CC BY
53
Shunevich Nikolai Alexsanrovich, candidate of technical science, head of laboratory, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Hublarova Tatyana Sergeevna, researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 629.7.048.7
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
А.В. Кухтин, А.М. Денисов, Т.Ю. Девяткина
Представлены практические рекомендации по созданию системы обеспечения теплового режима космического аппарата, функционирующей в условиях кратковременных тепловых потоков повышенной мощности (КТППМ). Предложена принципиальная схема системы обеспечения теплового режима и практические рекомендации по использованию тепловых аккумуляторов.
Ключевые слова: космический аппарат, система обеспечения теплового режима, тепловой аккумулятор, объект регулирования, тепловой поток.
Отличительной особенностью современной ракетно-космической техники является расширение круга задач, стоящих перед космическими аппаратами (КА) при сохранении жестких массовых, габаритных, энергетических и временных ограничений. Главной трудностью, возникающей при этом, является обеспечение требуемого теплового режима работы бортовых систем (БС) КА в условиях кратковременных пиковых нагрузок, генерируемых специальной аппаратурой. Учитывая требования по стабильности теплового состояния, задача по поддержанию температуры его элементов в условиях космического пространства является одной из основных, определяющих само его существование. Даже кратковременный выход значений температуры за допустимые пределы может привести к нарушению функционирования или к выходу из строя всего КА. С учетом высокой стоимости КА к надежности и характеристикам системы обеспечения теплового режима (СОТР) предъявляются повышенные требования.
Поддержание требуемого теплового режима обеспечивается организацией как внешнего теплообмена КА с внешней средой, так и внутреннего теплообмена и распределения тепловой энергии между элементами и конструкцией КА. Однако тепловое поле КА определяется не только специально организованными тепловыми связями, но и теплофизическими свойствами всех конструктивных элементов, образующих КА. Тепловой режим КА будет определяться не только СОТР, но и всеми его составными элементами: внешним оборудованием, корпусом, несущей рамой, агрегатами и приборами. В связи с этим актуальной является разработка новых
113
научно-методических подходов к созданию СОТР КА, использующая как традиционные средства обеспечения теплового режима, так и новые (двухфазные системы, модульные схемы и другие).
Оснащение КА мощной аппаратурой кратковременного действия требует серьёзной переработки конструктивно-компоновочной схемы КА, изменения состава и параметров его БС. Наличие на борту КА подобных элементов, обладающих большими значениями потребляемой электрической и выделяемой тепловой мощности при низком коэффициенте использования, обусловливают необходимость совершенствования существующих и разработки новых подходов к их проектированию, особенно в части обоснования состава и параметров его БС, прежде всего, систем электроснабжения (СЭС) и СОТР.
В частности, потребность в кратковременной генерации высокой электрической мощности до нескольких десятков к (или импульса высокой энергии) для питания и сбросе большого потока тепловой энергии при сохранении заданного теплового режима требуют проработки новых подходов к созданию СОТР. Это связано с тем, что при принятии в качестве величины расчетной мощности отводимого теплового потока пикового значения (расчетный случай), массогабаритные характеристики СОТР в большинстве случаев не будут удовлетворять накладываемым на них ограничениям.
По результатам предварительного анализа возможных путей решения данной проблемы наиболее целесообразным представляется путь введения в состав СОТР дополнительных элементов (тепловых аккумуляторов), эффективно поглощающих кратковременные тепловые потоки большой мощности, с их последующей длительной утилизацией традиционными средствами СОТР. Принципиальная схема взаимодействия дополнительных элементов регулирования теплообмена представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема взаимодействия дополнительных элементов регулирования теплообмена при доработке штатной СОТР
114
Объектами регулирования являются как традиционные объекты регулирования (блоки бортовой аппаратуры, элементы оптических систем и прочие), так и дополнительные, такие как критичные к перегреву элементы устройств повышенной тепловой мощности. В зависимости от особенностей устройства и принципов работы таких устройств можно использовать различные способы охлаждения его элементов:
а) конвективный (жидкостный, газовый);
б) контактный (термоэлектрическое охлаждение);
в) гетерофазный (на фазовых переходах);
г) комбинированнный.
Наибольшее распространение имеют системы с жидкостным тепло-отводом, так как они обладают рядом преимуществ, таких как простота организации процесса отвода тепла и высокие коэффициенты теплоотдачи жидкостных хладагентов пределах 2000...7000 Вт/м2-К. Газовые системы охлаждения значительно уступают по своей эффективности жидкостным в силу меньшей теплоемкости хладогента (коэффициент теплоотдачи порядка 120.150 Вт/м2-К; с использованием устройств, реализующих вихревой эффект - до 300. 500 Вт/м2).
В качестве основных исходных данных для синтеза СОТР КА необходимо использовать зависимость потребляемой электрической мощности от времени Рэл и КПД п источника КТППМ.
Временные зависимости в большинстве случаев целесообразно представлять в виде ступенчатых графиков, описываемых тремя параметрами - мощность Р™" р™"), момент начала работы t (в шкале модельного времени) и продолжительность его работы Т.
Как было ранее отмечено, задача отвода пиковых мощностей от объектов регулирования к СОТР КА решается путем использования теплового аккумулятора (ТА).
Принципиальная схема такой СОТР представлена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема специальной СОТР: 1 - источник КТППМ, 2 - ТА, 3 - дополнительный РТО, 4 - штатная СОТР; А - «быстрый» контур, В - «медленный» контур, С - резервный контур
Принцип ее функционирования состоит в быстром накапливании тепла в ТА и медленном его сбросе в окружающую среду на протяжении длительного времени (использование теплового буфера, сглаживающего
115
пиковую нагрузку на СОТР). При поступлении команды на включение источника 1, одновременно включается контур А, который обеспечивает быстрый отвод тепла от конструкции и элементов установки и передачу его в ТА 2. Контур В обеспечивает медленный сброс тепла через радиатор 3 после отключения контура А в течении длительного времени. В случае неполной загруженности штатного контура СОТР 4 возможен сброс тепла его средствами. Необходимость их задействования определяется текущей тепловой нагрузкой.
Преимущество данной схемы системы терморегулирования КА в ее высокой степени готовности к отводу КТППМ при соблюдении массовых, габаритных, энергетических и временных ограничений.
Следует отметить, что утилизация тепла с борта КА может быть осуществлена так же путем нагревания и / или испарения запасенного рабочего тела и сброса его в окружающее космическое пространство. Принципиальная схема СОТР, оснащенной подобным утилизатором тепла (УТ), приведена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема СОТР, с использованием УТ: 1 - источник КТППМ; 2 - теплообменник; 3 - насос; 4 - резервуар с рабочим телом; 5 - испарительный излучатель
Выбор рабочего тела определяется требуемой температурой парообразования, значениями теплоемкости и теплопроводности. Вещества, которые могут быть применены в системах утилизации тепла с использованием сброса рабочего тела, представлены на рис. 4.
Данный способ теплоотвода обладает существенными недостатками:
- влияние испарения вещества на функционирование КА;
- возникновение реактивной силы (может быть компенсировано «противовыбросом»);
- ограниченное количество применений.
Важным вопросом при выборе типа ТА является обоснование типа и параметров теплоаккумулирующего материала (ТМ), который должен, в общем случае, характеризоваться хотя бы одним из перечисленных ниже сочетаний:
- высоких значений удельной энергоемкости, теплопроводности и коэффициента теплоотдачи от контактной поверхности (газовой или жидкой среды) объекта регулирования к поверхности ТМ;
- высоких значений удельной теплоты фазового перехода и коэффициента теплоотдачи при условии близости температуры фазового перехода к номинальной температуре ТМ.
Теплота испапения. МЛж/кг
Рис. 4. Жидкости с большим значением скрытой теплоты парообразования
Это позволит обеспечивать большое количество запасаемой в блоке ТА тепловой энергии и высокую интенсивность отвода тепла от объекта регулирования. Таким образом, для корректного выбора типа и параметров ТА необходимо рассмотреть в качестве возможных вариантов ТА, основанные как на принципах поглощения тепловой энергии непосредственно ТМ, так и на принципах, связанных с поглощением тепла в ходе фазового перехода.
Для рассмотрения возможности реализации ТА первого типа был проведен анализ параметров ТМ, обладающих высокой теплоемкостью. Значения их теплоёмкости Ср, теплопроводности X и температуры плавления Тпл приведены в табл. 1.
Среди систем аккумулирования тепловой энергии особое место занимают системы, основанные на использовании теплоты плавления ТМ. С практической точки зрения наиболее важными свойствами ТМ с фазовыми переходами являются температура плавления Тпл и объемная плотность аккумулированной энергии Еу. Анализ исследований по теплофизическим свойствам ряда органических и неорганических веществ [1] показывает, что в качестве ТМ могут использоваться четыре группы веществ: парафины, жирные кислоты, гидраты солей и ряд соединений металлов. Их основные параметры плавления приведены в табл. 2.
Для получения оптимальной структуры СОТР и параметров ее элементов было выполнен структурно-параметрический синтез, в результате которого определена структура и параметры СОТР.
Проведению синтеза предшествовало выполнение трех задач [2]:
- обоснование показателей (целевой функции) и критериев оценивания качества;
- создание математической модели СОТР;
- разработка алгоритма синтеза.
Таблица 1
Параметры основных теплоаккумулирующих материалов
ТМ Ср, Дж/кгК X, Вт/мК Тпл, К ТМ Ср, Дж/кгК X, Вт/мК Тпл, К
Н2 14,9 0,45 14 № 0,304 64 2750
Li 4,5 60 455 Мо 0,274 112 2860
Be 3,3 91 1560 Та 0,152 60 3260
В 2,26 909 2300 W 0,148 118 3660
С (графит) 1,79 120 возгонка при 4000К ВеО 2,03 48 2853
№ 1,27 58 371 MgO 1,23 6 3075
Mg 1,39 84 923 А12О3 1,22 5 2323
А1 1,15 93 933 ггО 2 0,61 1,8 2960
Si 0,93 1685 У2О 3 0,45 при 298К 2712
№ 0,304 64 2750 НО2 0,38 3053
Na 1,27 58 371 В4С 2,09 13 2620
Mg 1,39 84 923 SiC 1,19 16 3130
А1 1,15 93 933 ггС 0,505 40 3803
Si 0,93 1685 №С 0,49 44 3660
ВК 1,855 3273 ТаС 0,26 37 4257
TiN 0,851 10 3223 LiH 7,3 960
Таблица 2
Параметры двухфазных теплоаккумулирующих материалов
ТМ Тпл, К Еу, МДж/м3
Гидраты солей и их смеси 300-320 200-400
Органические соединения 300-330 150-200
Соли 410-1270 300-1900
Металлы и их сплавы 540-1270 540-3000
Щелочи 570-770 1280
Целевая функция определялась как вероятность работоспособности СОТР в условиях КТППМ [2] и рассчитывалась методом статистического имитационного моделирования.
Моделирование процесса функционирования СОТР происходит с учетом неопределенности исходной информации (случайными величинами являются: момент времени включения, продолжительность и значение потребляемой мощность источника КТППМ, график энергопотребления КА) и проводится на основе систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Такое описание СОТР эквивалентно переходу к модели со сосредоточенными параметрами или, к так называемой, узловой модели (рис. 5), когда система разбивается на ряд изотермических узлов и для каждого из них записывается уравнение теплового баланса (1):
= (Т, - Т,)+ I Ь„ [Г - Т?) + ОВНУП' (!) + а?НЕШ(*. ,, , = ил (1)
где Т,, с, - средняя температура и теплоемкости узлов, К, Дж/К; а,, Ь, - коэффициенты, определяющие кондуктивные составляющие и лучистый теплообмен между узлами, Вт/К; QlВНУТР, QlВНЕШ - внутренняя и внешняя тепловые нагрузки на узлы, Вт.
Рис. 5. Схема узловой тепловой модели
Изотермическими узлами могут являться отдельные агрегаты, элементы, участки теплообменных поверхностей, блоки однотипного оборудования и др. Узловая математическая модель является наиболее простой и удобной для проведения нестационарных расчетов СОТР.
Алгоритм синтеза СОТР [3] представлен на рис. 6.
Как упоминалось выше, увеличение размера РТО нецелесообразно по причине существенного увеличения его массы, усложнения подвода тепловой энергии к такой конструкции, кроме того зачастую увеличенные габариты радиатора не позволяют реализовать ее на КА из соображений его конструкции. Требуемые площади РТО показаны на рис. 7.
Расчеты [4] показали, что применение ТА в целом позволяет существенно увеличить вероятность успешного выполнения целевой задачи системой обеспечения теплового режима (рис. 8).
Использование УТ в ряде случаев позволяет сократить размеры радиатора. В условиях однократного и двукратного включений источника КТППМ (рис. 9, а) необходимо применение УТ позволяет затратить малые массовые ресурсы (порядка 20 кг). При увеличении требуемого количества включений источника КТППМ или его неопределенности целесообразно применять ТА для отвода тепла от источника КТППМ с емкостью достаточной для однократного включения.
В случае необходимости использования источника КТППМ мощностью свыше 15 КВт необходимо применять ТА (рис. 9, б), позволяющий затратить массовые ресурсы не более 100 кг. При использовании маломощного источника КТППМ целесообразно применение УТ.
Рис. 6. Структурная схема синтеза СОТР
120
Рсотр
Ррто, м2
Рис. 7. Зависимость показателя работоспособности СОТР от площади РТО при разном количестве включений источника КТППМ
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
\
\
\
95 100
а
а б
Рис. 8. Зависимость показателя работоспособности СОТР: от массы рабочего тела ТА; б - от мощности источника КТППМ
0
ш, кг УТ *
у ТА
/__
_3_4_5_6_
т, кг
ТА ......
,. -
П
КкВ
а б
Рис. 9. Зависимость требуемой массы ТА и УТ: а - от количества включений источника КТППМ; б - от мощности источника КТППМ
Кроме того, увеличить значение показателя работоспособности СОТР можно добиться определенными организационными мероприятиями. Так при выходе температуры БА за пределы допустимой (а также при
121
превышении скорости изменения температуры) рекомендуется применять тактику временного отключения контура источника КТППМ от штатной СОТР (рис. 10). Кроме того, во избежание выхода из строя КА в случае долговременной работы источника КТППМ, по возможности ограничивать потребление бортовой аппаратурой на текущем витке.
Рис. 10. Реализация сценария отключения контура источника КТППМ от штатной СОТР при выходе температуры БА за допустимые пределы
По результатам исследования можно сделать следующие основные выводы.
Оснащение КА мощными потребителями энергии требует серьёзной переработки конструктивно-компоновочной схемы КА, изменения состава и параметров его БС, в том числе СОТР.
Рассмотрен типовой состав СОТР КА, оснащенного источником КТППМ. Предложен новый обобщенный состав СОТР, включающий дополнительно к штатным элементам дополнительный контур на базе ТА, преобразующий энергию высоких импульсных тепловых нагрузок в небольшие по энергетическому уровню, но продолжительные по времени тепловые потоки.
Разработаны практические рекомендации организациям занимающимся разработкой и применением космических средств вооружения, позволяющие повысить показатель работоспособности СОТР КА, оснащенного источником КТППМ.
Список литературы
1. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов. Справочник. М.: ФИЗМАТГИЗ, 1959. 356 с.
2. Кухтин А.В., Денисов А.М., Суворов Р.В., Гончаров П.С., Левандович А.В. Научно-методический подход к решению задачи выбора структуры и параметров бортовых энергопреобразующих систем КА, функционирующего в условиях воздействия частиц космического мусора // Сборник докладов Межрегионального семинара «Экология и космос», ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013.
3. Кухтин А.В. Методика обоснования состава системы обеспечения теплового режима космического аппарата, функционирующей в условиях кратковременных тепловых потоков повышенной мощности // Труды ВКА имени А.Ф. Можайского. Выпуск 661. СПб: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2018. С. 167-175.
4. Кухтин А.В., Денисов А.М. Математическая модель теплового аккумулятора в режиме отвода кратковременных тепловых потоков высокой мощности от элементов КА // Труды Всероссийской НПК «Современные проблемы улучшения ТТХ РКТ, ее создания, испытаний и эксплуатации» СПб: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013. 711 с.
Кухтин Андрей Валентинович, начальник лаборатории (научно-исследовательской), старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Денисов Андрей Михайлович, начальник отдела (научно-исследовательского), заместитель начальника управления, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Девяткина Татьяна Юлиановна, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
PRACTICAL RECOMMENDATIONS OF THE SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEM DEVELOPMENT
A. V. Kukhtin, A.M. Denisov, T.J. Devjatkina
Practical recommendations are presented for the creation of a thermal control system for a spacecraft operating in the context of short-term high-power heat fluxes. A schematic diagram of the thermal management system and practical recommendations on the use of heat accumulators are proposed.
Key words: spacecraft, thermal control system, heat accumulator, control object, heat flux.
Kukhtin Andrey Valentinovich, head of the laboratory (research), senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy,
Denisov Andrei Mikhailovich, head of department (research) - deputy head of office, vka@,mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy,
Devjatkina Tatjana Julianovna, researcher, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy
