Тема 7. Проектирование системы терморегулирования (стр) ка

Назначение, анализ требований, формирование состава и структуры, их возможных альтернатив. Режимы работы и контроль работоспособности системы. Выбор основных обобщенных характеристик.

Лекция 22-23.

1 Назначение системы

Система терморегулирования (СТР) предназначена для обеспечения заданного теплового режима приборов и агрегатов бортовых систем и элементов конструкции КА в течение срока его активного существования. При наземных испытаниях КА тепловой режим обеспечивается наземными средствами с привлечением бортовой СТР.

2 Состав системы

Тепловой режим КА определяется его компоновоч­ной схемой, конструктивным исполнением, составом бортовых систем и их комплектующей аппаратурой, а также внешними и внутренними тепловыми воздействиями. Тепловой режим КА зависит от характеристик и особенностей функционирования принятого варианта системы терморегулирования (СТР). Спектр внешних и внутренних тепловых нагрузок может су­щественно изменяться в зависимости от назначения и типа КА, режимов его функционирования и выполняемых программ.

Вариант исполнения СТР рассмотрим на примере типового КА сравнительно небольшой массы, находящегося на низкой орбите около Земли.

Отличительными особенностями исполнения СТР и технических требований к ней от конструкции и комплектующих данного КА могут быть, например, следующие:

-повышенное энергопотребление бортовых систем;

-высокая степень динамичности КА по переориентации на орбите;

-широкий диапазон вероятных отклонений осей КА от направ­ления на Солнце;

-сравнительно узкий допустимый температурный диапазон эксплуатации бортовых систем (см. таблицу).

Наименование системы (агрегата)	Температура, С
	Максимальная	Минимальная
Целевая аппаратура (как пример)	+40	- 20
Оптические приборы СУ	+35	- 5
Бортовой радиокомплекс передачи целевой информации	+50	- 20
Антенно-фидерная система	+70	-50
Командно-измерительная система	+50	- 5
Панели солнечных батарей	+90	-80
Аккумуляторные батареи	+20	0
Система ориентации и стабилизации	+60	0
Топливо ДУ (гидразин)	+25	0

Температурный диапазон работы бортовых систем определяется на базе предварительного анализа по прототипам или по имеющимся данным от разработчиков.

-наличие продолжительных теневых участков орбиты;

-повышенные тепловые воздействия от планеты в части отраженного солнечного и собственного излучения планеты;

-исполнение аппаратуры бортовых систем не требует применения герметичного контейнера.

Для определения основных проектных параметров СТР КА должен быть проведен предварительный анализ компоновки аппарата и исходных данных по его ориентации относительно направления на Солнце и Землю.

По результатам анализа выбираются основные расчетные случаи, опреде­ляющие экстремальные значения внешних тепловых потоков на элементы СТР во всех режимах работы КА.

Выбор максимальных и минимальных внешних тепловых воздействий должен быть отнесен ко всему сроку активного существования КА.

В результате анализа условий эксплуатации КА в части внешних тепловых воз­действий и режимов работы бортовых систем определяется состав средств обеспечения его теплового режима.

Для широкого класса КА, функционирующих на орбите вокруг Земли, и для рассматриваемого КА СТР, как правило, включает сочетание пассивных средств обеспечения теплово­го режима (экранно-вакуумная теплоизоляция, термооптических покрытий и нормированных термических связей, теплопередающих элементов, экранирующих бленд и пр.).

Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) сводит к минимуму теплообмен бортовых систем КА с окружающим пространством и минимизирует затраты энергии аппарата.

В качестве термооптических покрытий с низкими значениями коэффициента поглощения солнечной радиации и высокими значениями степени черноты применяются, например, терморегулирующее покрытие ТР-СО-ЦМ (РФ) со значениями коэффициента поглощения равным 0,15…0,22 и степенью черноты - 0,92, а также OSR (Англия) с соответствующими значениями коэффициентов: 0,03…0,06 и 0,87.

Нормирование термических связей обеспечивается их подбором между блоками бортовых систем и агрегатов с элементами конструкции КА (например, конструкционными материалами и геометрическими размерами элементов крепления), а также установкой термостабилизированных панелей (например, высокотеплопроводных панелей, изготовленных из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна).

Теплопередающие элементы представляют собой тепловые трубы, размещаемые внутри корпусных панелей КА. Теплопередающие элементы предназначены для обеспечения теплового режима панелей, в которых они установлены. Для обеспечения устойчивости к единичному отказу (разгерметизации тепловой трубы) предусмотрена избыточность теплопередающих элементов.

Классическая тепловая труба (см. рисунок) представляет собой вытянутый в длину герметичный, как правило, тонкостенный металлический сосуд поз.1, внутренние стенки которого выложены капиллярно-пористым материалом - так называемым фитилём поз.2. Фитиль имеет малую толщину и пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объём поз.3, свободный от фитиля, заполнен паром этой жидкости и является паровым каналом.

Принцип действия тепловой трубы

Несмотря на большие возможности, обычные тепловые трубы не справились с новыми требованиями, которые выдвигают современные и перспективные технологии. В частности, серьезным ограничением явилось их высокая чувствительность к изменению положения в поле сил тяжести. Даже незначительный наклон, когда зона испарения оказывается выше зоны конденсации, ведет к резкому снижению эффективности этих устройств. Кроме того, обычные тепловые трубы даже при благоприятных условиях не обладали достаточно высокой теплопередающей способностью и достаточно низким термическим сопротивлением, которые необходимы сейчас для решения целого ряда технических задач. Развитие современных технологий выдвинуло весьма актуальную задачу создания теплопередающих устройств, обладающих всеми основными достоинствами обычных тепловых труб, но в значительной мере свободных от их недостатков. Такими теплопередающими устройствами стали контурные тепловые трубы (КТТ), которые нашли широкое применение в космических аппаратах.

Первые летные эксперименты с контурными тепловыми трубами в космических условиях были проведены в России в 1989 г. на борту КА связи «Горизонт» и астрофизического КА «Гранат». Главным результатом этих испытаний была демонстрация работоспособности этих устройств в невесомости. Десять лет спустя успешные и более информативные испытания КТТ состоялись на борту американских космических челноков.

Отличительная базовая концепция КТТ состоит в следующем:

- фитиль размещен только в той части устройства (испарителе), к которой подводится тепло от внешнего источника;

- фитиль имеет специальную конструкцию и капиллярно-пористую структуру, которая позволяют организовать теплообмен при испарении теплоносителя наиболее эффективным образом и одновременно обеспечить функцию «капиллярного насоса», создающего высокое капиллярное давление;

- часть устройства, предназначенная для передачи тепла внешнему приемнику (конденсатор), может иметь практически любую форму и конструкцию, в наибольшей степени соответствующую условиям теплообмена;

-испаритель соединен с конденсатором посредством раздельных гладкостенных трубопроводов для пара и жидкости, имеющих относительно малый диаметр, благодаря чему они могут легко принимать различную конфигурацию и обеспечивать минимальное гидравлическое сопротивление.

Схема контурной тепловой трубы

Профильные тепловые трубы Спеченные фитили для КТТ

Аммиачная КТТ КТТ с дискообразным испарителем

КТТ на испытательном стенде

Пример сотовой панели КА с вмонтированными тепловыми трубами: 1 - обшивка; 2- пленочный клей; 3- тепловая труба; 4- сотопласт; 5 - самовспенивающийся клей; 6- втулка крепежная

Перспектива развития КТТ связана, в частности, с их миниатюризацией. К числу миниатюрных относятся КТТ, диаметр испарителей которых не превышает 8 мм, а диаметр паропровода и конденсатопровода составляет не более 3 мм. Такие устройства представляют собой особый вид контурных тепловых труб, так как традиционная концепция испарителя, который является основной частью КТТ, не приемлема при таких малых диаметрах. На рисунках показан внешний вид медь-водяных миниатюрных контурных тепловых труб с плоским и цилиндрическим испарителями.

Мини КТТ с плоским испарителем Мини КТТ с цилиндрическим испарителем

В ряде случаев в состав СТР могут быть включены электронагреватели с автоматическим регулированием температуры, включающие датчики температуры, блок управления и нагревательные элементы. Электронагреватели обеспечивают обогрев ряда элементов и блоков аппаратуры КА в условиях, когда тепловыделение бортовой аппаратуры и внешний теплоотвод недостаточны для поддержания минимальных значений температур.