Автономная жидкостная многорежимная наземная система обеспечения теплового режима космического аппарата с многомодульным теплообменником
AUTONOMOUS LIQUID MULTI-MODE GROUND-BASED TEMPERATURE CONTROL SYSTEM OF A SPACE VEHICLE WITH A MULTI-MODULE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности, может быть использовано в автономных многорежимных наземных жидкостных системах обеспечения теплового режима (НСОТР) служебной и научной аппаратуры космических аппаратов, модулей и макетов этих аппаратов, активных фазированных антенных решеток (АФАР) с крупногабаритным антенным полотном, в том числе при тепловакуумных и полигонных испытаниях в штатном диапазоне температур, заданном по техническому заданию, а также в энергетической, авиационной, ракетной, военно-морской, химической, нефтехимической, нефтяной и других отраслях промышленности.
В изданной в 2018 г. книге [4, см. стр. 151, рис. 4.7], в которой обобщены многолетние исследования авторов - сотрудников АО «НПО Лавочкина», представлены данные и обобщения, касающиеся использования аксиальных тепловых труб в составе, например, системы СОТР с контурной тепловой трубой. Данная СОТР является отдаленным аналогом для заявляемого технического решения, но предназначена она для автоматических межпланетных станций и в этой системе отсутствует значимый для заявляемого технического решения агрегат-термостат.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является патент РФ №2286291 (Бюл. №30. Опубликовано: 27.10.2006) «Система обеспечения теплового режима».
Недостатки прототипа:
- отсутствует канал обратной связи между параметрами теплоносителя и системой теплового режима (СТР) космического аппарата;
- наземная СОТР является малонадежной и высоко рискованной системой, поскольку включает в себя большое количество различных и сложных устройств, таких как холодильник, электронасосы, рекуперативные теплообменники, нагреватель, компенсационное устройство, регулируемый дроссель, соленоидные вентили, жидкостной фильтр и т.д.
- наземная СОТР является дорогой, тяжелой и крупногабаритной системой, малопригодной для мобильного перемещения;
- в жидкостные контуры конструкции изначально заложено большое количество различных гидросопротивлений (фильтр, повороты трубопроводов на 90°, внезапные сужения-расширения, соленоидные вентили и т.д.), требующих подачу жидкостных теплоносителей под высоким давлением и, соответственно, большие мощности.
- затруднительно при помощи регулируемого дросселя 6 и теплообменников настраивать и задавать в теплообменнике 11 съемного блока 12 (патент №2286291, фиг. 1) циркуляцию теплоносителя требуемого расхода и температуры.
- не указано как производится заправка и слив теплоносителя по окончании электрических испытаний КА, а также продувка жидкостных контуров СОТР;
- использованы пожароопасные и токсичные вещества для изготовления теплоносителей.
Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных показателей системы, упрощение конструкции, уменьшение стоимости проведения НСОТР, минимизация технического риска, повышение точности и надежности НСОТР, повышение точности и упрощение настройки НСОТР на стационарный режим, уменьшение стоимости проведения электрических испытаний КА и экономия бюджетных средств, устранение влияния человеческого фактора на систему после настройки НСОТР.
Указанный технический результат достигается тем, что «Автономная жидкостная многорежимная наземная система обеспечения теплового режима космического аппарата с многомодульным теплообменником» включает в себя теплосотопанели, электронасосный холодильный агрегат и присоединенный к нему замкнутый оборотный жидкостный контур с скомпонованными в единое целое дросселем тонкой регулировки и дифференциальным датчиком давления, магистралями нагнетания и возврата охладителя, локально разветвленную с многомодульным теплообменником и гибкими разъемными трубопроводами гидравлическую сеть, состыкованную с замкнутым оборотным жидкостным контуром, контрольно-измерительную и запорную аппаратуру, причем в качестве электронасосного холодильного агрегата использован многорежимный жидкостной термостат на подвижной платформе, магистраль нагнетания и магистраль возврата охладителя разделены друг от друга скомпонованными в единое целое дросселем тонкой регулировки и дифференциальным датчиком давления, каждый модуль теплообменника выполнен как единое целое в виде многоканального монолитного корпуса с внутренними прямоточными каналами с равными по площади сечениями, причем в каналах предусмотрены либо конструктивные - оребрение и винтовые нарезы, либо вставные элементы, турбулизирующие и интенсифицирующие процесс теплообмена между протекающим охладителем и стенками прямоточных каналов модулей теплообменника при минимальных гидравлических потерях протекающего охладителя; модули, стыковочные переходники и концевые фитинговые соединители изготовлены согласно требованиям селективной сборки, смонтированы воедино и образуют многомодульный теплообменник для разветвленной гидравлической сети; причем корпус каждого модуля теплообменника изготовлен из высокотеплопроводного металла или его сплавов, внешняя поверхность корпуса выполнена в виде параллелепипеда и имеет крепежные элементы, а днище корпуса модуля выполнено с перфорированными крепежными лапками, с помощью которых модуль теплообменника крепится к теплосотопанели; в замкнутом оборотном жидкостном контуре все гибкие гидравлические трубопроводы, подводящие охладитель к многомодульному теплообменнику, состыкованы с магистралью нагнетания охладителя выше по течению от дросселя тонкой регулировки и дифференциального датчика давления, снабжены приборами измерения температуры охладителя, а все гибкие гидравлические трубопроводы, отводящие охладитель из многомодульного теплообменника, состыкованы с замкнутым оборотным жидкостным контуром ниже по течению от дросселя тонкой регулировки с дифференциальным датчиком давления и также снабжены приборами измерения температуры охладителя; причем на теплосотопанели в контрольных точках этой панели предусмотрена обратная связь по температуре в виде температурных датчиков, подсоединенных к контроллеру термостата; причем в одном из вариантов прямоточных каналов многомодульного теплообменника на всей длине внутренней поверхности каналов изготовлены правосторонние либо левосторонние нарезы постоянной крутизны с углом наклона нареза, например, α=(15-20)° и длиной хода нарезов, например, L≈25-30 калибров канала, которые незначительно увеличивают гидравлическое сопротивление канала и создают закрутку пограничного слоя, протекающего в этих каналах охладителя, без деформации ядра потока охладителя; причем в одном из вариантов прямоточных каналов модуля теплообменника на всю длину каналов вставлены и закреплены посеребренные сетчатые пористые вставки с открытой пористостью для увеличения удельной площади поверхности теплообмена в этих каналах при незначительном увеличении гидравлического сопротивления каналов потоку охладителя; причем в одном из вариантов прямоточных каналов модуля теплообменника на всю длину каналов предусмотрено внутреннее прямоточное оребрение для увеличения удельной площади поверхности теплообмена в этих каналах при незначительном увеличении гидравлического сопротивления каналов потоку охладителя; причем в одном из вариантов прямоточных каналов модуля теплообменника внутренняя поверхность каналов модуля теплообменника выполнена гладкой для обеспечения минимального гидравлического сопротивления каналов потоку охладителя; причем идентичные и взаимозаменяемые входной и выходной концевые фитинговые соединители многомодульного теплообменника содержат овальнотрубный с фланцем патрубок, являющийся плавной сужающийся диафрагмой, и камеру сопряжения овальнотрубного патрубка с каналом прямоугольной геометрии; причем стыковочные переходники модулей теплообменника выполнены прямоугольными и полыми, а их внешняя и внутренняя поверхности соосны друг другу, причем для устранения стыковых протечек охладителя в прямоугольных торцевых сечениях стыковочного переходника и корпуса модуля предусмотрены канавки прямоугольного сечения для размещения в них герметичных уплотнений.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема жидкостной многорежимной автономной НСОТР с многомодульным теплообменником; на фиг. 2 - сборочная конструкции двухмодульного теплообменника; на фиг. 3 -конструкция модуля теплообменника (в двух проекциях); на фиг. 4 - поперечный разрез монолитного многоканального корпуса модуля теплообменника (различные варианты); на фиг. 5 - продольный разрез монолитного многоканального корпуса модуля теплообменника (различные варианты); на фиг. 6 - конструкция стыковочного переходника для многомодульного теплообменника; на фиг. 7 - конструкция входного-выходного фитингового соединителя многомодульного теплообменника; на фиг. 8 - общий вид многорежимного жидкостного термостата, который используется в жидкостной многорежимной НСОТР.
Автономная жидкостная многорежимная НСОТР с многомодульным теплообменником содержит многорежимный жидкостной термостат 1 на подвижной платформе, нагнетающий охладитель (например, отечественный типа ПМС-1,5р) с требуемой для эксперимента температурой, замкнутый оборотный жидкостной контур 2 со скомпонованными в единое целое дросселем тонкой регулировки и дифференциальным датчиком давления 3, магистраль нагнетания охладителя 4 и магистраль возврата охладителя 5 в многорежимный жидкостной термостат 1. К замкнутому оборотному жидкостному контуру 2 подсоединена локально разветвленная гидравлическая сеть 6. В гидравлическую сеть 6 с помощью подводящих и отводящих гибких, например, стеклопластиковых трубопроводов 7 и концевых фитинговых соединителей 8 присоединены модули 9 многомодульного теплообменника 10 со стыковочными переходниками 11, дроссельные шайбы 12, датчик температуры 13, датчик давления 14, высокоточные запорные вентили 15. Многомодульный теплообменник 10 и многорежимный жидкостной термостат 1 являются основными, базовыми и значимыми устройствами заявляемой автономной НСОТР. Многомодульные теплообменники 10 закреплены на теплосотопанели (ТСП) 16, внутри которой смонтированы тепловые трубы 17, к которым перетекает избыточная теплота от служебных и научных приборов 18, АФАР, других тепловыделяющих устройств или их электрических эквивалентов. Все приборы 18, либо АФАР закреплены на одной (иногда и на обеих) внешней стороне ТСП 16.
Перегрев служебных и научных приборов 18 приводит к нештатной работе последних, способствует возникновению в приборах больших внутренних шумов и искажению показаний их выходных сигналов, возможно и перегорание приборов.
Конструкция многомодульного теплообменника 10 (фиг. 2) включает в себя концевые фитинговые соединители 8; модули 9; стыковочный переходник 11 (на фиг. 2 показан один стыковочный переходник 11) и крепежные уголки 19.
Модуль 9 многомодульного теплообменника 10 (фиг. 3) представлен в двух проекциях. Все модули 9 многомодульного теплообменника 10 (фиг. 1, фиг. 2) идентичны друг другу и содержат крепежные уголки 19; монолитный многоканальный корпус 20 с тождественными по протяженности и сечениям внутренними прямоточными каналами (4 варианта), отверстия 21 для крепления модулей 9 и многомодульного теплообменника 10 к тепловой сотовой панели 16 (фиг. 1). Монолитный корпус 20 выполнен многоканальным с целью увеличения прочности конструкции, обеспечения различных режимов работы теплообменника с охладителем больших расходов и высоких давлений, увеличения эффективности съема теплоты от внутренних стенок каналов теплообменника и передачи теплоты потоку охладителя. В качестве конструкционного материала для модуля теплообменника можно использовать, например, алюминий или алюминий-кремний-магниевые сплавы.
На фиг. 3 показаны места поперечного по АА и продольного по ББ разрезов корпуса 20 модуля 9.
Реализованные геометрии поперечного разреза монолитного многоканального корпуса 20 по АА представлены на фиг. 4 (варианты а, б, в, г), а геометрии продольного разреза корпуса 20 по ББ (эти же варианты а, б, в, г) на фиг. 5.
На фиг. 4 представлен поперечный разрез по АА монолитного многоканального корпуса 20 (варианты а, б, в, г).
На фиг. 4 обозначено:
- вариант «а»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; прямоточный канал охладителя 23. Герметичное уплотнение 22 необходимо для устранения стыковых протечек охладителя в разъемах теплообменника. Конструктивно герметичное уплотнение 22 представляет собой канавки прямоугольного сечения, в которых размещены герметичные уплотнения. Эти уплотнения могут быть изготовлены из силиконовой резины, отожженной меди и т.д.;
- вариант «б»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; оребренный прямоточный канал охладителя 23. Оребрение используется в каналах 23 для увеличения внутренней поверхности канала и увеличения отвода теплоты от стенок канала 23 в протекающий охладитель;
- вариант «в»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; прямоточный канал охладителя 23; прямоточная пористая вставка 24. Закрепленную в канале 23, например, посеребренную сетчато-пористую вставку 24 с открытой пористостью следует изготовить из высокотеплопроводного металла. Данная вставка используется для интенсификации теплообмена в канале 23, увеличения поверхности и отвода теплоты как от стенок канала 23, так и от сетчато-пористой вставки 24 в протекающий охладитель. (Исследования интенсификации теплообмена с использованием пористых материалов в настоящее время проводятся в различных двигательных организациях, например, в Исследовательском центре им. М.В. Келдыша, а также на соответствующих кафедрах в университетах, например, МГТУ им. Н.Э. Баумана и др.).
- вариант «г»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; прямоточный канал с винтовыми нарезами 23; вставка канала охладителя с винтовыми нарезами 25. Винтовые нарезы 25 могут иметь как правую, так и левую закрутку, иметь постоянную крутизну с углом наклона нареза, например, α=(15-20)° и длиной хода нарезов, например, 25-30 калибров канала. В канале 23 при помощи нарезов реализуется скос и закрутка пограничного слоя протекающего охладителя и несущественная деформация основного ядра потока, а также небольшое увеличение гидравлического сопротивления канала потоку охладителя. Закруткой потока охладителя возможно получать и близкое к гомогенному распределение температуры охладителя в модулях 9 теплообменника 10. Каналы 23 с винтовыми нарезами в корпусе модуля 9 можно изготавливать, используя опыт изготовления стволов артиллерийских систем и стрелкового вооружения, например, методом проталкивания протяжки, протягивания профилирующей оправки, способом дорнирования и др.
Впервые в 1879 г. эмпирическую формулу для определения зависимости между размером пули и шагом нарезов предложил сэр А. Дж. Гринхилл (1847- 1927), в 1929 г. эту формулу опубликовали в Британском учебнике стрелкового оружия (British Textbook of Small Arms).
На фиг. 5 представлен продольный разрез по ББ монолитного многоканального корпуса 20 модуля 9 теплообменника 10 (фиг. 4 варианты а, б, в, г):
- вариант «а»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; прямоточный канал охладителя 23;
- вариант «б»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; оребренный прямоточный канал охладителя 23;
- вариант «в»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; прямоточный канал охладителя 23; прямоточная гидравлически шероховатая пористая вставка канала охладителя 24;
- вариант «г»: крепежные уголки 19, монолитный многоканальный корпус 20 модуля 9, герметичное уплотнение 22; прямоточный канал охладителя с винтовыми нарезами 23; вставка канала охладителя с винтовыми нарезами 25.
Необходимым элементом автономной жидкостной многорежимной НСОТР является стыковочный переходник 11 (фиг. 6), конструкция которого содержит крепежные уголки 19; корпус стыковочного переходника 26 и проходной канал охладителя 27 в стыковочном переходнике 11.
Также важным элементом автономной жидкостной многорежимной НСОТР является фитинговый соединитель 8 (фиг. 7) подвода-отвода охладителя в многомодульный теплообменник 10. Конструкция фитингового соединителя 8 содержит крепежные уголки 19; герметичное уплотнение 22; крепежный фланец 28 для стыковки и сопряжения с магистралями нагнетания 4 и возврата 5 хладоагента; овальнотрубный патрубок 29 поворота потока охладителя на 90 градусов; камеру сопряжения цилиндра с каналом прямоугольной геометрии 30.
Конструкция овальнотрубного патрубка 29 и технологической операции сжатия круглого сечения в овальное сечение на входе в многомодульный теплообменник приведена далее.
∑K
T
T
OB
T
=
2
2
2
2
Пусть модуль теплообменника имеет три равновеликих по сечению и геометрии прямоточных канала (фиг. 4а), суммарное сечение всех трех каналов S3 × (37 × 18)=1998 мм. Подача охладителя в теплообменник производится по трубопроводу d=50 мм, площадь сечения трубы S=1963 мм, ее периметр Р=157 мм. Фитинговый соединитель теплообменника (фиг. 7) имеет прямоугольное сечение, в которое вписан овал, большая и малая полуоси которого равны а=30 мм и b=19 мм. Площадь сечения овала (используем формулу для эллипса) равна S=π × а × b=1790 мм, его периметр Р≈[4 × π × а × b + (а-b)] / (а+b)=153 мм. Точной формулы для расчета периметра эллипса математики еще не получили. Близкие значения периметров трубы и овала говорят о том, что овал с данными полуосями а=30 мм и b=19 изготовить из трубы d=50 мм в процессе сжатия последней возможно. При сжатии трубы в овал их периметры не изменяются, а площадь сечения овала по сравнению с площадью сечения трубы уменьшается, что и получено в наших расчетах.
OX
T
OB
2
Для гидравлики овальнотрубный патрубок является местной плавной сужающей диафрагмой. В нашей конструкции при постоянном массовом расходе нагнетаемого охладителя G=const такая диафрагма создает уменьшение проходного сечения на Δ=S-S=1963-1790=173 мм или на 8,8%, увеличение скорости потока охладителя в каналах модуля теплообменника на 8,8%, (положительный фактор для процесса теплообмена) и незначительное падение давления охладителя (положительный фактор для прочности корпуса модуля).
Полезно определить число возможных размещений, перестановок и сочетаний, которые можно скомпоновать из предложенных модификаций n=4 прямоточного канала с различной внутренней геометрий по m=3 канала в каждом модуле теплообменника.
Число размещений
n
Число перестановок P=n!=24.
Число сочетаний
Работу предлагаемой автономной жидкостной многорежимной НСОТР рассмотрим на примере спланированного эксперимента по наземным электрическим испытаниям активной фазированной антенной решетки (АФАР).
Известно, что АФАР используется в военных радиолокационных станциях (РЛС) воздушного, морского, космического назначения. Находит применение АФАР также на самолетах, вертолетах, морских судах, электропоездах, полицейских и иных спецавтомобилях, автобусах, морских маяках, аэродромных РЛС комплексах. Основным элементом АФАР является приемопередающий модуль (ППМ), количество этих модулей в АФАР может быть вмонтировано несколько тысяч штук. В настоящее время сложными, проблемными для АФАР остаются вопросы производства, изготовления, отработки и тестирования.
Пусть электрические испытания антенны типа теплонапряженной АФАР проводятся в контрольно-испытательной станции (далее КИС) предприятия. В комплекте оборудования КИС имеется жидкостной термостат, который можно настраивать на различные мощности охлаждения, скажем, от 1,2 кВт до 10 кВт и на различные рабочие температуры охладителя, например, от (-30 до +20)°С.(см. фиг. 1 и 8). В эксперименте целесообразно иметь два термостата. К многорежимному жидкостному термостату 1 подсоединены замкнутый оборотный жидкостной контур 2 со скомпонованными как единое целое дросселем точной регулировки и дифференциальным датчиком давления 3, локально-разветвленная гидравлическая сеть 6, тогда как плоско-решетчатая АФАР и теплообменники 10 закреплены на нескольких теплосотопанелях 16, скрепленных друг с другом. В локально-разветвленной гидравлической сети 6 смонтированы дроссельные шайбы 12 с предварительно рассчитанными проходными сечениями, запорные вентили 15, датчик температуры 13 и датчик давления 14. До начала электрических испытаний все запорные входные, выходные и байпасный вентили 15 замкнутого оборотного жидкостного контура 2 и локально-разветвленной гидравлической сети 6 закрыты.
Описание работы заявляемой автономной системы.
НСОТР запускается в режиме длительный работы. Открываются запорные вентили 15, смонтированные на магистрали нагнетания 4 и магистрали возврата 5 замкнутого оборотного жидкостного контура 6, байпасный вентиль жидкостного контура при этом остается закрытым. Включается в работу многорежимный жидкостной термостат 1, работающий под управлением контроллера, смонтированного на термостате 1. Охладитель начинает непрерывно циркулировать по жидкостному контуру 2. Во время этой циркуляции при помощи дросселя точной регулировки и скомпонованного с ним дифференциальным датчиком давления 3 устанавливается и контролируется разность давления охладителя до и после дросселя точной регулировки, фиксируются показания датчика температуры 13 и датчика давления 14. При этом заданный расход жидкого охладителя при требуемой температуре постоянно восполняется из термостата. По окончании анализа полученных экспериментальных данных, сделав, если необходимо, дополнительную настройку дросселя точной регулировки на скомпонованном как единое целое дросселе тонкой регулировки и дифференциальном датчике давления 3, можно открыть все входные и выходные вентили 15 локально-разветвленной гидравлической сети 6 и дать возможность охладителю циркулировать по локально-разветвленной гидравлическая сети 6 с теплообменниками 10. Отрегулировав стационарный режим течения охладителя в замкнутом оборотном жидкостном контуре 2 и в локально-разветвленной гидравлической сети 6, на АФАР подают питание и начинают проводить с охлаждением ее электрические испытания. Электрические испытания АФАР проводят по программе в течение заданного времени, записывая показания приборов в память компьютера для последующего анализа.
Например, штатный температурный диапазон для гипотетической антенны типа АФАР, которая по окончании положительных экспериментов может быть установлена на КА, задан от -20 до +45°С.
При наземных электрических испытаниях контроль температурного состояния тепловыделяющей антенны АФАР проводят с помощью, например, цифровых датчиков температуры типа ЦЦТ-1 0, установленных в разных точках облицовки теплосотопанелей и подключенных по каналу обратной связи к контроллеру термостата, а также по датчику температуры 13, установленным на входе и выходе теплообменников 10. Показания цифровых датчиков температуры отображаются на мониторе термостата. Контроль за температурным состоянием АФАР можно проводить и с помощью измерительного тепловизора. При наземных испытаниях необходимо, чтобы температура тепловыделяющей антенны АФАР не превышала допустимую, т.е. в нашем случае +45°С. Если выдерживается такая температура, то результат эксперимента положительный.
тсп
Во время электрических испытаний возможен и иной сценарий эксперимента. АФАР работает в режиме максимального температурного импульса, термостат также работает в режиме максимального охлаждения. Температура облицовки ТСП с работающей в импульсном режиме АФАР превысила допустимую температуру, т.е. в нашем случае Т>+45°С. В этом случае оператор обязан отключить электропитание АФАР (режим вкл./вык.; вариация on/off), но термостат продолжает работать и охлаждать АФАР. После охлаждении облицовки ТСП и АФАР до номинальной температуры, например, до Т≤45°С, оператор снова включает электропитание и длительный режим наземных электрических испытаний АФАР продолжается.