СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SPACE VEHICLE HEAT TUBE TESTING METHOD

Изобретение, созданное авторами в порядке выполнения служебного задания, относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования приборов телекоммуникационного спутника.
В настоящее время для термостатирования посадочных мест приборов спутника широко используются тепловые трубы (см., например, книги: Чи С. Тепловые трубы: Теория и практика / Перевод с английского В.Я. Сидорова - М.: Машиностроение, 1981, стр.65, 74, 177, 180 [1]; Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы / Перевод с английского - М.: Энергия, 1997 г, стр.104, 105, 154-156 [2]) с небольшим диаметром парового канала (например, (6-10) мм) различной длины (например, (0,5-3) м) с допустимыми минимальными рабочими температурами участка конденсации от минус 50 до минус 20°С и максимальными рабочими температурами участка испарения от 30 до 50°С (т.е. тепловые трубы работоспособны в диапазоне изменения температур конструкции от минус 50 до 50°С).
Согласно [1], [2] тепловые трубы заправляются теплоносителем с некоторым избытком.
В процессе изготовления таких конкретных тепловых труб одним из основных испытаний является опытное определение значений температурных перепадов между участками испарения и конденсации в диапазоне изменения их рабочих температур при подводе к участку испарения тепловой трубы одинаковой требуемой тепловой мощности при различных дозах заправленного во внутреннюю полость корпуса с фитилем в виде продольных канавок на внутренней поверхности его теплоносителя с избытком.
На основе результатов этих испытаний должна определяться максимально допустимая величина дозы заправки теплоносителем последующих (предназначенных для использования на борту космического аппарата) тепловых труб, обеспечивающая в условиях эксплуатации температурный перепад между участками испарения и конденсации не более допустимого (например, не более 5°С).
ТТ
В результате анализа опытных данных отработочных испытаний конкретной тепловой трубы с диаметром парового канала ≈6 мм и общей длиной ≈1200 мм (из которой длина транспортного участка ≈600 мм) авторами установлено (см. фиг.2), что, например, при температуре испарительной зоны 40°С (поз.1) перепады температур между участками испарения и конденсации (Δt) существенно меньше соответствующих перепадов температур между участками испарения и конденсации при минимальной рабочей температуре участка конденсации, равной минус 40°С (поз.2), что противоречит данным эксплуатации аналогичных тепловых труб на орбите (поз.3): перепад температур между участками испарения и конденсации при температуре участка испарения 40°С должен быть больше перепада температур между вышеуказанными участками при температуре участка конденсации минус 40°С при одной и той же заданной дозе заправки теплоносителем с избытком, например, при
з.д.изб.1
m (т.е. должно выполняться условие: для более высокой температуры участка испарения должен соответствовать более больший перепад температур между участками испарения и конденсации).
Это объясняется тем, что при наземных условиях при минимально возможной рабочей температуре участка конденсации (испарения) избыток теплоносителя в результате преобладания инерционных сил потока пара над силами поверхностного натяжения жидкой фазы и силами тяготения собирается в концевой части участка конденсации и уменьшает эффективную длину участка конденсации, тем самым увеличив перепад температур между участками испарения и конденсации аналогично условиям эксплуатации тепловой трубы на орбите.
А при максимальной рабочей температуре участка испарения (конденсации) при наземных условиях силы поверхностного натяжения жидкой фазы и силы тяготения преобладают над инерционными силами потока пара (инерционные силы в этом случае в несколько раз меньше инерционных сил, действующих при минимально возможной рабочей температуре пара) и избыток жидкости располагается по длине тепловой трубы в донной части (в основном после участка испарения) - на транспортном участке и участке конденсации и это выводит из нормальной работы 2-3 канавки из более 30 канавок и практически не сказывается на характеристиках тепловой трубы. В результате этого при этом (как показал анализ, при температуре от 20 до 50°С) эффективная длина участка конденсации практически не изменяется и реализуется температурный перепад между зонами испарения и конденсации уменьшенной величины.
А при эксплуатации на орбите силы тяготения практически отсутствуют и силы инерции потока пара превышают над силами поверхностного натяжения жидкой фазы и избыток теплоносителя при максимальной рабочей температуре, как и при минимальной температуре участка испарения, концентрируется в концевой части участка конденсации: т.к. при этом из-за температурного расширения объем избыточной жидкой фазы больше, чем в первом случае, жидкостная пробка занимает более длинный участок и эффективная длина участка конденсации более короче, чем в первом случае, и перепад температур между участками на орбите имеет более высокое значение по сравнению с первым случаем.
ТТ
зап
зап1
зап2
зап0
ТТ
зап
Таким образом, известные способы испытаний тепловых труб по определению значений перепадов температур между участками испарения и конденсации при одних и тех же дозах заправки их теплоносителем с избытком не обеспечивают достоверными данными о перепадах температур применительно к условиям эксплуатации на орбите и максимально допустимая доза заправки теплоносителем также получается недостоверной (см. фиг.2, где Δt - перепад температур между участками испарения и конденсации, °С; m - доза заправляемого во внутреннюю полость корпуса теплоносителя с избытком, г; m, m - величины доз теплоносителя, заправленного во внутреннюю полость корпуса без избытка, г; m - величина дозы теплоносителя, заправленной во внутреннюю полость корпуса с максимально допустимым возможным недостатком, г; 1, 2, 3 - изменения значений перепадов температур Δt в зависимости от различных доз заправки теплоносителем m внутренней полости корпуса соответственно: 1 - при максимальной рабочей температуре участка испарения (40°С) по результатам наземных испытаний, 2 - при минимальной рабочей температуре участка конденсации (минус 40°С) по результатам наземных испытаний, 3 - при максимальной рабочей температуре участка испарения на основе данных эксплуатации на орбите аналогичной тепловой трубы).
Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является способ испытания тепловой трубы согласно [1].
По известному техническому решению тепловую трубу испытывают следующим образом (см. фиг.2):
1) изготавливают тепловую трубу;
зап.нач
з.д.изб.1
2) заправляют тепловую трубу с избытком теплоносителя, превышающим оптимальную (расчетную) дозу, например, на 30%, m=m=13,7 г;
3) подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, при температуре испарительной зоны, равной максимально допустимой рабочей температуре, например 40°С (такую температуру участка испарения обеспечивают, поддержав соответствующую температуру участка конденсации) и определяют величину температурного перепада между участками испарения и конденсации (≈2°С - см. фиг.2);
4) подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, при температуре участка конденсации, равной минимально допустимой рабочей температуре, например минус 40°С (такую температуру участка конденсации обеспечивают, поддержав соответствующую температуру участка испарения) и определяют величину температурного перепада между участками испарения и конденсации (6,5°С - см. фиг.2);
зап.i
зап.нач.
з.д.изб.2
зап.2
зап.1
5) выполняют операции пп.3) и 4) при других дозах заправки теплоносителем m<m (например, при m=11,5 г, m, m;
ТТ
зап
6) по данным испытаний строят график зависимости значений перепада температур между участками испарения и конденсации (Δt) от величины дозы заправки теплоносителем (m) для различных температур участка испарения (участка конденсации);
з.д.изб.2
7) из графика определяют величину максимально допустимой дозы теплоносителя, например, m=11,5 г, при которой температурный перепад между участками испарения и конденсации не превышает требуемого перепада (например, не более 5°С).
з.д.изб.2
з.д.изб.2
Как было показано выше, такая величина максимально допустимой дозы теплоносителя обеспечивает требуемый перепад температур между участками испарения и конденсации только при наземных условиях эксплуатации, и тепловая труба, заправленная вышеуказанной дозой m, в условиях эксплуатации на орбите обеспечит температурный перепад (7°С - см. фиг.2) между участками испарения и конденсации, превышающий значение допустимого перепада температур между вышеназванными участками (не более 5°С), и для обеспечения требуемого перепада температур между участками испарения и конденсации тепловая труба должна быть заправлена дозой теплоносителя, меньшей m (см. фиг.2).
Таким образом, при испытании тепловой трубы согласно известному техническому решению определяются недостаточно достоверные данные по величинам перепадов температур между участками испарения и конденсации и максимально допустимой заправляемой дозе теплоносителя применительно к эксплуатации тепловой трубы на орбите.
Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанных существенных недостатков.
Поставленная цель достигается тем, что значения перепадов температур между участками испарения и конденсации определяют для максимальной рабочей температуры участка испарения для заданных доз заправляемого теплоносителя с избытком при минимально допустимой рабочей температуре участка конденсации при дозах заправленного теплоносителя с избытком, удовлетворяющих условию:
зап.изб.i
где m - доза заправленного во внутреннюю полость корпуса тепловой трубы теплоносителя с избытком при определении значения температурного перепада между участками испарения и конденсации для максимальной рабочей температуры участка испарения для заданной дозы заправляемого теплоносителя с избытком, г;
з.д.изб.i
m - заданная доза заправляемого во внутреннюю полость корпуса теплоносителя с избытком для определения значений перепадов температур между участками испарения и конденсации во всем диапазоне изменения рабочих температур участка испарения, г;
р.мин
t - минимальное значение рабочей температуры участка конденсации, °С;
р.макс
t - максимальное значение рабочей температуры участка испарения, °С;
tp.макс
tp.мин
3
ρ, ρ - плотность теплоносителя при максимальном и минимальном значениях рабочей температуры участков испарения и конденсации, г/см,
что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.
Согласно предложенному авторами техническому решению испытание тепловой трубы осуществляют следующим образом (см. фиг.1):
1) изготавливают тепловую трубу;
з.д.изб.1
2) заправляют тепловую трубу с избытком теплоносителя, превышающим оптимальную (расчетную) дозу, например, на 30%, m=13,7 г;
3) подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, при температуре участка конденсации, равной минимально допустимой рабочей температуре, например минус 40°С (такую температуру участка конденсации обеспечивают, поддержав соответствующую температуру участка испарения), и определяют (измеряют) величину температурного перепада между участками испарения и конденсации (6,5°С - см. фиг.1);
4) заправляют тепловую трубу дозой теплоносителя с избытком, удовлетворяющей условию:
зап.изб.1
р.макс
з.д.изб.1
где m - доза заправленного во внутреннюю полость корпуса тепловой трубы теплоносителя с избытком при определении значения температурного перепада между участками испарения и конденсации для максимальной рабочей температуры участка испарения, например, t=40°С, для заданной дозы заправляемого теплоносителя с избытком - m, г;
з.д.изб.1
з.д.изб.1
m - заданная доза заправляемого во внутреннюю полость корпуса теплоносителя с избытком для определения значений перепадов температур между участками испарения и конденсации во всем диапазоне изменения рабочих температур участка испарения, г, например m=13,7 г;
р.мин
р.мин
t - минимальное значение рабочей температуры участка конденсации, °С, например t=-40°С;
р.макс
р.макс
t - максимальное значение рабочей температуры участка испарения, °С, например t=40°С;
tp.макс
tp.мин
р.мин
3
ρ, ρ - плотность теплоносителя при максимальном и минимальном значениях рабочей температуры участков испарения и конденсации, °С, например, плотность аммиака при t=-40°С равна 0,6902 г/см.
ТТ
з.д.изб.1
Подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, и определяют (измеряют) значение перепада температур между участками испарения и конденсации при минимально допустимой рабочей температуре участка конденсации: определяют точку ординаты Δt=9°С (см. фиг.1) для абсциссы m=13,7 г.
ТТ
В результате заправки тепловой трубы таким образом имитируется ее работа на орбите при максимальной рабочей температуре участка испарения (т.к. объем жидкой фазы теплоносителя практически соответствует этой температуре и избыточный объем теплоносителя в результате испытания при минимальной рабочей температуре сконцентрируется вблизи торцевой части участка конденсации) - определяется перепад температур между участками испарения и конденсации в условиях работы на орбите (Δt=9°С - см. фиг.1);
з.д.изб.i
зап.2
з.д.изб.2
5) Выполняют операции п.4 при других выбранных m, находящихся в диапазоне от m до, например, m=11,5 г;
зап.0
зап.2
6) Определяют перепады температур между участками испарения и конденсации при дозах заправки от m до m;
ТТ
зап
7) По данным испытаний строят график фиг.1: график зависимости значений перепада температур между участками испарения и конденсации (Δt) от величины дозы заправки теплоносителем (m) для различных температур участка испарения (участка конденсации);
з.д.изб.3
8) определяют величину максимально допустимой дозы теплоносителя, при которой температурный перепад между участками испарения и конденсации не превышает требуемого перепада (например, не более 5°С): m=9,5 г согласно фиг.1.
Проведенный анализ показывает, что значения перепадов температур между участками испарения и конденсации, определенные согласно вышеуказанному предложенному способу для максимальной рабочей температуры испарителя, имеют максимальные значения и в пределах погрешностей измерений стыкуются с данными эксплуатации на орбите аналогичных тепловых труб и, следовательно, по результатам испытания определяется достоверное значение максимально допустимой дозы заправки теплоносителем, обеспечивающее в условиях работы тепловой трубы на орбите перепад температур между участками испарения и конденсации, не превышающий допустимого значения (не более 5°С).
Таким образом, предложенное авторами техническое решение обеспечивает в процессе наземного испытания тепловых труб получение достоверных данных по значениям перепадов температур между участками испарения и конденсации и максимально допустимой дозе заправки теплоносителем применительно к условиям работы тепловой трубы на орбите, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.
В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на отработочный образец тепловой трубы, проведены предварительные испытания ее и результаты испытаний подтверждают достижение целей изобретения в полном объеме.