ТЕПЛОПОГЛОЩАЮЩАЯ ПАНЕЛЬ ДЛЯ ВАКУУМНОГО ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ
HEAT-ABSORBING PANEL FOR VACUUM THERMAL CYCLING

Изобретение относится к космической технике, термоциклическим испытаниям, а именно к охлаждающим устройствам, которые могут быть использованы в установках для имитации тепловых режимов работы элементов конструкций космических аппаратов, например при термоциклических испытаниях панелей фотоэлектрических батарей.
Точность тепловой имитации криотермовакуумных условий космического пространства зависит от свойств теплопоглощающих устройств тепловакуумной конструкции, в частности от степени «чернения» (коэффициента отражения) их поглощающей поверхности и эффективности теплообмена последней с охлаждающей криогенной жидкостью.
Известным путем повышения степени чернения теплопоглощающих конструкций является нанесение «черных» лаков на поверхности, обращенные к тепловому излучению.
Известные конструкции имеют ограниченный диапазон применения вследствие низкой стойкости лаков в криотермовакуумных условиях.
Другим путем повышения степени чернения теплопоглощающих конструкций является выбор геометрических параметров элементов, образующих поверхности конструкций, обращенные к тепловому излучению.
Так, известна конструкция теплопоглощающего экрана в традиционных гелиевых крионасосах с плоскопараллельным расположением охлаждаемых шевронных элементов. В известной конструкции выбором угла 110° между ребрами шевронных элементов достигается уменьшение коэффициента отражения до 0,04 (Беляков В.П. Криогенная техника и технология. - М: Энергоиздат, 1982, с.132-137).
Теплопоглощающие поверхности в известной конструкции имеют минимальную площадь контакта с теплообменными трубчатыми каналами с криогенной жидкостью (жидким азотом). Ограниченная площадь контакта и коэффициент поглощения (не выше 0,96) снижают эффективность теплообмена, повышая время проведения цикла термоциклических испытаний.
Таким образом, путем частичного теплообмена и частичного отражения теплового излучения от поверхности экрана, известная конструкция позволяет эффективно решать задачу по теплозащите крионасоса в криотермовакуумной установке. При этом она не может быть эффективно использована в термоциклах для охлаждения испытываемого объекта в условиях вакуума.
Известные плоские холодильники в виде полого прямоугольного параллелепипеда, заполненного криогенной жидкостью, например жидким азотом, позволяющие повысить эффективность теплообмена при охлаждении испытываемого объекта в циклах вакуумного термоциклирования (описание к патенту RU 2040076, МПК6 H01L 31/18, 20.07.1995).
Известна охлаждаемая панель вакуумной установки для имитации тепловых режимов работы элементов конструкций космических аппаратов с повышенными теплопоглощающими свойствами, которая выполнена в виде криопанели из нержавеющей стали с габаритами 800×600×40 и с теплопоглощающим покрытием, полученным перекрестной пескоструйной обработкой с последующим нанесением методом плазменного напыления несплошных слоя NiCr и слоя окиси металла.
Выполнение на известной криопанели известного термопоглощающего покрытия позволяет сократить время охлаждения солнечной батареи в услових вакуума до -60°С в 7 раз, при этом коэффициент поглощения не превышает 0,95 (описание к авторскому свидетельству SU 1729161, МПК5 E04B 1/74, F25D 31/00, 05.03.1990).
Недостатками известной конструкции являются технологическая сложность, высокая трудоемкость получения теплопоглощающего покрытия, а также низкая эксплутационная надежность вследствие возможности его разрушения при проведении термоциклов в диапазоне температур от -190°С до +100°С.
Задача изобретения - упрощение конструкции и улучшение эксплутационных характеристик теплопоглощающей панели для вакуумного термоциклирования в условиях имитации космического пространства.
Технический результат - повышение «черноты» поглощающей поверхности криопанели до коэффициента поглощения не менее 0,98, упрощение технологии изготовления, повышение стойкости к разрушению теплопоглощающих свойств поверхности криопанели, обращенной к тепловому излучению.
Технический результат достигается тем, что в теплопоглощающей панели для вакуумного термоциклирования, включающей плоскую криопанель с микровыступами на поглощающей поверхности, последняя дополнительно снабжена продольными плоскими параллельными отражающими ребрами, размещенными на ней под углом 45°, и с шагом, равным длине их горизонтальной проекции. При этом микровыступы могут быть выполнены в виде зигзагообразных бороздок с углом 45° при вершинах выступов и впадин и профилем прямоугольных треугольников.
Кроме того, теплопоглощающая панель состоит из цельнотянутых элементов, выполненных с возможностью соединения, в виде экструдированного алюминиевого профиля, в котором форма поперечного сечения имеет конфигурацию поперечного сечения панели.
Сущность технического решения заключается в том, что параллельное размещение ребер под углом 45° к поглощающей поверхности и с шагом, равным горизонтальной проекции а ребра позволяет создать между соседними ребрами пространство, близкое к «абсолютно черному». Выполнение микровыступов между ребрами в виде зигзагообразных бороздок с углом 45° при вершинах выступов и впадин и профилем прямоугольных треугольников, гипотенузы которых параллельны ребрам, позволяет дополнительно снизить коэффициент отражения поглощающей поверхности панели.
При этом выбранная форма теплопоглощающей поверхности позволяет упростить технологию ее изготовления, выполняя составной из цельнотянутых элементов в виде экструдированного алюминиевого профиля, в котором форма поперечного сечения имеет конфигурацию поперечного сечения панели.
На фиг.1 изображена форма поперечного сечения элемента теплопоглощающей панели для вакуумного термоциклирования; на фиг.2 - поперечное сечение микровыступов, вид А фиг.1.
Основание 1 элемента теплопоглощающей панели для вакуумного термоциклирования имеет форму прямоугольного полого параллелепипеда, внутренняя полость которого разделена перегородками 2 с образованием продольных плоских овальных каналов 3 для криогенной жидкости, например, жидкого азота.
Нижняя внешняя стенка 4 панели плоская. На наружной поглощающей поверхности верхней стенки 5 размещены продольные плоские параллельные равновеликие ребра 6 с наклоном к поверхности под углом 45° и шагом, равным длине горизонтальной проекции а ребра 6. При этом обе поверхности ребер выполнены отражающими тепловое излучение. Последнее достигается выбором материала и шероховатостью поверхности, обеспечивающейся инструментом.
На поверхности между основаниями ребер выполнены микровыступы 7 в виде зигзагообразных бороздок с углом 45° при вершинах выступов 8 и впадин 9 и профилем прямоугольных треугольников.
Вертикальные боковые стенки 10, 11 основания 1 снабжены соответственно выступом 12 и пазом 13, повторяющим форму последнего. Выступ 12 и паз 13 выполнены с возможностью соединения элементов встык с образованием полотна панели необходимых размеров.
Плоскопараллельное размещение ребер под углом 45° к поглощающей поверхности и с шагом, равным горизонтальной проекции а ребра, и выполнение зигзагообразных бороздок с углом 45° при вершинах выступов и впадин и профилем прямоугольных треугольников, гипотенузы которого параллельны ребрам, позволяет создать между последними пространство, близкое к «абсолютно черному», с коэффициентом поглощения не менее 0,98.
При осуществлении термоциклических испытаний в термовакуумной камере панель солнечных батарей и теплопоглощающую панель размещают в вертикальных плоскостях на требуемом расстоянии. В каналы теплопоглащающей панели подают криогенную жидкость, например жидкий азот, и далее проводят циклы нагрев-охлаждение.
Тепловое излучение испытываемой солнечной батареи распространяется в пространстве теплопоглощающей поверхности криопанели, где многократно отражается от поверхностей ребер и зигзагообразных бороздок, не рассеиваясь при этом вне теплопогощающей панели. Процесс продолжается до полного поглощения тепла.