CC BY
65Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 629.78.06-533.6
РЕЗУЛЬТАТЫ СОЗДАНИЯ КОНТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ КА
А. И. Алифанов, С. П. Ермилов, М. И. Синиченко, Л. М. Бородин
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Рассматриваются разработка и создание в ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» контурных тепловых труб для современных КА.
Ключевые слова: система терморегулирования, контурная тепловая труба.
RESULTS OF DESIGNING LOOP HEAT PIPES AND THEIR USE IN MODERN SPACECRAFT
A. I. Alifanov, S. P. Ermilov, M. I. Sinichenko, L. M. Borodin
JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia
The development and design of loop heat pipes for modern satellites by the Joint- Stock Company «Academician M. F. Reshetnev «Information satellite systems» are considered.
Keywords: the thermal control system, loop heat pipe.
В настоящее время, в эру космических технологий, в мире сложилась тенденция постоянно растущего спроса на услуги связи, телерадиовещания, Интернета и навигации, что, несомненно, требует создания более мощной бортовой аппаратуры и систем ее обеспечения.
Современные космические аппараты (далее по тексту - КА) создаются на базе комических платформ негерметичного исполнения, что изменяет состав их систем терморегулирования.
До недавнего времени при разработке систем терморегулирования ввиду особенности некоторых приборов основная ставка делалась на тепловые трубы. Но из-за их жесткой конструкции возникают некоторые сложности с их размещением внутри сотовых панелей космического аппарата. Также тепловые трубы обладают способностью только распределять небольшое количество тепла по поверхности сотовой панели, что не всегда представляется возможным в связи с плотной компоновкой теплоизлучающих приборов и выделением ими слишком большого количества тепла, которое необходимо сбрасывать в открытое пространство. По сравнению с тепловыми трубами контурные тепловые трубы способны передавать большое количество тепловой нагрузки при незначительных перепадах температуры между зоной отвода тепла и радиатором на необходимое расстояние. Отличаются кажущейся простотой конструкции, незначительной массой, отсутствием движущихся частей и полной автономностью.
Сейчас, когда наметилась тенденция повышения мощности аппаратуры, появилась необходимость в разработке и использовании нового устройства системы терморегулирования контурной тепловой трубы (далее по тексту - КТТ). Внешний вид КТТ показан на рис. 1.
КТТ является двухфазным теплопередающим устройством. Капиллярный испаритель (капиллярный насос) является одной из основных частей двухфаз-
ных теплопередающих устройств с капиллярной прокачкой теплоносителя, осуществляющих передачу тепла в испарительно-конденсационном цикле. Отличительной особенностью конструкции КТТ является наличие высокопористой капиллярной структуры из спеченного никелевого порошка, только в самом капиллярном испарителе, что позволяет с легкостью прокладывать гладкостенные трубопроводы малого сечения по конструкции космического аппарата. За счет сил поверхностного натяжения аммиака создается каппиллярный напор, обеспечивающий перепад давления и циркуляцию пара и жидкости по контуру на достаточно большое расстояние. Кроме того, по сравнению с тепловыми трубами в КТТ благодаря высокому напору нет существенных ограничений по положению контурной тепловой трубы относительно горизонта в условиях наземных испытаний.
Рис. 1. Внешний вид контурной тепловой трубы
Основной сложностью при создании КТТ является получение высокопористой капиллярной структуры из спеченного никелевого порошка и получение перепада
Решетневскуе чтения. 2013
давления рабочей жидкости за счет плотной посадки этой структуры в корпус капиллярного насоса, чем и определяется его дальнейшая работоспособность.
На протяжении последних нескольких лет конструкторами ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева непрерывно ведутся работы по освоению технологии, внедрению ее в производство и созданию этих теплопередающих устройств. За это время на предприятии выпущена конструкторская, технологическая и программно-методическая документация, организованы производственные помещения, чистые зоны, произведено обновление необходимого оборудования, созданы все необходимые условия для производства, изготовления и испытания контурных тепловых труб.
На сегодняшний день итогами работ является разработанная, созданная и успешно запущенная на орбиту функционирования в составе малого космического аппарата «МиР» миниатюрная контурная тепловая труба, в настоящий момент прошедшая квалификационные испытания в условиях реального космического пространства. Контурная тепловая труба, установленная на малом космическом аппарате «МиР» вместо одной из двух газорегулируемых тепловых труб (ГРТТ) для проведения летного эксперимента, как показала практика, на порядок превосходит ее по своим теплофизическим характеристикам. Схема установки КТТ совместно с ГРТТ на приборном кронштейне показана на рис. 2.
КТТ по сравнению с ГРТТ имеет следующее превосходство:
- масса газорегулируемой тепловой трубы - 800 г;
- масса контурной тепловой трубы - 300 г;
- передаваемая тепловая мощность газорегулируемой тепловой трубы - 15 Вт;
- передаваемая тепловая мощность контурной тепловой трубы - 40-50 Вт;
- общий гарантийный срок газорегулируемой тепловой трубы - 6,5 лет;
- общий гарантийный срок контурной тепловой трубы не менее 15 лет.
То есть наряду с тем что масса контурной тепловой трубы в два с половиной раза меньше, она способна отводить от приборных кронштейнов в 3 раза больше тепловой нагрузки. В ходе наземной экспериментальной отработки найдена зависимость запуска контурной тепловой трубы и режимов ее постоянной работы от начала подвода тепловой нагрузки и ее завершением. Испытания проводились как при нормальных условиях, так и в барокамере при вакууме с разным количеством заправленного аммиака и с разной подаваемой тепловой нагрузкой.
Следовательно, доказана целесообразность применения новых устройств в системе терморегулировании - контурных тепловых труб.
Рис. 2. Контурная тепловая труба совместно с газорегулируемой тепловой трубой на приборном кронштейне перед установкой на МКА «МиР»
В данный момент на базе этой КТТ разработана и изготавливается усовершенствованная КТТ с капиллярным испарителем, имеющим увеличенный объем гидроаккумулятора, которая будет установлена на будущий малый космический аппарат «ДОСААФ-85» этой же серии. Также параллельно с этим ведутся работы по созданию двухфазного раскрываемого радиатора с более мощными капиллярными испарителями, способными отводить до 1000 Вт тепловой нагрузки. Проработан вопрос создания детального конструктивного исполнения капиллярных насосов, представленных в двух исполнениях испарительной части: алюминиевом и стальном корпусе. Получены уникальные результаты по сравнению характеристик этих двух исполнений капиллярных насосов.
На сегодняшний день темпы роста продукции космической отрасли уже соизмеримы с общемировыми, но для поддержания постоянной конкурентоспособности продукции необходимо постоянно совершенствоваться, развивать производство, обновлять станочный парк, создавать необходимые производственные площади, чистые зоны и привлекать высококвалифицированные кадры. Объем всех этих важнейших вышеперечисленных задач на протяжении последних лет с блеском решается на предприятии ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Контурные тепловые трубы открывают новые перспективные направления использования этих устройств в системе терморегулирования на качественно новом уровне, с возможностью дальнейшего развития производства и установки их уже на платформах космических аппаратов тяжелого класса.
© Алифанов А. И., Ермилов С. П., Синиченко М. И., Бородин Л. М., 2013
