СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИБОРНОГО ОТСЕКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ЦИКЛИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СТР) приборов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) с высотой орбиты порядка 600-1000 км, режимом работы с большой скважностью и различными температурными уровнями.
Известна система терморегулирования приборного отсека космического аппарата с циклическим режимом работы приборов (Алексеев, В.А. Проектирование тепловых аккумуляторов [Текст]: учебное пособие / В.А. Алексеев, В.В. Малоземов; МАИ, 2009), содержащая источники тепла с разными температурными уровнями, радиационный теплообменник (РТО), обеспечивающий отвод тепла в космическое пространство в рабочем режиме, соединенный с высокотемпературным источником тепла и аккумулятор холода (АХ), соединенный с низкотемпературным источником тепла.
Недостатком такой схемы СТР является увеличенная масса РТО, вследствие наличия в приборном отсеке источников тепла разных температурных уровней, для каждого из которых необходим свой РТО, либо РТО, рассчитанной исходя из температуры низкотемпературного источника тепла. Кроме того, для надежной работы СТР приборов КА требуется определенная ориентации РТО в пространстве.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является уменьшение массогабаритных характеристик и повышение надежности функционирования СТР.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение массы радиационного теплообменника и повышение надежности отвода тепла от низкотемпературного источника в рабочем режиме.
Этот результат достигается тем, что в известной СТР, выбранной в качестве прототипа, и содержащей источники тепла высокого и низкого температурного уровня, соединенные соответственно с радиационным теплообменником и аккумулятором холода, РТО дополнительно соединен с АХ при помощи диодной тепловой трубы (ДТТ).
Сущность предложения заключается в том, что в системе терморегулирования применяется теплопровод с регулируемой проводимостью (преимущественно диодная тепловая труба, обеспечивающая передачу тепла в одном направлении - от аккумулятора холода в радиационный теплообменник), испарительная часть которой соединена с аккумулятором холода, а конденсаторная часть соединена с РТО.
Это позволяет отказаться от отдельного теплообменника для «холодного» источника тепла и использовать один и тот же РТО и для работы «горячего» источника в рабочем режиме и регенерации АХ в дежурном режиме.
Режим работы рассматриваемых КА отличается большой скважностью: около 20 минут работы длится рабочий режим и до суток - дежурный режим, в котором тепловыделение отсутствует. При этом тепло от оборудования в рабочем режиме выделяется на различных температурных уровнях - имеются «горячие» источники тепла (около 300 К) и «холодные» (около 220 К). Тепло от обоих источников выделяется одновременно во время рабочего режима.
Для отвода в Космос тепловой мощности в 150 Вт при температуре 200 К потребуется РТО площадью около 1,9 кв.м. Поскольку удельная масса РТО обычно равна 6-8 кг/кв.м, то масса такого РТО составит около 12 кг.
рто
pто
pто
pто
рто
рто
4
Площадь РТО F определялась из выражения F=N/q, где N - тепловая мощность, отводимая от низкотемпературного источника в РТО; q - плотность теплового потока, излучаемого РТО в Космос, определялась из выражения q=ε×5,67×(Т/100) (Вт/кв.м), где Т - температура РТО. При ε=0,85 q=77 Вт/кв.м.
В качестве теплопровода с регулируемой проводимостью в полезной модели используется диодная тепловая труба, как одна из наиболее простых и надежных устройств, не требующая управления своей работой и нашедшая широкое применение в радиоэлектронике. Так, например, диодная тепловая труба с ловушкой жидкости, разработанная в Лаборатории пористых сред (г. Минск), при передаваемом тепловом потоке до 150 Вт при длине 0,7 м и диаметре 18 мм имеет максимальную массу не более 0,8 кг (См. «Эффективная диодная тепловая труба с ловушкой жидкости», http://porousmedialab.by).
Таким образом, приведенные расчеты показали, что выигрыш в массе РТО за счет исключения отдельного РТО для аккумулятора холода и добавления ДТТ очевиден.
Поскольку длительность дежурного режима аппаратуры рассматриваемых КА (от трех часов до суток) значительно больше длительности рабочего режима (20 минут), то и тепловой поток, отводимый от АХ в РТО в режиме регенерации, значительно меньше теплого потока, подведенного к нему от «холодного» источника в рабочем режиме. Поскольку на протяжении дежурного режима РТО неоднократно находится в тени, то, режим регенерации АХ не является критичным для работы СТР.
В заявленном техническом решении надежность отвода тепла от «холодного» источника в рабочем режиме намного выше, т.к. регенерация АХ не зависит от освещенности РТО. Кроме того ДТТ позволяет исключить «паразитный» тепловой поток от РТО в АХ в рабочем режиме.
На Фиг. 1 показана система терморегулирования приборного отсека космического аппарата с циклическим режимом работы приборов.
Система содержит радиационный теплообменник 1, источники тепла высокого 2 и низкого температурного уровня 3, аккумулятор холода 4, диодная тепловая труба 5.
Система терморегулирования приборного отсека космического аппарата с циклическим режимом работы приборов работает следующим образом. В рабочем режиме тепло от «горячего» источника тепла 2 отводится через РТО 1 в космическое пространство, и одновременно от низкотемпературного 3 - в аккумулятор холода 4. В дежурном режиме, когда оба источника тепла не работают, происходит регенерация АХ 4 (перевод тепло-аккумулирующего материала (ТАМ) из жидкого состояния в твердое), и тепло отводится от АХ 4 через ДТТ 5 в РТО 1 и далее в космическое пространство.
В качестве рабочего вещества (ТАМ) АХ для низкотемпературного источника тепла с рабочей температурой минус 30°C - минус 60°C может быть использован аммиак (удельная теплота плавления 332 кДж/кг, температура плавления минус 77°C). При отводе теплового потока мощностью 100 Вт в течение 30 минут потребуется примерно 0,54 кг аммиака. Приближенные расчеты показывают, что корпус такого АХ будет иметь массу менее одного кг. Для регенерации АХ после рабочего режима в течение 24 часов потребуется отводить от него тепловой поток мощностью ≈ 2 Вт. Для многих типов КА длительность дежурного режима значительно превышает длительность рабочего режима, что позволяет применять для регенерации АХ диодную тепловую трубу небольшой проводимости.
Расчеты показывают, что при мощности теплового потока 2 Вт в режиме регенерации площадь РТО гарантировано обеспечивает отвод этого тепла при температуре ниже температуры замерзания аммиака.
Ниже приводится пример применения СТР с АХ и ДТТ для инфракрасного радиометра, который будет установлен на КА ДЗЗ, с высотой орбиты 600-1000 км, (период обращения около двух часов). В этих КА имеется оптико-механический блок (ОМБ), в состав которого входит криогенная холодильная машина (ГКМ), обеспечивающая охлаждение фотоприемного устройства. Часть элементов ГКМ (компрессор) выделяет около 150 Вт мощности при температуре около 300 К, а часть элементов ГКМ выделяют около 100 Вт при температуре 220 К. Все эти элементы работают (или не работают) одновременно.
Циклограмма работы ОМБ:
В рабочем режиме, который длится 15-25 минут работают все элементы ГКМ, в дежурном режиме, который длится на протяжении нескольких витков орбиты (иногда до суток), ГКМ не работает, тепло ни от «холодного» ни от «горячего» источников не выделяется.
В этом режиме и происходит регенерация АХ, поскольку в РТО тепло от компрессора ГКМ не отводится. Если РТО горячий - то регенерация АХ не происходит. Поскольку на протяжении этих дежурных витков РТО неоднократно находится в тени и остывает до температуры ниже 220 К, то регенерация гарантировано будет выполнена.
При таких параметрах циклограммы общая масса АХ и РТО при площади РТО равной 0,38 кв.м и удельной массе РТО 6 кг/кв. м составит около 4 кг. При использовании СТР с двумя РТО («холодный» и «горячий») их масса составит 7,2 кг. Таким образом выигрыш в массе СТР составит около 3 кг.