ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩАЯ ПАНЕЛЬ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
HEAT TRANSFER PANEL OF A SPACE VEHICLE

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в системах терморегулирования космических аппаратов (КА) при обеспечении теплового режима оборудования, установленного на искусственных спутниках Земли, в том числе на малых космических аппаратах.
Известно использование тепловых сотопанелей (ТСП) для обеспечения теплового режима оборудования и приборов КА. Тепловая сотопанель является эффективным теплопередающим устройством, представляющим собой, как правило, плоскую, трехслойную конструкцию, (образованную из двух тонких обечаек и сотового наполнителя), внутри которой встроены закладные элементы для крепления приборов и тепловые трубы с герметичными полостями, заполненными теплоносителем. ТСП одновременно выполняет тепловые и прочностные функции при создании негерметичных приборных отсеков КА различной конфигурации. Оборудование, которое устанавливается на тепловую сотопанель, имеет плоские контактные основания, через которые тепло, выделяемое указанным оборудованием, поступает в тепловые трубы (ТТ), встроенные в ТСП, а затем (при необходимости, через дополнительные теплопроводы) к радиационным теплообменникам.
Высокая плотность теплового потока от электроприборов на малых компоновочных площадях панелей КА требует решения проблемы отвода тепла и обеспечения рабочих температур оборудования, конструкции и элементов КА в пределах жестко ограниченных диапазонов работы системы терморегулирования. Для обеспечения требований рабочих температур в месте установки приборов необходимо повысить эффективность системы терморегулирования (СТР) за счет создания теплоотводящей панели (термопанели), способной отводить тепло и эффективно распределять температуру по поверхности панели в местах установки приборов КА.
Известен космический модуль (патент RU №2389660, B64G 1/00), содержащий несущую конструкцию с силовыми элементами, выполненную в виде правильной треугольной призмы. Платформа выполнена в виде плоской трехслойной панели с несущими слоями и заполнителем. Радиаторы-излучатели в виде прямоугольных трехслойных панелей с сотовым заполнителем и сложенные солнечные батареи размещены параллельно боковым стенкам несущей конструкции. В данном модуле для решения проблемы терморегулирования платформа и радиаторы-излучатели снабжены тепловыми трубами для сброса избыточного тепла в космическое пространство. Часть тепловых труб проложена внутри сотового заполнителя платформы. Блоки бортовой аппаратуры размещены между несущей конструкцией и торцом платформы.
Недостатки космического модуля обусловлены конструктивно-компоновочной схемой и заключаются в повышенной массе конструкции - средства обеспечения теплового режима включают три каскада тепловых труб, радиаторы-излучатели выполнены и размещены отдельно от несущей конструкции. Создание такой конструкции требует увеличенных затрат на ее изготовление, а компоновка модуля отличается неудобством обслуживания при наземной отработке.
Известен также космический аппарат блочно-модульного исполнения (патент RU 2092398, B64G 1/10). КА содержит многоцелевую полезную нагрузку, двигательный блок с двигателями системы коррекции, ориентации и стабилизации, топливными баками и магистралями подачи рабочего тела, два крыла раскладывающихся панелей солнечной батареи, установленных симметрично продольной оси корпуса. Также КА содержит негерметичный приборный контейнер параллелепипедной формы, выполненный из плоских П, Н и U-образных сотопанельных блоков, с расположенными внутри приборами. КА ориентирован в околоземном космическом пространстве своими гранями, выполненными в виде радиаторов-излучателей, соответственно на Север и Юг. На внутренней стороне радиаторов-излучателей установлены приборы, а наружные стороны радиаторов-излучателей выполнены с терморегулирующим покрытием типа солнечного отражателя. Система терморегулирования выполнена по пассивному типу и состоит из радиаторных сотопанелей, включающих в себя тепловые трубы и обшивки, радиационное покрытие типа оптического солнечного отражателя (ОСО) и экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ).
Недостатки данного космического аппарата заключаются в следующем.
1. Приборный контейнер КА образован в виде параллелепипеда путем объединения по механическим и электрическим связям Н-образного, U-образного и П-образного сотопанельных блоков, в каждом из которых теплопередача тепловыми трубами между сотопанелями обеспечивается разобщенно, например для П-образного блока с одной стороны между средней сотопанелью и северным радиатором-излучателем, а с другой стороны между средней сотопанелью и южным радиатором-излучателем. Так как температуры указанных радиаторов-излучателей могут значительно отличаться друг от друга, то, как следствие этого, возникает и большая разница между температурами испарителей их ТТ, что приводит к ухудшению эффективности терморегулирования приборов. При этом во всех блоках осуществляется конструктивная и тепловая увязка всех трех плоских сотопанелей и теплонагруженных приборов и узлов в единую тепловую сеть с помощью различного типа ТТ только в пределах каждого блока, а не всего приборного контейнера в целом.
2. Компоновка приборного контейнера из Н-образного, U-образного и П-образного блоков не является оптимальной, с точки зрения плотности, т.к. форма внутреннего объема, образованного блоками, предоставляет недостаточную площадь под приборы. При этом такая компоновка приборного контейнера с отсутствием тепловой связи между блоками не позволяет эффективно перераспределять внутренние и внешние тепловые потоки и не обеспечивает достаточную термостабилизацию приборов и оборудования.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является теплопередающая панель КА, выполненная секционной и состоящей из жестко соединенных друг с другом отдельных пустотелых секций с тепловыми трубами, выполненными в виде единой герметичной монолитной конструкции (патент RU 2536760, F28D 15/02). Теплопередающая панель содержит металлическую обшивку, внутри которой встроены тепловые трубы.
Данное техническое решение увеличивает эффективность теплового контакта между охлаждаемым оборудованием и встроенными тепловыми трубами, снижает температурный перепад между источником и стоком тепла, исключает сотовый заполнитель и клей из применяемых материалов, повышает надежность и долговечность конструкции, а также существенно упрощает технологию изготовления приборной панели, которая сочетает в себе тепловые и прочностные функции.
Тем не менее предложенная конструкция ближайшего аналога обладает следующими недостатками:
- тепловой контакт между отдельными секциями обеспечивается механическим стягиванием болтами или шпильками. При этом наряду с применением теплопроводящей пасты требуется обеспечение необходимой плоскостности боковых контактных поверхностей секций, что усложняет конструкцию;
- конструкция не предусматривает установку поперечных тепловых труб для выравнивания температуры по площади панели. Коллекторная тепловая труба не может обеспечить передачу значительных тепловых потоков при большой длине секций;
- механическое стягивание отдельных секций не может обеспечить механической прочности панели, поэтому секции панели дополнительно соединяются друг с другом с помощью фермы, расположенной с наружной стороны обшивки, что усложняет конструкцию и увеличивает ее вес.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является увеличение эффективности теплового контакта между охлаждаемым оборудованием и радиационной поверхностью теплопередающей панели, а также равномерное распределение теплового потока по всей поверхности панели.
Поставленная задача решается тем, что в теплопередающей панели космического аппарата, представляющей собой плоскую герметичную панель, состоящую из двух обшивок, между которыми расположена система тепловых труб, согласно изобретению, система тепловых труб выполнена в виде решетчатой конструкции из изогнутых в форме синусоиды труб, с образованием взаимно пересекающихся основного и резервного контуров, создающих замкнутую испарительно-конденсационную систему, причем свободное пространство внутри обшивок заполнено пенно-композиционным материалом. Обшивки выполнены из алюминиевого сплава или теплопроводного углепластика. Тепловые трубы выполнены из алюминиевого сплава, а их синусоидальную форму обеспечивают применением полуавтоматической или автоматической гибки и последующей контактной сварки.
В качестве пенно-композиционного материала используют сплав AZ91, либо фомалюм, либо другие пенометаллы.
Для крепления блоков приборов применяют закладные элементы, устанавливаемые внутри теплопередающей панели.
Технический результат достигается за счет выполнения в теплопередающей панели системы тепловых труб в виде решетчатой конструкции из изогнутых в форме синусоиды труб, с образованием взаимно пересекающихся основного и резервного контуров, что обеспечивает увеличение площади теплового контакта между обшивками и способствует выравниванию температурного поля в целом по панели и повышению эффективности теплоотвода. Синусоидальная форма трубок обеспечивает доставку теплоносителя от зоны нагрева приборов в зону отдачи тепла, при соприкосновении с этими зонами амплитудных точек синусоиды.
Сущность изобретения поясняется эскизами, на которых:
На фиг. 1 показана заявляемая теплопередающая панель без передней обшивки.
На фиг. 2 показан вид сбоку на теплопередающую панель без обшивок.
На фиг. 2а показаны тепловые трубы на участке пересечения продольного и поперечного направлений тепловых труб.
На фиг. 3 представлен участок системы тепловых труб синусоидальной формы (без пересечения).
Теплопередающая панель (фиг. 1) выполнена в виде двух плоских обшивок 1. Материал обшивок - алюминиевый сплав или теплопроводный углепластик. Система тепловых труб выполнена в виде решетчатой конструкции, образованной пересекающимися в продольном и поперечном направлениях тепловыми трубами 3, имеющими волнообразную синусоидальную форму (фиг. 3). Решетчатая конструкция позволяет создать взаимно перекрещивающиеся каналы из тепловых труб, внутри которых расположены фитили. На фиг. 2а показаны тепловые трубы на участке пересечения продольного и поперечного направлений, имеющие внутренний диаметр - d1, внешний диаметр - D2; размеры подбираются исходя из условия работоспособности тепловых труб, использующих капиллярный механизм транспортировки конденсата. На фиг. 2 показано взаимное перекрещивание каналов тепловых труб, которые составлены из типовых участков (фиг. 3). Потери давления в тепловой трубе компенсируются капиллярным давлением и поэтому не могут превышать максимального капиллярного давления. Система тепловых труб сформирована из основного и резервного теплового контуров 2. Синусоидальную форму трубам из алюминиевого сплава придают, используя полуавтоматическую или автоматическую гибку и контактную сварку. Свободное пространство внутри обшивок заполнено пенно-композиционным материалом 4 с высокими теплопередающими и прочностными свойствами, например, сплав AZ91 или фомалюм, либо другие пенометаллы, придающие прочностные свойства панели и служащие для монтажа приборов КА при помощи закладных элементов. Применение в теплопередающей панели пенно-композиционных материалов позволяет исключить применение сотовых заполнителей и клея, и, следовательно, обеспечить лучший тепловой контакт и снизить загазованность.
Размеры теплопередающей панели ограничены конструктивными размерами рабочей зоны приборного блока.
Теплопередача в предлагаемой панели происходит следующим образом.
1. Внутренняя структура теплопередающей панели позволяет теплоносителю свободно перемещаться по всей плоскости панели внутри пересекающихся в продольном и поперечном направлениях крестообразно расположенных тепловых труб с фитилями (фиг. 1). Соединение тепловых труб в волнообразный решетчатый контур обеспечивает двойное резервирование замкнутой испарительно-конденсационной системе. Двойное резервирование обеспечивается укладкой соседних тепловых труб «в противофазе» с попеременным чередованием амплитудных точек синусоиды в теплой и холодной зонах. В качестве рабочей жидкости используется аммиак. Перенос тепла по панели осуществляется за счет движения рабочей жидкости от области нагрева к области конденсации за счет естественной конвекции по фитилям, уложенным в тепловые трубы. При нагреве жидкий теплоноситель начинает испаряться и в виде пара двигается в зону охлаждения, затем конденсируясь, по фитилю в виде жидкости перемещается снова к зоне нагрева, таким образом распределяя тепло по панели. Тепловые трубы соединены между собой в волнообразный решетчатый контур с двойным резервированием, образуя единую замкнутую испарительно-конденсационную систему. Движение рабочего вещества осуществляется за счет капиллярных сил, что не требует использования насосов и сложных контуров для перекачивания охлаждающей жидкости. Максимальный капиллярный напор фитиля должен превышать сумму давлений, возникающих в жидкости, движущейся по фитилю, и в паре, движущемуся по паровым каналам. Если это условие не выполняется, фитиль, находящийся под тепловыделяющим элементом, осушается, и эффективная теплопроводность панели резко падает. Отвод тепла осуществляется радиационной поверхностью одной из обшивок теплопередающей панели.
Главное преимущество заявленной теплопередающей панели с фазовым переходом состоит в высокоэффективной системе отвода тепла и равномерного распределения температуры по поверхности панели с разницей до 5°С.
Заявляемая теплопередающая панель обладает увеличенной эффективностью теплового контакта между охлаждаемым оборудованием и радиационной поверхностью теплопередающей панели, а также обеспечивает равномерное распределение теплового потока по всей поверхности панели, достигая при этом упрощения конструкции и уменьшения веса, а также повышения прочности и надежности конструкции.