Силовая термопанель космического аппарата
POWER THERMAL PANEL OF SPACECRAFT

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, межпланетных станциях, спускаемых аппаратах и других космических объектах.
Известно использование тепловых сотопанелей (ТСП) для обеспечения теплового режима оборудования и приборов КА (например, патенты RU 2487063 С2, RU 130299 U1). 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.
Известен КА, содержащий негерметичный приборный контейнер, выполненный в виде параллелепипеда, все боковые грани которого являются трехслойными сотопанелями (патент RU 2463219, приоритет от 26.04.2011, МПК B64G 1/10, B64G 1/50). Сотопанели выполнены в виде обшивки из двух тонких металлических (например, из сплава алюминия) листов с сотовым наполнителем. Внутри панели проложены тепловые трубы, а тепловыделяющие приборы устанавливаются на поверхности сотопанели. Все сотопанели приборного контейнера соединены в единую тепловую сеть коллекторными тепловыми трубами. Известное решение позволяет повысить плотность компоновки приборного контейнера и улучшить термостабилизацию приборов и оборудования за счет обеспечения возможности перераспределения тепловых потоков между сотопанелями и обеспечения равномерного распределения температур в пределах каждой сотопанели, но не обеспечивает достаточно эффективный теплообмен между охлаждаемым оборудованием и встроенными тепловыми трубами. Причиной этого являются конструктивные особенности ТСП, о которых говорится, например, в статье «Обоснование технологических режимов изготовления крупногабаритных размеростабильных сотовых панелей космических аппаратов» (Ишенина Н.Н, Михнев М.М., ж. «Современные проблемы науки и образования» №5, 2011 г.). Здесь, в частности, указано, что при изготовлении трехслойных сотопанелей применяются клеевые соединения, которые должны обеспечить эффективный тепловой контакт корпусов тепловых труб с обшивкой панели из алюминиевых листов. При этом тепло, выделяемое контактными основаниями установленного оборудования, поступает в тепловые трубы данных ТСП не напрямую, а через обшивку и клеевое соединение. Кроме того, применение клея при изготовлении сотопанели, впоследствии, в условиях космического вакуума, приводит к повышенному выделению из ТСП различных газов, что негативно сказывается на оптических приборах служебных систем и целевого оборудования (телескопах, многоспектральных сканирующих устройств, оптических датчиков и т.п.). При этом клеевые соединения ограничивают температурный диапазон эксплуатации ТСП, а также подвержены старению и деградации характеристик. Кроме этого, клееная ТСП не допускает механообработки, в случае, когда необходимо «довести» (снизить) неплоскостность или шероховатость поверхности на уже изготовленной панели.
Наиболее близким аналогом к заявленной силовой термопанели КА, выбранным в качестве прототипа, является теплопередающая панель КА, выполненная секционной и состоящей из жестко соединенных друг с другом отдельных пустотелых секций с тепловыми трубами, выполненными в виде единой монолитной конструкции (патент RU 2536760 C1 от 27.12.2014). 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 обладает следующими недостатками:
1. 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;
2. Механическое стягивание отдельных секций не может обеспечить механической прочности панели и надежности, поэтому секции панели дополнительно соединяются друг с другом с помощью фермы, расположенной с наружной стороны обшивки, что усложняет конструкцию и увеличивает ее вес;
3. 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.
Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: силовая термопанель космического аппарата, содержащая обшивку с радиационной излучающей поверхностью и тепловые трубы.
Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является увеличение эффективности теплового контакта между охлаждаемым оборудованием и встроенными тепловыми трубами, снижение температурного перепада между источниками и стоками тепла, упрощение конструкции, повышение прочности, надежности и уменьшение веса конструкции, применение современных технологий (в части использования 3D-принтера) для изготовления силовых термопанелей.
Указанная техническая проблема решается силовой термопанелью космического аппарата, содержащей обшивку с радиационной излучающей поверхностью и тепловые трубы. При этом термопанель выполнена в виде монолитной конструкции, объединяющей обшивку с тепловыми трубами в единое целое, причем тепловые трубы выполнены в виде решетчатой системы взаимно пересекающихся тепловых труб, связанных общей внутренней полостью и образующих замкнутую испарительно-конденсационную систему, заправленную теплоносителем. Термопанель, выполненная из алюминиевого сплава или композиционного материала, на верхней поверхности обшивки имеет места под установку оборудования, которые могут быть механически обработаны. Радиационная излучающая поверхность образована нижней поверхностью обшивки и поверхностью решетчатой системы.
Изобретение поясняется эскизами, на которых:
- на фиг. 1 показано изометрическое изображение силовой термопанели;
- на фиг. 2 показаны варианты монтажа оборудования.
L,
Силовая термопанель КА (фиг.1) содержит обшивку 1, толщиной δ, объединенную в монолитную конструкцию с решетчатой системой 2 взаимно пересекающихся тепловых труб, установленных с шагом Δвыполняющей одновременно роль силового каркаса. На верхней поверхности термопанели предусмотрены (например, по техническому заданию, в зависимости от устанавливаемого оборудования) места под установку оборудования (фиг. 2) и возможность их закрепления с помощью закладных элементов, устанавливаемых с внутренней стороны обшивки 1 панели, а также за счет механической обработки верхней поверхности обшивки (например, дополнительное выравнивание и шлифовка посадочных мест).
Для выравнивания температуры в плоскости (по двум направлениям) решетчатая система 2 выполняется в виде пересекающихся продольных и поперечных тепловых труб, связанных общей внутренней полостью и образующих единую замкнутую испарительно-конденсационную систему, заправленную теплоносителем (фиг.1).
Тепловые трубы решетчатой системы могут содержать продольные канавки (на фиг. не показаны), выполняющие роль капиллярной структуры. Соединение тепловых труб в решетчатую систему по капиллярной структуре и по паровым каналам выполнено таким образом, чтобы трубы образовывали единую замкнутую испарительно-конденсационную систему.
Радиационная излучающая поверхность термопанели образована нижней поверхностью обшивки 1 и поверхностью решетчатой системы 2.
На фиг.2 показана схема установки приборов 4 на поверхности обшивки 1 термопанели. Теплоотводящее основание прибора 5 может крепиться с помощью закладных элементов 6, устанавливаемых с внутренней стороны обшивки 1, или использовать утолщения 7 обшивки 1 в местах крепления.
Поскольку имеется свободный доступ к обшивке 1 термопанели со стороны решетки из тепловых труб 2, то в зоне теплоотвода прибора 5 при необходимости могут быть установлены дополнительные прижимные винты 8 для обеспечения теплового контакта.
Верхняя поверхность обшивки сотопанели в силу особенностей конструкции допускает механическую обработку, например, дополнительное выравнивание и шлифовку посадочных мест приборов.
На внутренней стороне обшивки 1 термопанели могут быть установлены в случае необходимости электрообогреватели. При этом они не будут занимать место на верхней поверхности термоплиты, где размещены приборы.
Термопанель может бытьизготовлена, например, из алюминиевого сплава или металлического композиционного материала как единая конструкция на 3D-принтере.
L
Толщина металлической обшивки δ, расстояние между тепловыми трубами Δ, сечение тепловых труб и толщина их стенок определяются из требований прочности и тепловых нагрузок.
Таким образом, заявленная силовая термопанель позволяет:
- обеспечить равномерное распределение температуры по поверхности панели при большой неравномерности тепловых потоков и повысить эффективность теплового контакта между охлаждаемым оборудованием и встроенными в обшивку тепловыми трубами (решетчатой системой) за счет выполнения термопанели в виде монолитной конструкции с пересекающимися тепловыми трубами, наличия на верхней поверхности термопанели мест под установку оборудования и их закрепления с помощью закладных элементов, устанавливаемых с внутренней стороны обшивки панели, а также за счет механической обработки верхней поверхности обшивки (например, дополнительное выравнивание и шлифовка посадочных мест);
- унифицировать составные элементы конструкции, повысить надежность и прочность панели за счет создания единой монолитной конструкции;
- снизить загрязнение собственной атмосферы КА за счет отсутствия клеевых материалов;
- снизить вес и упростить технологию изготовления термопанели (вплоть до использования 3D-принтера), за счет выполнения панели в виде монолитной конструкции, состоящей из металлической обшивки, объединенной с решетчатой системой тепловых труб.