CC BY
63Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения
УДК 536.24
РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ РАДИАТОРА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
А. В. Делков, М. М. Попугаев, Ю. Н. Шевченко, А. А. Ходенков, М. Г. Мелкозеров
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматривается проблема расчета температурного поля секции радиатора-излучателя системы терморегулирования космического аппарата. Приводится описание основных характеристик радиатора и его расчетная схема. Описывается система уравнений для моделирования. Приводятся и анализируются результаты расчета.
Ключевые слова: температурное поле, радиатор-излучатель, система терморегулирования.
CALCULATING THE TEMPERATURE FIELD OF THE RADIATOR OF THE SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEM
A. V. Delkov, M. M. Popugaev, Yu. N. Shevchenko, A. A. Khodenkov, M. G. Melkozerov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This article covers the problem of calculating the temperature field of the radiator section of the spacecraft thermal control system. It describes the main characteristics of the radiator and its design scheme. The system of equations for modeling is described. The calculation results are presented and analyzed.
Keywords: temperature field, radiator, thermal control system.
Рассматривается вопрос расчета поля температур на радиационной панели космического аппарата, предназначенной для отвода тепловой энергии в космическое пространство. В космических системах подобные панели являются важной частью системы терморегулирования [1; 2].
Радиационная панель является одним из значимых элементов системы терморегулирования (СТР) [3]. В условиях космоса радиационный сброс является преимущественным способом удаления тепла с космического аппарата. Рассмотрим секцию радиатора-излучателя (рис. 1), которая конструктивно представляет собой трубу с теплоносителем, соединенную с радиационной панелью. С одной стороны секция контактирует с потоком теплоносителя, - соответственно идет теплоотдача от теплоносителя в стенку; другая сторона панели является радиационной, с которой тепловой поток сбрасывается в открытый космос. Секции группируются в панели радиаторов-излучателей.
Одной из основных расчетных задач для данной системы является задача расчета поля температур для твердого тела (радиатор-излучатель). От распределения температур существенным образом зависит излу-чательная способность радиатора.
Для определения температурного поля радиатора-излучателя используется уравнение теплопроводности [4]:
pcv = V -(kVT)..
dt
(1)
Граничные условия уравнения для задачи, представленной на рис. 1, запишутся следующим образом: для поверхности конвективного теплообмена:
дп
di a ndoa й
= a(Tfl-_);
для радиационной поверхности:
, дТ
дп
dia R
= ест(_4 -T0ut ) + qs;
для адиабатических стенок:
дТ
k-
дп
= 0.
(2)
(3)
(4)
В этих уравнениях р - плотность твердого тела; су - теплоемкость; Т - температура; t - время; к - теплопроводность; а - коэффициент теплоотдачи; п -нормаль к поверхности; е - степень черноты; с - постоянная Стефана-Больцмана; Та - температура потока жидкости для конвективного теплообмена; ТоШ - температура окружающей среды для радиационного теплобмена; - солнечный тепловой поток.
Уравнение (1) совместно с граничными условиями (2-4) позволяет определить температурное поле радиатора излучателя при заданных конструктивных и режимных параметрах.
Решетневскуе чтения. 2017
СО Лчйи- ¡in Т^ ПЛОХОЙ ПО ТО« СОЛНеЦНЫИ ТО'ПЛОВ ОЙ ПОТОК
Рис. 1. Исследуемый профиль секции радиатора-излучателя
TEMPERATURE 51.37015447
46.54816936
Рис. 2. Температурное поле излучающей поверхности радиатора
В рамках данной работы в качестве тестовой задачи решалась задача со следующими граничными условиями:
- материал радиатора - алюминий,
- температура теплоносителя на входе в секцию +60 °С,
- труба с диаметрами 12 мм (внутренний) и 13 мм (наружный), длиной 0,5 м,
- размер радиационной площадки 0,5*0,1 м, толщина площадки 2 мм,
- толщина контактной пластины между трубой и поверхностной пластиной - 2 мм.
В результате расчета с использованием данных граничных условий было получено поле распределения температур для секции радиатора-излучателя. Температурное поле излучающей поверхности представлено на рис. 2.
Как видно из рис. 2, распределение температуры по излучающей поверхности носит нелинейный характер как в продольном, так и в поперечном направлении. Для продольного направления убывание значения температуры обусловлено процессом остывания жидкого теплоносителя. Для поперечного направления расхождение температур в центральной части и на границе составляет примерно 1,5 К. Величина расхождения зависит от теплопроводности материала радиатора. Очевидно, что чем меньше расхождение, тем выше производительность радиатора.
Для получения равномерного продольного профиля возможно объединение нескольких секций с общим коллектором.
References
1. Massardo A. F. et al., 1997. Solar Space Power System Optimization with Ultralight Radiator. Journal of Propulsion and Power, 13(4), pp. 560-564. Available at: http://dx.doi.org/10.2514/2.5203 (accessed: 20.05.2017).
2. Siamidis J., 2006. Heat Rejection Concepts for Lunar Fission Surface Power Applications. 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC). Available at: http://dx.doi.org/10.2514/6.2006-4196 (accessed: 20.05.2017).
3. Delcov A. V., Hodenkov A. A., Zhuikov D. A., 2014. Mathematical modeling of single-phase thermal control system of the spacecraft. 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). Available at: http://dx.doi.org/ 10.1109/apeie.2014.7040754 (accessed: 20.05.2017).
4. Minkowycz W. J., Sparrow E. M., Murthy J. Y. eds., 2000. Handbook of Numerical Heat Transfer. Available at: http://dx.doi.org/10.1002/9780470172599 (accessed: 20.05.2017).
© Делков А. В., Попугаев М. М., Шевченко Ю. Н., Ходенков А. А., Мелкозеров М. Г., 2017
