CC BY
21Фешетневскцие чтения
УДК 629. 7.05
В. А. Лапшина, П. А. Чертыковцев
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева, Россия, Самара
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА
Рассматриваются различные системы охлаждения лазерного бортового комплекса, служащие для отвода тепла от лазерной установки в ходе его работы. Сравниваются их характеристики, и на основе полученных данных делается вывод о наиболее оптимальной системе охлаждения лазерного бортового комплекса.
При разработке научной аппаратуры для мониторинга атмосферы, лазерной локации и связи используются газовые молекулярные СО2-лазеры [1; 2]. Характеристики и возможности таких лазерных комплексов обусловлены параметрами и свойствами излучения, а также их мощностью. Совершенствование этих приборов и изменение характеристик в основном развивается в направлении конструкторско-технологических изменений и оптимизации режимов накачки активной среды, состава смеси и управления оптической накачки. С целью получения приборов с новыми качествами, например мощностью излучения, обычно идут по пути, указанному выше, в то время как существует также способ форсирования мощности излучения за счет охлаждения. К лазерам, входящим в состав бортового комплекса, предъявляются все более высокие требования по эффективности, расширению спектральной области, снижению энергетических затрат. Лазеры на СО2 имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами лазеров, например, высокий КПД, характеристики излучения (длина волны излучения находится в окне прозрачности атмосферы). Среди различных видов лазеров на углекислом газе наибольшее распространение и применение нашли газоразрядные СО2-лазеры.
Улучшение энергетических характеристик лазеров на углекислом газе за счет оптимизации параметров газового разряда или снижения потерь в блоке питания достигли предела. Перспективным методом повышения мощности и эффективности СО2-лазера является его форсирование за счет охлаждения рабочей смеси до температур ниже 273 К [3; 4].
Учитывая то обстоятельство, что около 90 % энергии, вводимой в разряд, сбрасывается в виде тепла в контур охлаждения, выбор системы отвода тепла и ее оптимизация применительно к лазеру, размещаемому на борту летательного аппарата, является важным и крайне необходимым аспектом исследования подобных систем перед летными испытаниями.
В связи с этим становится актуальным разработка таких бортовых лазерных комплексов, в со-
ставе которых будут присутствовать автономные системы охлаждения, обеспечивающие заданный тепловой режим в предписанном температурном диапазоне. Это позволит улучшить энергетические характеристики СО2-лазера, входящего в состав специализированного бортового комплекса. Так как для летательного аппарата массогабарит-ные показатели ботовых систем, как правило, лимитированы, то оптимизация систем обеспечения температурного режима (СОТР) лазера, с учетом эксплуатационной технологичности системы, является важной задачей.
Обычно в состав бортового комплекса входит СО2-лазер, который имеет мощность излучения около 30 Вт и КПД около 6 %. Соответственно, полная подводимая мощность составит величину около 500 Вт. Как уже было сказано, лазер имеет встроенную систему охлаждения, рассчитанную на температурный уровень около 293 К, и поэтому задача заключается в поиске и выборе оптимальной СОТР существующего контура.
Рассматриваемые в работе виды СОТР следующие:
- системы охлаждения, использующие забортный воздух;
- дроссельные системы охлаждения;
- термомеханические системы охлаждения;
- системы охлаждения с жидким криагентом;
- системы охлаждения с делящей вихревой трубой;
- системы охлаждения с термоэлектрическими элементами.
В ходе работы были проведены расчеты основных энергетических и массовых характеристик систем обеспечения температурного режима, определены зависимости отношения мощности излучения к массе лазерного комплекса от температуры охлаждения. Также была рассчитана зависимость эксергетического КПД [5], из которого следует, что наиболее эффективны на борту летательного аппарата системы охлаждения на основе вихревой трубы. Из расчета следует, что СОТР с вихревой трубой имеет следующие характеристики: энергопотребление 65 Вт, массу 55,5 кг, ос-
Двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования космическиХ.аппаратов
новной хладагент/расход-воздух 2,1 кг/с, отношение мощности излучения к полной массе лазерного комплекса при Тохл = 273 К 0,5 Вт-кг1.
Библиографический список
1. Васильев, Б. И. Инфракрасные лидары для экологического мониторинга атмосферы / Б. И. Васильев, У. М. Маннун. М. : МФТИ, 2005.
2. Протопопов, В. В. Инфракрасные лазерные локационные системы / В. В. Протопопов, Н. Д. Устинов. М. : Воениздат, 1987.
3. Bridges, T. J. High-power Brewster window laser at 10.6 microns / T. J. Bridges, C. K. N. Patel // Appl. Phys. Letts. 1965. № 7. Р. 244-245.
4. Басов, Н. Г. Теоретическое исследование перспективных способов повышения энергетических характеристик непрерывных технологических электроионизационных лазеров / Н. Г. Басов, В. А. Данилычев, Е. П. Глотов, А. М. Сорока // Труды ФИАН. Т. 142. 1983. С. 95-116.
5. Бродянский, В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек. М. : Энергоатомиздат, 1988.
V. A. Lapshina, P. A. Chertykovcev Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev, Russia, Samara
COMPARATIVE ANALYSIS OF LASER COOLING SYSTEMS
The different types of laser cooling systems, used to remove heat from laser unit during its work, are analyzed and compared with each other. The best model of laser cooling systems is chosen on the basis of the information obtained.
© Лапшина В. А., Чертыковцев П. А., 2009
УДК 629.09:629.78
А. А. Логанов
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
РАЗРАБОТКА АКТИВНОГО НАСОСА ДВУХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Изложены основные технические проблемы, связанные с созданием активного насоса двухфазной системы терморегулирования, и предложены пути их решения. Представлены конструктивные решения, минимизирующие или устраняющие проблемы, вызванные применением двухфазного теплоносителя - лабиринтное уплотнение на входе в рабочее колесо, соотношение размеров радиальных лопаток вращающегося корпуса.
По сравнению с системой терморегулирования (СТР), построенной на основе только тепловых труб, в том числе контурных, активная (с механическим насосом) двухфазная СТР имеет комплекс преимуществ: более удобное интегрирование в конструкцию космического аппарата, возможность точного поддержания температуры посадочных мест приборов в заданном узком диапазоне температур, если этого требуют особенности применяемого оборудования.
Практическая реализация всех этих преимуществ требует учета особенностей процесса терморегулирования с применением смеси «жидкость-пар».
В качестве основы для разработки активного насоса двухфазного контура (ДФК) (см. рисунок)
выбраны два варианта - так называемый черпако-вый насос (центробежный насос с вращающимся корпусом) (рисунок, часть б) и центробежный насос традиционной схемы (см. рисунок, часть а).
Известно одно бесспорное преимущество насосов с вращающимся корпусом в сравнении с традиционными центробежными - возможность разделения паровой и жидкостной фаз [1]. Отделение паровой фазы осуществляется механическим путем: при раскручивании рабочей среды во вращающемся корпусе пузырьки, образующие паровую фазу, группируются поблизости от оси вращения. Схема функционирования СТР с ДФК предполагает полную конденсацию теплоносителя перед входом в насос, но было решено проверить на практике оба варианта.
