Двухфазная система терморегулирования с раскрываемыми холодильниками-излучателями спутника связи с повышенной энерговооружённостью | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №1 (24) январь 2011 г.

Статья просмотрена: 383 раза

Библиографическое описание:

Кривов Е. В. Двухфазная система терморегулирования с раскрываемыми холодильниками-излучателями спутника связи с повышенной энерговооружённостью // Молодой ученый. — 2011. — №1. — С. 35-39. — URL https://moluch.ru/archive/24/2594/ (дата обращения: 25.09.2018).

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 &#; 40

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.

Основные термины (генерируются автоматически): раскрываемый холодильник-излучатель, панель, капиллярный насос, повышенная энерговооруженность, южная панель, космическое пространство, рекуперативный теплообменник, тепловая мощность, тепловая связь, тепловая энергия.


Похожие статьи

Использование теплонасосных установок (ТНУ) в промышленности

Рис. 1. Схема теплового насоса, вырабатывающего теплоноситель двух уровней: КМ-компрессор

В теплообменнике охлажденные после конденсатора пары фреона доохлаждаются, а

Использование низкопотенциальной тепловой энергии в промышленности.

Способы получения электрики и тепла из солнечного излучения

Солнечная тепловая энергия в качестве активного солнечного отопления.

Насос толкает теплообменной жидкости (часто только очищенную воду) с помощью панели управления.

Анализ энергоэффективности тепловых насосов в системах...

Ключевые слова: энергоэффективность, тепловой насос, источник низкопотенциальной тепловой энергии. Энергосбережение считается сегодня одним из наиболее актуальных направлений развития России в связи с вступлением в силу Федерального закона № 261 от 23...

Особенности применения вакуумных солнечных коллекторов...

Возникает вопрос — какой выбрать угол установки панели, чтобы обеспечить требуемую мощность коллектора и сократить количество очисток от снега.

Отопление с использованием солнечных коллекторов в городе Оренбурге. Воздушный тепловой насос как эффективный...

Снижение затрат энергии в теплохладоснабжении...

Требуется, чтобы общая мощность, затрачиваемая на привод тепловых насосов, была минимальна.

Снижение энергоёмкости систем увлажнения вентиляционного воздуха в плодоовощехранилищах с применением возобновляемых источников энергии.

Перспективы использования ядерно-электрической ракетной...

Для преобразования тепловой энергии в электрическую на борту устанавливается

Рис. 2. Капельный холодильник излучатель. В результате интенсивного лучистого

Оставшееся излучение свободно рассеивается в космическом пространстве по всем направлениям.

Особенности теплового баланса помещений с системами...

1-й вариант, система отопления с применением «тёмных» газовых инфракрасных излучателей; она состоит из 40 излучателей, установочная мощность такой

Исследование работы теплового насоса с регенеративным теплообменником на основе эксергетического анализа.

Эффективность работы теплового насоса при различных режимах

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии (электрических, газовых и дизельных) заключается в том, что при производстве тепла

Исследование работы теплового насоса с регенеративным теплообменником на основе эксергетического анализа.

Аккумулирование тепла в системах солнечного отопления

теплоаккумулирующий материал, тепловая масса, поверхность теплообмена, аккумулятор тепла, солнечная радиация, разнообразие компоновки, емкость, емкостный тип, вода, удельная масса.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Использование теплонасосных установок (ТНУ) в промышленности

Рис. 1. Схема теплового насоса, вырабатывающего теплоноситель двух уровней: КМ-компрессор

В теплообменнике охлажденные после конденсатора пары фреона доохлаждаются, а

Использование низкопотенциальной тепловой энергии в промышленности.

Способы получения электрики и тепла из солнечного излучения

Солнечная тепловая энергия в качестве активного солнечного отопления.

Насос толкает теплообменной жидкости (часто только очищенную воду) с помощью панели управления.

Анализ энергоэффективности тепловых насосов в системах...

Ключевые слова: энергоэффективность, тепловой насос, источник низкопотенциальной тепловой энергии. Энергосбережение считается сегодня одним из наиболее актуальных направлений развития России в связи с вступлением в силу Федерального закона № 261 от 23...

Особенности применения вакуумных солнечных коллекторов...

Возникает вопрос — какой выбрать угол установки панели, чтобы обеспечить требуемую мощность коллектора и сократить количество очисток от снега.

Отопление с использованием солнечных коллекторов в городе Оренбурге. Воздушный тепловой насос как эффективный...

Снижение затрат энергии в теплохладоснабжении...

Требуется, чтобы общая мощность, затрачиваемая на привод тепловых насосов, была минимальна.

Снижение энергоёмкости систем увлажнения вентиляционного воздуха в плодоовощехранилищах с применением возобновляемых источников энергии.

Перспективы использования ядерно-электрической ракетной...

Для преобразования тепловой энергии в электрическую на борту устанавливается

Рис. 2. Капельный холодильник излучатель. В результате интенсивного лучистого

Оставшееся излучение свободно рассеивается в космическом пространстве по всем направлениям.

Особенности теплового баланса помещений с системами...

1-й вариант, система отопления с применением «тёмных» газовых инфракрасных излучателей; она состоит из 40 излучателей, установочная мощность такой

Исследование работы теплового насоса с регенеративным теплообменником на основе эксергетического анализа.

Эффективность работы теплового насоса при различных режимах

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии (электрических, газовых и дизельных) заключается в том, что при производстве тепла

Исследование работы теплового насоса с регенеративным теплообменником на основе эксергетического анализа.

Аккумулирование тепла в системах солнечного отопления

теплоаккумулирующий материал, тепловая масса, поверхность теплообмена, аккумулятор тепла, солнечная радиация, разнообразие компоновки, емкость, емкостный тип, вода, удельная масса.

Задать вопрос