Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 26 июля, печатный экземпляр отправим 30 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Двухфазная система терморегулирования с раскрываемыми холодильниками-излучателями спутника связи с повышенной энерговооружённостью

Технические науки
864
Поделиться
Библиографическое описание
Кривов, Е. В. Двухфазная система терморегулирования с раскрываемыми холодильниками-излучателями спутника связи с повышенной энерговооружённостью / Е. В. Кривов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2011. — № 1 (24). — С. 35-39. — URL: https://moluch.ru/archive/24/2594/.

С развитием экономики и передовых технологий постоянно возрастает потребность операторов спутниковой связи в дополнительных ресурсах, обеспечиваемых современными телекоммуникационными космическими аппаратами (КА). Мировой рынок в области создания высокомощных КА, обладающих большой пропускной способностью и длительным сроком активного существования, определяет тенденцию к росту энерговооруженности спутника, как следствие – увеличение тепловыделения оборудования КА.

В состав КА входит ряд технических систем нуждающихся в отводе тепла. Система терморегулирования (СТР) является частью единой бортовой энергетической системы спутника. СТР КА предназначена для поддержания в требуемых пределах гарантированных температурных диапазонов всего оборудования при орбитальном функционировании, а также для обеспечения теплового режима оборудования КА совместно с технологическими средствами термостатирования при наземных испытаниях.

В современных разработках ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академии М.Ф. Решетнёва» КА бесконтейнерного конструктивного исполнения, например, КА «AMOS-5», применена комбинированная СТР, в которой дублированный жидкостный контур сочетается с тепловыми трубами (ТТ). Для мощностей тепловыделения не более 5 кВт такой тип СТР удовлетворяют всем требованиям обеспечения теплового режима оборудования КА в течение длительного срока службы (не менее 15 лет), однако требует ощутимых расходов на массу и энергопотребление.

Для КА с повышенным тепловыделением (более 5 кВт) затраты данных ресурсов значительно возрастают. Применение ТТ не может снять проблему из-за трудности интеграции большого числа ТТ в теплоотводящую поверхность энергонапряженных приборов, ограничений по дальности транспортирования и величине тепловой мощности, отводимой одной ТТ, а также связанным с этим дополнительными затратами массы.

Решить проблему отвода тепловой мощности КА с повышенным тепловыделением может применение, наряду с ТТ, двухфазной СТР. Использование тепловой энергии фазового перехода теплоносителя позволит обеспечить снижение массы, энергопотребления, габаритов перспективных с длительным ресурсом работы (не менее 15 лет) КА в целом, повышение качества и надежности работы бортового оборудования.

Повышение энерговооруженности КА ведёт к увеличению габаритных размеров спутника. Современная архитектура спутника приближается к своему пределу по доступной площади радиационных поверхностей. Предложение по решению этой проблемы – раскрываемые холодильники-излучатели (РХИ) двухстороннего излучения, как средство для значительного увеличения способности излучения тепла без существенного влияния на архитектуру КА.

В данной работе представлена разработка двухфазной СТР с раскрываемыми холодильниками-излучателями спутника связи с повышенной энерговооружённостью и представлены результаты разработки и испытаний модуля двухфазной СТР КА с раскрываемым холодильником-излучателем.

При разработке двухфазной СТР с раскрываемыми холодильниками-излучателями спутника связи с повышенной энерговооружённостью применён модульный принцип построения КА (разделение КА на модуль служебных систем (МСС) и модуль полезной нагрузки (МПН)). Большая часть выделяемой тепловой мощности приходится именно на МПН. Отвод тепловой энергии от МПН требует значительных радиационных поверхностей, которые в составе конструкции МПН и МСС, как правило, создать затруднительно. Перенос тепла от оборудования МПН на радиационные поверхности осуществляется с помощью ТТ и контурных ТТ. Дополнительные радиационные поверхности выполнены в виде раскрываемых холодильников-излучателей.

Панели, на которых установлено тепловыделяющее оборудование, которые выполняют функцию радиационных панелей, представляют собой сотовые панели с встроенными ТТ с конструкционным фитилем в виде продольных канавок [1].

Раскрываемые холодильники-излучатели представляют собой сотовые панели со встроенными гладкими трубами, являющимися конденсатором контурных ТТ. С обеих сторон панели покрыты терморегулирующим покрытием ОСО-С. В сложенном состоянии раскрываемые холодильники-излучатели располагаются вдоль центральных панелей приборного оборудования, расположенных со стороны осей ± Y.

Для КА с выделением тепловой мощности от бортового оборудования 7,7 кВт принята пассивная СТР с использованием:

  • встроенных ТТ на радиаторных панелях МСС (северной и южной);
  • подсистемы ТТ, которая связывает в тепловом отношении северную, центральные и южную панели МПН;
  • РХИ с подсистемой контурных ТТ;
  • терморегулирующих покрытий;
  • замещающих электрообогревателей (ЭО);
  • экранно-вакуумной теплоизоляции.

Каждая панель МПН содержит по 16 ТТ, расположенных перпендикулярно оси X спутника. Такое расположение ТТ удобно для проведения наземной экспериментальной отработки, в частности при термовакуумных испытаний. С целью повышения надежности СТР ТТ центральных панелей имеют тепловую связь с ТТ северной и южной панелей.


Рисунок 1 – Вариант компоновки спутника связи с повышенной энерговооружённостью

Выполняемые функции подсистемы ТТ и подсистемы контурных ТТ:

1) На центральных панелях МПН и МСС – отвод тепла от тепловыделяющих приборов, распределение тепла по площади этих панелей и перенос тепла на северные и южные панели МПН и МСС.

2) На северных и южных панелях МПН – получение тепла от центральных панелей, отвод тепла от приборов МПН, размещенных на панелях МПН «Север» и «Юг», распределение тепла по площади этих панелей для обеспечения требуемого частичного излучения тепловой энергии в космическое пространство, перенос и передача тепла контурной ТТ.

3) На северных и южных панелях МСС – получение тепла от центральной панели, отвод тепловой мощности от оборудования МСС, размещенных на панелях МСС «Север» и «Юг», распределение тепла по площади этих панелей для обеспечения требуемого теплоотвода в космическое пространство.

4) Контурные ТТ – получение тепла от северных и южных панелей МПН и передача тепла раскрываемым холодильникам-излучателям РХИ1, РХИ2, РХИ3, РХИ4.

В общем виде тепловой интерфейс МПН изображен на рисунке 2 (изображены связи по одной ТТ на каждой панели).

Рисунок 2 – Функциональная схема движения тепла в МПН и на раскрываемых холодильниках-излучателях

Тепло от тепловыделяющих приборов центральных панелей передается через теплопроводящую пасту, обшивку панели и теплопроводящий клей к П-образной ТТ, которая переносит тепло к ТТ северной и южной панелям, которые служат холодильниками-излучателями. Между ТТ тепло выравнивается по обшивке панели и сотозаполнителю.

Вся длина ТТ, находящихся в сотовых панелях «Север» и «Юг» МПН, одновременно является зоной испарения и зоной конденсации (происходит передача тепла поперек ТТ от одной полки к другой), кроме зоны конденсации, где происходит передача тепла от ТТ к седлу капиллярного насоса (КН) контурной ТТ. КН контурной ТТ воспринимает тепло от четырех ТТ северной или южной панелей МПН и переносит в конденсационные зоны, которые смонтированы в сотовые панели раскрываемых холодильников-излучателей, откуда происходит излучение тепловой энергии в космическое пространство.

Движение тепла и тепловая связь на МСС аналогичны движению тепла и тепловой связи на МПН. Всё тепло сбрасывается в космическое пространство с северной и южной панелей МСС.

Тепловой анализ КА проведен для случая:

  • КА работает штатно на геостационарной орбите (угол наклона орбиты относительно Солнца 23,5º);
  • панели «Север» максимально освещаются Солнцем;
  • панели «Юг» находятся в тени и Солнцем не освещаются;
  • все раскрываемые холодильники-излучатели освещаются Солнцем постоянно.

Тепловыделение МПН может меняться от 0 до 7000 Вт, мощность тепловыделения МСС практически постоянно и составляет ~ 700 Вт.

Таблица 1. Основные параметры разработки двухфазной СТР с раскрываемыми холодильниками-излучателями спутника связи с повышенной энерговооружённостью на базе ТТ и контурных ТТ

Параметр

Еденица
измерения

Значение

Холодопроизводительность (МПН + МСС)

Вт

7700

Гарантированный срок эксплуатации

годы

18,5

Вероятность безотказной работы в течение срока активного существования

-

0,996

Масса

кг

149,139

Энергопотребление оборудования (без ЭО)

Вт

90

Удельная масса (степень совершенства)

кг/кВт

19,37

Диапазон поддержания температуры посадочных поверхностей оборудования МПН и МСС


&#;С


0 &#&#61624;;</FONT> 40</TD> </TR> </TABLE> <P>Расчётная удельная массоэнергетическая характеристика у разработанной двухфазной СТР КА с повышенной энерговооружённостью, по сравнению современными комбинированными СТР КА (&laquo;Amos-5&raquo; <FONT FACE="Symbol">&#&#61485;;</FONT> 32,7 кг/кВт), меньше примерно в 1,7 раза.<P> Модуль двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем с контурными ТТ разработан как базовый элемент для интеграции в СТР телекоммуникационного КА с повышенной энерговооружённостью различных конфигураций.<P> Модуль двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем предназначен для отработки элементов отвода, переноса и сброса теплой энергии, а также определения моментов сопротивления раскрытию створки холодильника-излучателя с контурными ТТ, отработки функционирования СТР в целом.<P> Конструктивно модуль двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем представляет собой две независимые контурные ТТ &ndash; средней и повышенной мощности, с конденсаторами на раскрываемом холодильнике-излучателе (радиационной панели).<P> <A HREF="images/md9f85b3.png" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/md9f85b3.png" NAME="Графический объект3" ALIGN=BOTTOM WIDTH=318 HEIGHT=357 BORDER=0></A><P> К1, К2 &ndash; конденсатор; КН1, КН2 &ndash; капиллярный насос; РГ1, РГ2 &ndash;разъём гидравлический жидкостного контура; РХИ &ndash; раскрываемый холодильник-излучатель; РТО &ndash; рекуперативный теплообменник;.ТГ1-ТГ4 &ndash; трубопровод гибкий.<P> Рисунок 3 &ndash; Гидравлическая схема контурные ТТ &ndash; средней и повышенной мощности<P> Особенности конструкции контурной ТТ средней мощности (как прототип двухфазной СТР КА описанной выше): <UL><LI><P> капиллярный насос имеет интерфейс в виде профиля с полкой (исследовались два варианта исполнения полки: с пониженным и повышенным термическим сопротивлением;<LI><P> контурная ТТ оснащена рекуперативным теплообменником для подогрева конденсата поступающего в капиллярный насос;<LI><P> контурная ТТ оснащена отсечными вентилями позволяющими задействовать или перекрывать рекуперативный теплообменник;</UL> <P>Особенность конструкции контурной ТТ повышенной мощности (как прототип гибридной СТР включающим двухфазный контур и традиционный однофазный жидкостной контур) - корпус испарителя капиллярного насоса выполнен в виде проточного теплообменника для тепловой связи с внешним циркуляционным контуром.<P> Теплофизические испытания модуля двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем включали: <UL><LI><P> отработка запуска;<LI><P> проверка работоспособности при ступенчатом подводе тепловой мощности;<LI><P> определение максимальной передаваемой мощности контуров;<LI><P> проверка работоспособности при циклическом подводе тепловой мощности;<LI><P> проверка работоспособности при одновременной работе двух контурных ТТ;<LI><P> определение влияния рекуперативного теплообменника на параметры средней мощности контурной ТТ</UL> <P>Получены следующие результаты испытаний модуля двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем [2]:<P> 1 Модуль двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем надежно функционирует как при нормальных условиях, так и в условиях вакуума, максимальная передаваемая тепловая мощность контуров составляет для Контура А &ndash; 800 Вт и для Контура Б &ndash; 973 Вт;<P> 2 Контуры модуля двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем могут работать как автономно, так и совместно.<P> 3 Для повышения надежности работы контура А эффективно использовать рекуперативный теплообменник между капиллярным насосом и холодильником-излучателем.<P> 4 Спроектирован, изготовлен и испытан в составе модуля двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем капиллярный насос. Конструкция КН обеспечивает эффективное охлаждение компенсационной камеры и позволяет снизить номинальное переохлаждение жидкости на входе в испаритель, что обеспечивает устойчивую работу контурной ТТ.<P> Представленные результаты разработки и экспериментальной отработки двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем позволяют решать технические проблемы повышения эффективности, надежности, экономичности перспективных спутников связи с повышенной энерговооружённостью.<P> <BR /> <P>Литература: <OL><LI><P> Кривов Е.В., Голованов Ю.М., Шилкин О.В. и др. Определение оптимальной дозы заправки тепловых труб с продольными канавками. Вестник Сибирского Государственного Аэрокосмического Университета, выпуск 1 (18), г. Красноярск, 2008 г.<LI><P> Кривов Е.В., Дмитриев Г.В., Шилкин О.В. и др. Разработка контурных тепловых труб с кондуктивным и конвективным интерфейсом капиллярных испарителей для двухфазных систем терморегулирования с раскрываемым радиатором. Научное издание &laquo;Космические вехи&raquo;, сборник трудов посвященный 50-летию создания ОАО &laquo;ИСС&raquo; имени академика М.Ф. Решетнёва, г. Красноярск,.2009 г.</OL>

Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью

Молодой учёный