Система охлаждения космического или наземного аппарата

Полезная модель относится к размещению и модификации устройств для регулирования температуры космического аппарата (МПК: B64G 1/50), а также к холодильным машинам с использованием электрического или магнитного эффектов (МПК: F25B 21/00).
Известна панель холодильника-излучателя (по патенту на изобретение РФ №2610732, по заявке 2015151478 от 2.12.2015 г., B64G 1|50, F28F 3/00), содержащая теплоизлучающую пластину из композиционного материала и металлические трубки для теплоносителя, размещенные между теплоизлучающей пластиной и накладками из композиционного материала, каждая накладка соединена с пластиной и содержит участок, форма которого соответствует форме металлической трубки, отличающаяся тем, что в теплоизлучающей пластине выполнены цилиндрические канавки, в которых размещены металлические трубки для теплоносителя, накладки и теплоизлучающая пластина выполнены из углерод-углеродного композиционного материала, теплоизлучающая пластина содержит расположенные между трубками отверстия, в которых натянуты углеродные волокна с теплопроводностью более 300 Вт/м⋅К. Кроме того, пространство между накладкой и металлической трубкой, а также теплоизлучающей пластиной и металлической трубкой заполнено высокотеплопроводной смазкой. Кроме того, металлические трубки выполнены из алюминия, или меди, или стали. Кроме того, в углерод-углеродном композиционном материале использованы углеродные волокна с высокой теплопроводностью в виде параллельных непрерывных нитей, или лент, или ткани, или сетки. Кроме того, углеродные волокна, натянутые в отверстиях пластины, выполнены в виде нитей, или жгутов, или лент, или ткани, или сетки. Кроме того, панель снабжена ребром жесткости.
Недостатками панели являются большой вес трубок с хладагентом, которые утяжеляют конструкцию, а также неупорядоченное движение основного теплоносителя электронов по волокнам, которое ничем не стимулируется, кроме перепада температур.
Известен космический телескопический холодильник-излучатель (по патенту на изобретение РФ №2562006, по заявке №2014109336/11 от 11.03.2014 г., B64G 1/50, B64G 1/22, F28F 3/02), выполненный полым с возможностью размещения в нем элементов космического аппарата (КА) и состоящий из раздвижных полых секций, включающих стыковочные узлы, обеспечивающие механическую стыковку самих секций, а также, соответственно, стыковочные узлы для соединения гидравлических, пневматических и электрических коммуникаций смежных секций космического телескопического холодильника-излучателя после их раздвижения, отличающийся тем, что каждая раздвижная секция космического телескопического холодильника-излучателя снабжена двумя поворачиваемыми на 180° жесткими теплоизлучающими панелями, связанными с раздвижной секцией узлами поворота соответственно, при этом указанные теплоизлучающие панели повторяют форму раздвижной секции и уложены в стартовом положении на ее поверхность. Кроме того, каждая раздвижная секция снабжена двумя поворачиваемыми на 180° жесткими теплоизлучающими панелями, каждая из которых выполнена, как минимум, из двух сегментов, соединенных между собой шарнирно.
Недостатками холодильника-излучателя являются большой вес трубок с хладагентом, а также при увеличении площади экрана увеличивается вероятность попадания в него метеорита, обломка космического мусора или пули, в результате которого хладагент вытечет наружу и выведет систему охлаждения из эксплуатации.
Известен капельный холодильник-излучатель (по патенту на изобретение РФ №2401778, по заявке 2009142377/11 от 17.11.2009 г, B64G 1/50, F28D 21/00), содержащий систему хранения и подачи теплоносителя, генератор капель с элементом возбуждения акустических колебаний и выходной решеткой, пассивный коллектор капель с щелевыми каналами, перекачивающий насос, трубопроводы, нагреватели элементов конструкции и систему тепловой стабилизации, отличающийся тем, что щелевые каналы пассивного коллектора капель снабжены раздельными линиями питания теплоносителем, содержащими каждая двухпозиционный клапан и автоматический регулятор расхода, а перекачивающий насос дополнительно снабжен байпасным контуром с автоматическим регулятором расхода, при этом автоматические регуляторы расхода, установленные на входах щелевых каналов и в байпасном контуре перекачивающего насоса, а также в контуре генератора капель, соединены через блок регистрации и управления с оптическими датчиками, установленными: один в окрестности горловины коллектора капель, другой на расстоянии от него на величину по крайней мере пятикратного расстояния между центрами капель в направлении их движения, причем угол раскрытия коллектора капель составляет 40-70°.
Недостатками холодильника-излучателя являются большой вес трубопроводов для движения капель, насоса, генератора капель, а также есть вероятность попадания в него метеорита, обломка космического мусора или пули, в результате которого хладагент вытечет наружу и выведет систему охлаждения из эксплуатации.
2
4
Известен материал покрытия с высокой излучательной способностью (по патенту на изобретение РФ №2262552, по заявке №2004100434/02 от 15.01.2004 г., С24С 24/04, С23С 26/00), содержащий хромоникелевую шпинель NiCrO, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбид титана TiC при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Хромоникелевая шпинель NiCr<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
90-92
Карбид титана TiC
8-10
Недостатки материала покрытия не обсуждаются, предлагается его применение.
Известен керамический солнечный экран изучавшего Меркурий космического аппарата «Messenger» (И. Соболев Прощание с Меркурием. / ж. Новости  космонавтики, 2015, вып. 6, с. 59-61), защищавший бортовую аппаратуру и научные инструменты от испепеляющего излучения Солнца: его внешняя поверхность нагревалась до 300°С, но в тени за щитом сохранялась комфортная для аппаратуры температура +20°С.
Недостатком экрана является защита от внешнего излучения, от тепла изнутри аппарата он не защищает.
Техническим результатом полезной модели является создание устройства системы охлаждения космического или наземного аппарата, устойчивой к попаданию в нее метеорита, обломка космического мусора или пули.
Этот технический результат достигается тем, что система охлаждения космического или наземного аппарата включает покрывающую поверхность аппарата, подключенную к источнику тока, сетку из проводников с низким сопротивлением, с мелкими параллелограммовидными ячейками на поверхности сетки, при этом часть проводников расположена на нагретой стороне аппарата, а часть - на холодной его стороне.
Кроме того, на холодной стороне аппарата сетка из проводников расположена с зазором между ней и корпусом аппарата.
Описание фигур.
На фигурах представлены следующие материалы.
На фиг. 1 - сетка из проводников на поверхности аппарата, на фиг. 2 - поврежденная метеоритом, осколком космического мусора или пулей сетка из проводников, на фиг. 3 - поврежденное метеоритом, осколком космического мусора или пулей покрытие из параллельных проводников без сетки.
Цифрами на фигурах обозначены следующие объекты:
На фиг. 1 и ниже: 1 - первый ряд параллельных проводников, 2 - пересекающий под острым углом первый ряд проводников второй ряд параллельных проводников, 3 -параллелограммовидные промежутки между проводниками первого и второго ряда, 4 - провода, подводящие к проводникам первого и второго ряда напряжение от источника тока, 5 - нормальные направления течения тока в проводниках первого и второго ряда.
На фиг. 2, 3: 6 - пробоина от метеорита, осколка космического мусора или пули, 7 - аварийные направления течения тока в проводниках первого второго ряда, 8 - тупиковые обрывки проводов, в которых не течет ток.
Система охлаждения представляет из себя два ряда проводников 1 и 2 (фиг. 1), пересекающихся под острым углом с образованием между ними ромбовидных или параллелограммовидных промежутков 3. В одном месте правильность рядов 1 и 2 нарушается - там, где подключается напряжение к проводникам 1 и 2, на проводниках 4 (фиг. 1), которые ведут к полюсам источника тока аппарата. Сеть проводников 1, 2 оборачивает корпус аппарата со всех сторон, кроме места подключения проводников 4, каждый проводник первого ряда почти замкнут на себя, разрыв имеется только в месте подключения проводов 4, так же каждый проводник второго ряда почти замкнут на себя с разрывом в месте подключения проводов 4. В отсутствии повреждения ток течет в направлениях 5 вдоль рядов проводников. В случае появления пробоины 6 от метеорита, осколка космического мусора или пули ток не может течь через пробоину и меняет направление 7 вблизи пробоины, обтекая ее. Эффекта обтекания пробоины не наблюдалось бы при расположении проводников одним параллельным рядом, тогда образовались бы тупиковые обрывки проводов 8, в которых не течет ток, вдоль прерванных проводов охлаждение не производилось бы.
Охлаждение производится за счет эффекта Томпсона. Каждый проводник ряда 1 и 2 начинается на нагретой стороне, продолжается на холодной стороне и возвращается на нагретую сторону. При переходе с нагретой стороны аппарата на холодную электроны отдают свое тепло атомам проводника, которые излучают его в окружающее пространство. При переходе с холодной стороны аппарата на нагретую электроны забирают тепло у атомов более нагретого проводника. Проводники обоих рядов могут быть изготовлены из сплава двух металлов, сильно отличающихся по атомной массе, с преобладанием количества атомов более легкого металла. Это позволит, по предположению автора, интенсифицировать процесс теплообмена.
Градиент температур создается по-разному на разных расстояниях работы от Солнца или иной звезды, до которой долетел аппарат. На расстояниях порядка радиуса орбиты Земли имеет смысл использовать затеняющий щит из керамики. Под щитом градиент температур создается за счет внутреннего тепла аппарата. Одна половина корпуса выполнена из плохо проводящего тепло материала, например, керамики, над ней стоит холодная температура. Вторая половина корпуса выполнена из хорошо проводящего тепло материала, например, из металла, над ним стоит высокая температура. На расстояниях от орбиты Земли до пояса астероидов включительно целесообразно использовать еще и разницу температур между нагретой Солнцем стороной аппарата и холодной затененной стороной аппарата. При этом сторона, которая нагрета внутренним теплом, должна быть повернута к Солнцу или иной звезде, чтобы не сглаживать градиента температур на поверхности аппарата. На расстояниях дальше пояса астероидов систему охлаждения использовать не имеет смысла, поскольку там и так достаточно холодно. Нагретые и охлажденные зоны могут смещаться вместе с положением Солнца или иной звезды относительно аппарата, поскольку проводники первого и второго ряда на протяжении всей длины однородны. В случае если есть зона постоянного затенения, например, под днищем аппарата, обращенным к поверхности планеты или астероида, над этой зоной проводники не контактируют с корпусом аппарата, от которого отводится тепло, и образуют зазор между сетью проводников и корпусом аппарата, чтобы увеличить площадь теплоотдачи излучением остывающих проводников за счет площади нижней поверхности проводников.
При пересечении проводников первого и второго ряда под острым углом ток в каждом ряду имеет составляющую, параллельную направлению течения тока в другом ряду, что снижает сопротивление в местах пересечения проводников. При перпендикулярном расположении проводников рядов 1 и 2 токи были бы перпендикулярны друг другу и мешали бы друг другу течь.
Система охлаждения предложена для космических аппаратов, но может быть применена и для наземных аппаратов, например, в условиях жаркой пустыни. Проводники на нагреваемой Солнцем стороне аппарата могут быть покрыты материалом с высокой излучательной способностью, описанным в уровне техники.