ЭЛЕМЕНТ УСТРОЙСТВА СБРОСА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
ELEMENT OF SPACECRAFT LOW-POTENTIAL ENERGY RELEASE DEVICE

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в конструкциях устройств сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата, в том числе в конструкциях холодильников-излучателей космических аппаратов (КА) и энергетических установок.
В настоящее время широко известны конструкции трубчатых холодильников-излучателей, в которых трубки с теплоносителем приварены к силовой обечайке и не защищены от микрометеоритов, в связи с чем имеют сравнительно небольшой срок службы.
Для решения этой проблемы были предложены холодильники-излучатели, которые состоят из элементов, содержащих металлические трубки с теплоносителем, снабженные внешним защитным слоем из материала с высокой теплопроводностью для лучшего отвода тепла от трубок. Например, техническое решение по патенту US 5150748 А от 29.09.1992 г. (прототип). В указанном решении раскрыт элемент устройства для сброса тепла, содержащий металлическую трубку и защитный слой из коротких волокон, например, углеродных, одним концом прикрепленных к металлической трубке, внутри которой течет горячий теплоноситель, а другим концом направленных в космическое пространство. Эта конструкция обладает следующими недостатками:
- волокна в защитном слое расположены на расстоянии друг от друга, микрометеориты, размеры которых меньше этого расстояния, могут
беспрепятственно проникать между волокнами и ударно воздействовать на стенку металлической трубки, нарушая ее целостность;
- излучение с боковой поверхности волокон в значительной степени экранируется другими волокнами, поэтому эквивалентная поверхность излучения меньше суммарной поверхности волокон, а дополнительный вес волокон используется неполностью (экранируемые участки волокон не работают по своему прямому назначению и поэтому являются лишь «балластом», прибавляя дополнительный вес);
- известный способ крепления волокон внешнего слоя к металлической трубке не позволяет обеспечить хороший тепловой контакт между ними;
- защитный слой по прототипу не обладает достаточной жесткостью.
Задача предлагаемого изобретения заключается в устранении вышеуказанных недостатков.
Технический результат изобретения заключается в увеличении степени защиты излучателя устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата от микрометеоритов и космического мусора при повышении его теплоотводящей способности.
Указанный результат обеспечивается тем, что излучатель устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата, содержащий металлическую трубку, снабжен внешним защитным теплопроводящим слоем. Внешний защитный теплопроводящий слой выполнен по крайней мере из двух одинаковых расположенных вокруг трубки продольных трубчатых элементов. Стенки соседних трубчатых элементов соприкасаются и выполнены из углерод-углеродного композиционного материала на основе высокотеплопроводного углеродного волокна. Торцы трубчатых элементов закрыты, а внутри трубчатых элементов размещен легкий заполнитель.
Высокотеплопроводное углеродное волокно может быть выполнено в виде жгута или ленты.
Заполнитель может быть выполнен из вспененной керамики.
Вспененная керамика может быть выполнена в виде засыпки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана аксонометрическая проекция излучателя устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата с закрытыми торцами, заполненного легким заполнителем.
На фиг. 2 показан разрез А-А излучателя устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата.
Приведенный на фиг. 1 излучатель состоит из металлической трубки (1) и внешнего защитного теплопроводящего слоя, выполненного из 8 трубчатых элементов (2), причем стенки соседних трубчатых элементов соприкасаются и выполнены из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе высокотеплопроводного углеродного волокна (УВ), например углеродного волокна марки XN-90-60S, обладающего теплопроводностью свыше 500 Вт/(м·К), трубчатые элементы заполнены легким заполнителем (3), торцы трубчатых элементов закрыты разжимными заглушками (4) из углерод-углеродного композиционного материала.
Внешний защитный теплопроводящий слой выполнен в форме трубчатых элементов, что увеличивает площадь теплоотдачи и позволяет сделать теплообменники, где используется предлагаемое устройство, более легкими, а это, в свою очередь, позволяет увеличить полезную массу космических установок.
Расположение внешнего защитного теплопроводящего слоя продольно по всей длине металлической трубки предусматривает контакт теплопроводящего материала через металл с теплоносителем по всей поверхности трубки для обеспечения лучшего отвода тепла на излучающую поверхность.
Использование соприкасающихся стенок трубчатых элементов позволяет повысить прочность внешнего защитного теплопроводящего слоя и обеспечивает максимальную площадь контакта с теплопередающей трубкой.
Степень защиты тепловой трубки повышается за счет жесткости внешнего защитного теплопроводящего слоя из углерод-углеродного композиционного материала в форме трубчатых элементов с легкой засыпкой внутри.
УУКМ - легкий материал с высокими эксплуатационными свойствами, его применение для изготовления внешнего защитного теплопроводящего слоя позволяет существенно уменьшить массу устройства в целом, а изготовление УУКМ на основе УВ с высокой теплопроводностью в виде длинномерных лент или жгутов позволяет существенно увеличить теплопроводность УУКМ в целом и, как следствие, повысить теплоотводящую способность внешнего теплопроводящего слоя.
Применение легкой засыпки, выступающей в качестве буфера между трубкой с теплоносителем и космическим мусором, позволяет защитить трубки с теплоносителем от повреждений в случае попадания микрометеоритов.
Излучатель устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата работает следующим образом. Теплоноситель (жидкость или газ), отводящий тепло от охлаждаемых частей космического аппарата, направляют в металлическую трубку (1) предлагаемого излучателя. Тепло от теплоносителя передается через стенку металлической трубки (1) на внешний защитный теплопроводящий слой (2), форма трубчатого элемента которого за счет увеличения площади теплоотдачи обеспечивает эффективный сброс тепла посредством лучистого теплообмена в космическое пространство. В случае попадания микрометеорита во внешний защитный теплопроводящий слой (2) происходит передача ударной нагрузки в объем легкого заполнителя (3), где происходит ее гашение.
Внешний защитный теплопроводящий слой предлагаемой конструкции имеет развитую излучающую поверхность и минимальный вес. Эффективность конструкции излучателя устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата можно оценить параметром m/Q (m - масса элемента в кг, Q - сбрасываемая энергия в кВт), чем ниже значение этого параметра, тем выше эффективность. Известные в настоящее время устройства того же назначения без защиты от микрометеоритов в диапазоне температур 650÷385 К характеризуются m/Q ~ 2,5. Предлагаемая конструкция элемента характеризуется m/Q ~ 1,5÷2 (данные с засыпкой), оцененной при сбросе 1,25 МВт тепла, в интервале температур 650÷385 К, что подтверждает его эффективность.