СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к космической технике и может быть использована в системах терморегулирования космических аппаратов (КА) для обеспечения теплового режима научного и служебного оборудования, установленного на искусственных спутниках, межпланетных станциях и других космических объектах.
Известны системы терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) в которых тепловой режим приборов обеспечивается путем их установки на термостатируемую панель (ТСП) с интегрированными в ее структуру тепловыми трубами (патент РФ 130299, приоритет от 02.11.2012). Отвод излишков тепла, выделяемого приборами, осуществляется с помощью контурной тепловой трубы (КТТ), испаритель которой установлен на термостатируемой панели, а конденсатор встроен в радиационный теплообменник (РТО, далее - радиатор, или радиатор-охладитель). Тепло, выделяемое приборами, собирается с помощью тепловых труб в зоне установки испарителя КТТ. Циркулирующий внутри КТТ двухфазный теплоноситель передает тепло от испарителя к конденсатору и, соответственно, к радиатору, излучающему тепло в открытое космическое пространство.
Радиаторы на базе КТТ, в инженерной практике часто называют теплопроводами радиаторов (ТПР), поскольку КТТ и радиатор в данном случае представляют единый конструктивный элемент. Каждый ТПР на базе КТТ содержит следующие компоненты:
- испаритель с капиллярно-пористой вставкой (КПВ) и присоединенной компенсационной полостью;
- транспортные каналы для пара и жидкости, (паропровод и конденсатопровод), с помощью которых соединяется испаритель с конденсатором, образуя циркуляционный контур;
- радиационный теплообменник, в который конструктивно встроен конденсатор КТТ.
В конструкции КТТ, на базе которых строится ТПР, как правило, предусмотрены элементы, обеспечивающие регулирование температуры. Обладая переменной тепловой проводимостью, регулируемые КТТ позволяют СТР обеспечивать заданную точность поддержания температуры посадочных мест приборов. При этом, регулирование температуры КТТ можно осуществлять различными средствами, как активными, так и пассивными, например, за счет использования встраиваемого в КТТ трехходового клапана, который позволяет направлять циркулирующий теплоноситель либо через конденсатор, либо в обход него, по байпасной линии, соединяющей вход и выход испарителя (C.C. Birur, M.T. Pauken, K.S. Novak, Thermal Control of Mars Rovers and Landers Using Mini Loop Heat Pipes. Proceedings of 12 IHPC, Moscow-Kostroma-Moscow, Russia, 2002, pp. 189-194).
Также возможно терморегулирование с помощью активных средств, например, нагревателя, осуществляющего тепловое воздействие на компенсационную полость (патент RU 2062970, приоритет 27.06.1996). Для работы данной системы применяется термодатчик, по показаниям которого блок автоматического управления изменяет мощность электронагревателя, установленного на компенсационной полости КТТ. Увеличение подводимого к компенсационной полости теплового потока приводит к (дополнительному) блокированию части конденсатора КТТ жидким теплоносителем и, соответственно, снижению тепловой проводимости от охлаждаемого объекта к конденсатору КТТ. Практика показала, что недостатком системы, приведенной в патенте RU 2062970, является отсутствие в ней средства, обеспечивающего гарантированный запуск КТТ, если циркуляция теплоносителя прекратилась. Ситуация при которой необходимо осуществлять повторный запуск возникает, когда конденсатор КТТ нагревается выше температуры испарителя и циркуляция теплоносителя в КТТ прекращается, в результате временного «диодного» режима ее работы. Позднее, конденсатор охлаждается и появляется возможность сбрасывать тепло в окружающую среду, но испаритель, контактирующий с термоинерционным объектом, не способен восстановить утраченный температурный напор на КПВ, чтобы инициировать циркуляцию теплоносителя. Также из практики известны случаи, когда КТТ может не запуститься при медленном нагреве испарителя, который должен охлаждать платформу с оборудованием, обладающую высокой тепловой инерцией. В подобных ситуациях возникает необходимость в дополнительных средствах запуска для инициации или возобновления циркуляции в КТТ. В качестве подобного средства очень эффективно применение термоэлектрического микрохолодильника (ТЭМХ), так как с его помощью можно создать необходимую разность температур и, следовательно, перепад давлений между испарителем и компенсационной полостью (и, как следствие, на КПВ).
Устройство, обеспечивающее запуск КТТ с помощью ТЭМХ и управляемого клапана, предложено в патенте SU 1834470, приоритет от 20.07.1995. Здесь регулирование температуры осуществляется при использовании КТТ в режиме теплового ключа. ТЭМХ имеет тепловой контакт, одновременно с испарителем и с компенсационной полостью КТТ, при этом, холодный спай подсоединен к компенсационной полости, а горячий к испарителю. Управляется ТЭМХ с помощью блока управления по показаниям датчика температуры. При открытом клапане КТТ «выключена». «Включение» КТТ производится включением ТЭМХ при нормально закрытом клапане по сигналу с блока управления. ТЭМХ является самым эффективным средством запуска КТТ, однако, ТЭМХ конструктивно ненадежен, имеет ограниченный ресурс, а в выключенном состоянии «шунтирует» трубу, т.е. является пассивным тепловым проводником от испарителя к компенсационной полости, что увеличивает термическое сопротивление КТТ и, соответственно, снижает эффективность терморегулирования.
Наиболее близким аналогом к заявленной системе терморегулирования, выбранным в качестве прототипа, является система терморегулирования оборудования КА, приведенная в описании патента RU 2505770, приоритет от 26.07.2012. Система содержит термостатируемую панель со встроенными тепловыми трубами, подключенную к радиатору-охладителю посредством регулируемой контурной тепловой трубы, испаритель которой установлен на панели, а конденсатор встроен в радиатор-охладитель. Система снабжена регулятором температуры в виде ТЭМХ, включение и выключение которого осуществляется блоком управления по показаниям температурных датчиков, установленных на испарителе и радиаторе, при этом для запуска контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в прямой полярности, обеспечивающей охлаждение компенсационной полости, а для останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в обратной полярности, обеспечивающей нагрев компенсационной полости. Как правило, данные системы снабжаются пассивным терморегулирующим устройством, например, в виде трехходового клапана, обеспечивающим отключение радиатора-охладителя в случае снижения температуры теплоносителя в паропроводе ниже допустимого уровня во избежание переохлаждения термостатируемого оборудования. Указанная система терморегулирования достаточно эффективно решает задачи по обеспечению заданного температурного режима оборудования КА, в том числе, и по обеспечению повторного запуска КТТ, если циркуляция теплоносителя в ней прекратилась. Однако, ограниченный ресурс и недостаточная надежность, присущие ТЭМХ, приводят к снижению надежности и уменьшению срока службы всей СТР в целом.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение надежности СТР оборудования КА с обеспечением гарантированного запуска или повторного запуска после останова или частичного останова циркуляции теплоносителя в КТТ, охлаждающей теплоинерционный объект и функционирующей при изменяющихся условиях стока тепла, приводящих к останову циркуляции теплоносителя в КТТ.
Указанная задача обеспечивается тем, что в отличие от известной системы терморегулирования оборудования КА, содержащей термостатируемую панель со встроенными тепловыми трубами, подключенную к радиатору-охладителю посредством регулируемой контурной тепловой трубы, испаритель которой установлен на панели, а конденсатор встроен в радиатор-охладитель, датчик температуры, активный регулятор температуры, установленный на наружной поверхности контурной тепловой трубы, пассивное терморегулирующее устройство, установленное в паропроводе контурной тепловой трубы, и блок управления, вход которого подключен к выходу датчика температуры, а выход к входу активного регулятора температуры, новым является то, что активный регулятор температуры выполнен в виде локального нагревателя, установленного на внешней стороне корпуса испарителя вне зоны теплового контакта испарителя с термостатируемой панелью.
Кроме того, минимальное расстояние между локальным нагревателем и зоной теплового контакта с термостатируемой панелью, выбирается по формуле:
где:
2
L - расстояние между зоной установки локального нагревателя и зоной контакта с термостатируемой панелью, м;
СТ
λ - теплопроводность стенки корпуса испарителя, Вт/(м·К);
СТ
δ - толщина стенки корпуса испарителя, м;
1
L - длина зоны установки локального нагревателя, м;
2
α - коэффициент теплопередачи в зоне испарения (определяется экспериментально для конкретной конструкции испарителя и применяемого материала капиллярно-пористой вставки испарителя), Вт/(м·К).
Кроме того, мощность локального нагревателя определяется с помощью соотношения:
где:
s
Q - мощность локального нагревателя, Вт;
π - число Пи;
П
µ - вязкость пара, Па·с;
П
d - внутренний диаметр паропровода, м;
r - теплота испарения, Дж/кг;
КПВ
L - длина капиллярно-пористой вставки (КПВ) испарителя, м;
2
K - проницаемость материала КПВ, м;
Н
D - диаметр КПВ наружный, м;
В
D - диаметр КПВ внутренний, м;
П
L - длина трубки паропровода, м;
К
L - длина трубки конденсатора, м;
Ж
L - длина трубки конденсатопровода, м;
п
d - внутренний диаметр трубки паропровода, м;
к
d - внутренний диаметр трубки конденсатора, м;
ж
d - внутренний диаметр трубки конденсатопровода, м.
Кроме того, система снабжена блокирующим нагревателем, установленным на внешней стороне корпуса между зоной теплового контакта с термостатируемой панелью и торцом испарителя, обращенным к компенсационной полости КТТ, без возможности теплового контакта с ними, при этом толщина стенки капиллярно-пористой вставки под блокирующим нагревателем ступенчато (локально) уменьшена в зоне контакта блокирующего нагревателя с корпусом испарителя, а мощность блокирующего нагревателя выбирается с помощью следующего соотношения:
где:
В
Q - мощность блокирующего нагревателя, Вт;
σ - поверхностное натяжение жидкости, Н/м;
r - теплота испарения, Дж/кг;
2
K - проницаемость материала КПВ, м;
π - число Пи;
Н
D - диаметр КПВ наружный, м;
В
δ - толщина КПВ в месте установки нагревателя, м;
Ж
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
ЭФФ
R - эффективный радиус пор КПВ, м;
Ж
µ - вязкость жидкости, Па∗с;
3
L - длина зоны КПВ имеющая толщину δ, м.
Кроме того, пассивное регулирующее устройство выполнено в виде трехходового клапана, установленного в паропроводе контурной тепловой трубы, при этом, один из выходов клапана подсоединен к входу в радиатор, а другой, посредством байпасной линии, подсоединен к конденсатопроводу контурной тепловой трубы на входе в компенсационную полость.
Выполнение регулятора температуры в виде локального нагревателя, установленного на внешней стороне корпуса испарителя вне зоны теплового контакта с термостатируемой панелью, позволяет повысить надежность СТР оборудования КА с обеспечением гарантированного запуска, а также повторного запуска КТТ после останова или частичного останова циркуляции теплоносителя.
Выбор минимального расстояния между локальным нагревателем и зоной теплового контакта испарителя с термостатируемой панелью, по формуле (1) позволяет заданным образом сократить тепловой поток, уходящий от локального нагревателя на нагрев «пристыкованной» к испарителю теплоемкости.
Использование соотношения (2) позволяет оценить и применить (теоретическую) мощность локального нагревателя необходимую для старта циркуляции теплоносителя в КТТ.
Использование блокирующего нагревателя, мощность которого можно оценить по формуле (3), позволит прекращать или сокращать циркуляцию теплоносителя за счет организации целенаправленного «пробоя» потока пара из испарителя в компенсационную полость, т.е. по аналогии с воздействием на КТТ трехходового клапана. Таким образом, при отказе 3х-ходового клапана в регулируемой КТТ или при ненадлежащей работе 3х-ходового клапана - блокирующий нагреватель может служить резервным средством, подобно тому как в прототипе (патент RU 2505770) применяется ТЭМХ с обратной полярностью питания.
Выполнение пассивного регулирующего устройства в виде трехходового клапана, установленного в паропроводе контурной тепловой трубы, у которого один из выходов клапана подсоединен к входу в радиатор, а другой, посредством байпасной линии, подсоединен к конденсатопроводу контурной тепловой трубы на входе в компенсационную полость позволяет снизить энергозатраты на терморегулирование и повысить надежность системы.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - принципиальная схема системы терморегулирования;
Фиг. 2 - испаритель КнТТ с установленным локальным нагревателем в разрезе;
Фиг. 3 - испаритель КнТТ с установленными локальным и блокирующим нагревателями в разрезе;
Фиг. 4 - разрезы испарителя КнТТ по А-А, Б-Б, В-В и Г-Г.
Система терморегулирования содержит термостатируемую панель 1 со встроенными тепловыми трубами, подключенную к радиатору-охладителю 2 посредством регулируемой контурной тепловой трубы КТТ, состоящей из испарителя 3 с капиллярно-пористой вставкой 4 и присоединенной компенсационной полостью 5, конденсатора 6 и транспортных каналов для пара и жидкости, (паропровода 7 и конденсатопровода 8), с помощью которых соединяется испаритель 3 с конденсатором 6. Тепловой контакт испарителя 3 с панелью 1 обеспечивается с помощью контактного фланца 9. Испаритель 3 установлен на панели 1, а конденсатор 6 встроен в радиатор-охладитель 2. Система снабжена датчиком температуры 10, активным регулятором температуры, выполненным в виде локального нагревателя 11, установленного на внешней стороне корпуса испарителя вне зоны теплового контакта испарителя 3 с термостатируемой панелью 1, блоком управления 12, вход которого подключен к выходу датчика температуры 10, а выход к входу локального нагревателя 11. Также система содержит пассивное регулирующее устройство в виде трехходового клапана 13, установленного в паропроводе 7 контурной тепловой трубы. При этом, один из выходов клапана подсоединен к входу в конденсатор 6, а другой, посредством байпасной линии 14, подсоединен к конденсатопроводу 8 контурной тепловой трубы на входе в компенсационную полость 5. Блокирующий нагреватель 15 также устанавливается отдельно от фланца испарителя 9, контактирующего с термостатируемой панелью 1. При этом, как показывают Фиг. 3 и Фиг. 4 с внутренней стороны КПВ под блокирующим нагревателем в структуре КПВ 4 сделана выемка (снижающая ее толщину), что позволит осушать данную, выделенную область КПВ с помощью блокирующего нагревателя 15.
Зона установки локального нагревателя 11 на цилиндрическом испарителе имеет длину L1 и она должна располагаться на некотором удалении от места теплового соединения испарителя с охлаждаемым объектом 9. Капиллярно-пористая вставка (КПВ) 4 пропитана жидким теплоносителем. Внешняя поверхность КПВ предназначена для генерации пара, внутренняя - для подпитки жидким теплоносителем. Внутренняя поверхность КПВ обращена к компенсационной полости 5, которая расположена со стороны конденсатопровода 8.
Задача локального нагревателя 11 - «точечно» разогреть стенку испарителя для интенсивной генерации пара, который должен освободить от жидкости паровой канал. Поскольку предполагается, что конденсатор 6 находится в расчетных условиях, обеспечивающих необходимый сток тепла, достаточно кратковременного действия нагревателя 11, которое повлечет за собой поступление холодной жидкости из конденсатора 6 в компенсационную полость 5. Дальнейшая циркуляция будет происходить уже за счет отвода тепла от объекта, который охлаждается с помощью КТТ и за счет регулярного поступления охлажденного теплоносителя из конденсатора в компенсационную полость.
Известно, что запуск КТТ из состояния, соответствующего максимальному температурному напору между испарителем и конденсатором сопровождается лавинообразным перемещением жидкости из конденсатора в компенсационную полость. Объясняется лавинообразный характер запуска тем, что как только сильно охлажденная жидкость попадает в компенсационную полость, пар в ней конденсируется, привлекая на освободившееся место больше и больше холодной жидкости из конденсатора, которая, в свою очередь дополнительно охлаждает компенсационную полость и инициирует дополнительную конденсацию. Это приводит КТТ к такому состоянию, при котором ее термическое сопротивление становится минимальным. В конечном итоге, устанавливается стабилизировавшаяся циркуляции теплоносителя.
Для того, чтобы локальный нагреватель 11 мог разогреть стенку корпуса испарителя до необходимой температуры, следует минимизировать тепловую связь между выделенной для нагревателя зоной и местом соединения корпуса испарителя с охлаждаемым объектом 9. Т.е. доля тепла, подводимая нагревателем 11, к расположенному под ним участку КПВ, должна быть преобладающей по отношению к доле, распределяющейся по корпусу. С учетом сказанного, дистанцию между зонами можно определить из соотношения (1).
В ряде работ, посвященных КТТ, и в частности в работе “Investigation of Temperature Fluctuations in Loop Heat Pipes” K. Goncharov, E. Kotlyarov, R. Schlitt and etc. 24 ICES, Friedrichshafen, Germany, June 20-23, 1994, описана «U-образная теплопередающая характеристика КТТ, выражающая связь между передаваемой нагрузкой и температурным перепадом «пар-жидкость». Экстремум данной характеристики определяет условную границу между стабильной и недостаточно стабильной работой КТТ. Как правило, в зону стабильной работы КТТ попадает рабочая точка, расход теплоносителя для которой, с помощью числа Рейнольдса, можно определить как:
где:
Ж
m - массовый расход теплоносителя в конденсатопроводе, кг/с;
π - число Пи;
П
µ - вязкость пара, Па·с;
П
d - диаметр паропровода внутренний, м.
Ж
Для того, чтобы двигать жидкость, которая на момент старта заполняет паропровод, конденсатопровод и конденсатор, со скоростью соответствующей расходу m - надо (с помощью нагревателя 11) в испарителе генерировать пар, который должен создавать соответствующее давление. При этом, значимая доля тепла, подводимая к испарителю локальным нагревателем, должна компенсировать конденсацию пара, которая сразу начнет происходить в более холодных участках поверхности КПВ. В самом худшем сценарии при запуске КТТ расход конденсирующегося в испарителе пара (генерируемого нагревателем 11) не превысит значения:
где:
m - расход пара, генерируемого в результате включения локального нагревателя, кг/с;
Qs - мощность локального нагревателя, Вт;
r - теплота испарения, Дж/кг.
Выражение (2) связывает расход конденсата, продавливаемого через КПВ по условию (5) и заданный режим движения пробки жидкости из конденсатора в компенсационную полость, который соответствует условию (4), как условию запуска. Т.е. потери напора, необходимые для продавливания жидкости через КПВ и для ее одновременного движения по контуру приравниваются между собой с целью выразить Qs. Таким образом, рассчитанную по выражению (2) тепловую нагрузку Qs можно рекомендовать к применению для выбора мощности нагревателя 11.
Блокирующий нагреватель 15 также устанавливается отдельно, с целью локального теплового воздействия на капиллярно-пористую структуру через стенку корпуса испарителя. Задача данного нагревателя «осушить» КПВ так, чтобы получился сквозной пробой между парогенерирующей поверхностью, прилегающей к корпусу испарителя и внутренним каналом КПВ, обращенным к компенсационной полости. Для осуществления этой задачи толщина стенки КПВ под блокирующим нагревателем делается минимальной, т.е. стенка делается только для сохранения функций гидрозатвора, что контролируется в процессе технологии изготовления КПВ. Условие осушения данного участка КПВ определяется выражением (3), смысл которого заключается в достижении капиллярного предела подпитки жидким теплоносителем участка КПВ, имеющего уменьшенную толщину. Для того чтобы исключить подпитку этого участка из центрального канала, поры КПВ со стороны компенсационной полости изолируются (например, посредством экранирования). Тогда условия пробоя КПВ можно сформулировать (рассматривая подпитку только в осевом направлении) с помощью уравнения Пуазейля:
где:
σ - поверхностное натяжение теплоносителя, Н/м;
ЭФФ
R - эффективный радиус пор КПВ, м;
Ж
µ - вязкость жидкости, Па∗с;
В
Q - мощность блокирующего нагревателя, Вт;
3
L - длина зоны КПВ имеющая толщину δВ, м;
r - теплота испарения, Дж/кг;
2
K - проницаемость материала КПВ, м;
π - число Пи;
Н
D - диаметр КПВ наружный, м;
В
δ - толщина КПВ в месте установки нагревателя, м;
Ж
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
В
Простое преобразование выражения (6) дает выражение (3), применяемое для оценки значения Q.
Работа предлагаемой системы терморегулирования происходит следующим образом. В штатном, номинальном режиме работы оборудование, установленное на термостатируемой панели, выделяет тепло, которое концентрируется с помощью тепловых труб в зоне испарителя КТТ и, далее, с помощью данной КТТ передается к РТО, где излучается в космическое пространство. Пассивный регулятор температуры, в качестве которого, обычно, служит трехходовой клапан, является ограничителем тепловой проводимости КТТ, когда хладопроизводительность РТО превышает необходимое значение. В результате, сопротивление КТТ увеличивается на нужную величину так, чтобы температура испарителя не опустилась ниже заданного уровня.
Если при изменении внешних условий радиатор нагрелся до температуры выше температуры испарителя - циркуляция теплоносителя в КТТ прекращается. Это закономерное и запланированное самоотключение КТТ, которое необходимо для того, чтобы исключить перегрев оборудования. Однако, после «возврата» РТО на уровень рабочих температур запуск КТТ может не произойти, что известно из практики охлаждения теплоинерционных объектов. В этом случае предложенный локальный нагреватель позволит инициировать циркуляцию теплоносителя в КТТ. Включить локальный нагреватель можно с помощью блока управления по показаниям датчика температуры (или нескольких датчиков, как в прототипе). В простейшем сценарии управления запуск необходимо производить, если температура панели с оборудованием приблизилась к некоторому верхнему разрешенному пределу.
Если же КТТ работает, но температура охлаждаемого объекта достигла нижнего температурного предела и продолжает снижаться, значит - пассивный регулятор не выполняет (или не в полной мере выполняет) свою задачу. В таком случае, в работу должен вступить предлагаемый блокирующий нагреватель. С его помощью тепловая проводимость КТТ может быть снижена до заданной величины, исключающей недопустимое охлаждение платформы с приборами.
Таким образом, с помощью двух нагревателей (локального и блокирующего), специальным образом установленных на корпусе испарителя, можно управлять запуском и остановом (или частичным остановом) циркуляции теплоносителя в КТТ, для сформулированных выше условий применения СТР. При этом, можно отказаться от применения ТЭМХ, или продублировать его работу, существенно повысив надежность СТР, в целом.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить надежность систем терморегулирования, использующих для охлаждения теплоинерционных объектов КА регулируемые контурные тепловые трубы (КТТ) и радиаторы-охладители, и обеспечивает гарантированный запуск циркуляции теплоносителя в КТТ, а также повторный запуск КТТ после останова циркуляции теплоносителя в случае возникновения диодного режима работы КТТ.