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

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

Расчётная удельная массоэнергетическая характеристика у разработанной двухфазной СТР КА с повышенной энерговооружённостью, по сравнению современными комбинированными СТР КА («Amos-5» &#; 32,7 кг/кВт), меньше примерно в 1,7 раза.

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.

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.

Конструктивно модуль двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем представляет собой две независимые контурные ТТ – средней и повышенной мощности, с конденсаторами на раскрываемом холодильнике-излучателе (радиационной панели).

К1, К2 – конденсатор; КН1, КН2 – капиллярный насос; РГ1, РГ2 –разъём гидравлический жидкостного контура; РХИ – раскрываемый холодильник-излучатель; РТО – рекуперативный теплообменник;.ТГ1-ТГ4 – трубопровод гибкий.

Рисунок 3 – Гидравлическая схема контурные ТТ – средней и повышенной мощности

Особенности конструкции контурной ТТ средней мощности (как прототип двухфазной СТР КА описанной выше):

• капиллярный насос имеет интерфейс в виде профиля с полкой (исследовались два варианта исполнения полки: с пониженным и повышенным термическим сопротивлением;

• контурная ТТ оснащена рекуперативным теплообменником для подогрева конденсата поступающего в капиллярный насос;

• контурная ТТ оснащена отсечными вентилями позволяющими задействовать или перекрывать рекуперативный теплообменник;

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.

Теплофизические испытания модуля двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем включали:

• отработка запуска;

• проверка работоспособности при ступенчатом подводе тепловой мощности;

• определение максимальной передаваемой мощности контуров;

• проверка работоспособности при циклическом подводе тепловой мощности;

• проверка работоспособности при одновременной работе двух контурных ТТ;

• определение влияния рекуперативного теплообменника на параметры средней мощности контурной ТТ

Получены следующие результаты испытаний модуля двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем [2]:

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 – 800 Вт и для Контура Б – 973 Вт;

2 Контуры модуля двухфазной СТР с раскрываемым холодильником-излучателем могут работать как автономно, так и совместно.

3 Для повышения надежности работы контура А эффективно использовать рекуперативный теплообменник между капиллярным насосом и холодильником-излучателем.

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.

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.

Литература:

1. 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.

2. 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 «Космические вехи», сборник трудов посвященный 50-летию создания ОАО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнёва, г. Красноярск,.2009 г.