power supply system, heat pipe.
На существующем этапе развития космонавтики планируется в дополнение к научным задачам промышленное освоение Луны, которое подразумевает организацию транспортных потоков «Земля-Луна-Земля», а также перемещение по поверхности Луны и вблизи ее поверхности мобильных транспортных средств.
Решение вышеперечисленных задач потребует создания на постоянной основе информационной окололунной спутниковой системы длительного функционирования, состоящей из отдельных станций, для обеспечения связью и навигацией мобильных транспортных средств на поверхности Луны и вблизи ее [1].
Основной источник (комплект солнечных и аккумуляторных батарей) обеспечивает электропитание при средней мощности, а вспомогательный (гибридный накопитель с АБ, представленный в работе [2]) -при пиковых нагрузках во время нерасчетных режимов работы станции для поддержания ее «живучести», снятия телеметрии и выдачи команд радиоуправления в случаях возможных аварийных ситуаций генератора электроэнергии.
Режимы работы источников согласуются для нормального функционирования всей энергетической установки.
При вращении маховика гибридного накопителя происходит выделение тепла в активных частях двигателя и генератора, поэтому при конструировании установки необходимо организовать принудительное охлаждение. Передача тепла из зоны вращения маховика на панель-радиатор для охлаждения установки является важным моментом. Данная задача решается с помощью тепловых труб (ТТ) [3].
На рис. 1 представлена трубчатая тепловая труба. Данный тип ТТ представляет собой герметичную закрытую полость цилиндрической формы, один конец которой герметизирован заглушкой, а другой конец снабжён заправочным штуцером. Внутренняя поверхность тепловой трубы выложена капиллярно-пористым фитилем. В качестве фитиля используется проволочная сетка материалы их спечённого металлического порошка или узкие продольные канавки в корпусе тепловой трубы. Фитиль насыщен жидкой фазой теплоносителя, а оставшийся центральный объём трубы заполнен его паровой фазой.
Космическое и специальное электронное приборостроение
Рис. 2. Тепловая труба плоского типа
Рис. 3. Контурная тепловая труба
Тепло от внешнего источника вызывает испарение теплоносителя в зоне нагрева тепловой трубы, пар за счёт возникающей разницы давлений уходит в зону конденсации, отдавая скрытую теплоту парообразования. Восполнение теплоносителя в зоне испарения осуществляется за счёт капиллярного давления [4].
Тепловые трубы плоского типа, представленные на рис. 2, содержат множество микро-ТТ трубчатого типа, объединенных в одну общую панель. Конструктивно плоские ТТ - тонкая пластина, содержащая пористую структуру (фитиль), заполненную жидким теплоносителем в двухфазном состоянии: газообразном (пар) и жидком. Фитиль обеспечивает распределение теплоносителя по все поверхности гипертепло-проводящей пластины и создает изотермическую поверхность (панель) с малым перепадом температур по толщине. В этом случае тепло может передаваться как вдоль одного из направлений в плоскости панели, так и поперек [5].
Контурные тепловые трубы (КТТ) (рис. 3) состоят из испарителя и конденсатора, соединённых отдельными гидравлическими трактами для транспортиро-
вания жидкого и парообразного теплоносителя от зоны испарения к зоне конденсации, что позволяет увеличить длину гидротракта [3; 6].
Тепло от прибора подводится к испарителю, который одновременно является и капиллярным насосом. Внутри испарителя имеется капиллярная структура, гидравлически связанная с гидроаккумулятором. Внутри гидроаккумулятора всегда имеется теплоноситель в жидкой фазе, поэтому капиллярная структура испарителя заполнена жидкостью. При испарении в капиллярном насосе теплоноситель в виде пара вытесняется в ведущий к конденсатору паропровод за счёт капиллярных сил. После конденсации теплоноситель возвращается в гидроакуумулятор, внутри которого теплоноситель находится как в жидкой, так и в газообразной фазе.
Использование КТТ имеет ряд плюсов:
- обладают низким термическим сопротивлением;
- сохраняют высокую теплопередающую способность при любых положениях в пространстве;
- способны работать в широком диапазоне температур;
- легко конфигурируются и допускают разнообразные конструктивные воплощения;
- хорошо адаптируются к различным стокам тепла.
КТТ могут успешно использоваться в системах
терморегулирования космических аппаратов, для охлаждения теплонапряженных компонентов и РЭА.
Заключение. В статье рассмотрен один из вариантов отведения тепла от активной части источника электроэнергии для лунных станций. Предполагается использование контурных тепловых труб в связи с их вариативностью геометрии и способностью работать в широком диапазоне температур.
Рациональный выбор основных элементов системы электропитания для решения конкретных задач позволяет оптимизировать технические, массогаба-ритные и стоимостные характеристики лунной станции в целом.
Библиографические ссылки
1. Концепция построения триангуляционной селе-нодезической сети / В. Е. Чеботарев, В. Д. Звонарь, О. Б. Грицан, А. А. Внуков // Исследования Наукограда. 2014. № 2 (8). С. 4-9.
2. Повышение энергетической эффективности системы электропитания перспективных космических аппаратов / Ц. Г. Надараиа [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 4. С. 983-988.
3. Система терморегулирования для твердотельных лазеров на основе контурной тепловой трубы / Ю. Ф. Майданик [и др.] // Тепловые процессы в технике. 2013. Т. 5, № 2. С. 85-92.
4. Плоские тепловые трубы для отвода тепла от электронной аппаратуры в космическом аппарате / В. А. Деревянко [и др.] // Вестник СибГАУ. 2013. № 6 (52). С. 111-116.
5. Герасимов Ю. Ф., Долгирев Ю. Г., Гадель-шин М. Ш. Крупногабаритные плоские тепловые трубы // II Минский международный форум «Тепломас-собмен ММФ-1992». Минск : Академия наук Беларуси «АНК Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова», 1992. Т. VII Тепломассообмен в капиллярно-пористых средах. С. 108-114.
6. Ферштатер Ю. Г. Аналитическое исследование и основы инженерного расчета КТТ // Тепловые трубы: теория и практика / Материалы международной школы-семинара. Минск, 1990. Ч. 1. С. 87-94.
References
1. Kontseptsiya postroeniya triangulyatsionnoy se-lenodezicheskoy seti [The concept of constructing a triangular selenide network] / V. E. Chebotarev, V. D. Zvonar', O. B. Gritsan, A. A. Vnukov // Issledovaniya Naukograda, 2014. № 2 (8). Р. 4-9.
2. Povyshenie energeticheskoy effektivnosti sistemy elektropitaniya perspektivnykh kosmicheskikh apparatov [Increasing the energy efficiency of the power supply system of advanced space vehicles] / Ts. G. Nadaraia [et al.] // Vestnik SibSAU. 2016. T. 17, № 4. Р. 983-988.
3. Sistema termoregulirovaniya dlya tverdotel'nykh lazerov na osnove konturnoy teplovoy truby [Thermal control system for solid-state lasers based on a contour heat pipe] / Yu. F. Maydanik [et al.] // Teplovye protsessy v tekhnike. 2013. T. 5, № 2. Р. 85-92.
4. Ploskie teplovye truby dlya otvoda tepla ot elek-tronnoy apparatury v kosmicheskom apparate [Flat heat pipes for removing heat from electronic equipment in the spacecraft] / V. A. Derevyanko [et al.] // Vestnik SibSAU. 2013. № 6 (52). Р. 111-116.
5. Gerasimov, Yu. F., Dolgirev Yu. G., Gadel'shin M. Sh. Krupnogabaritnye ploskie teplovye truby [Large-sized flat heat pipes] // II Minskiy mezhdunarodnyy forum "Teplomassobmen MMF-1992". Minsk: Akademiya nauk Belarusi "ANK Institut teplo- i massoobmena im. A. V. Lykova", 1992. T. VII Teplomassoobmen v kapillyarno-poristykh sredakh. Р. 108-114.
6. Fershtater Yu. G. Analiticheskoe issledovanie i os-novy inzhenernogo rascheta KTT [Analytical study and basis of engineering calculation of contour heat pipe] // Teplovye truby: teoriya i praktika / Materialy mezhdunarodnoy shkoly-seminara, Minsk, 1990. Ch. 1. Р. 87-94.
© Виноградов К. Н., Кухтарь С. Е., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Надараиа Ц. Г., 2018
