CC BY
35<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 629.7.05
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ НА БАЗЕ КОНТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
В. А. Антонов, М. А. Балыкин, К. А. Гончаров, К. Н. Коржов
Центр тепловых труб Роскосмоса ФГУП НПО им. С. А. Лавочкина Российская Федерация, 141400, г. Химки Московской обл., ул. Ленинградская, 24
E-mail: [email protected]
Рассмотрена система терморегулирования бортового водородного стандарта частоты для КА «Спектр-Р». Обсуждаются результаты летного эксперимента.
Ключевые слова: контурная тепловая труба, система терморегулирования, аммиак, термостатирование.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF PRECISE THERMAL CONTROL SYSTEM WITH LOOP HEAT PIPE
V. A. Antonov, M. A. Balykin, K. A. Goncharov, K. N. Korzhov
Roscosmos Loop Heat Pipe Center of FSUE Lavochkin Association 24, Leningradskaya Street, Khimky, Moscow region, 141400, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article considers the thermal control system of onboard hydrogen frequency standard for "Spektr-R " spacecraft. The paper considers the results of the flight test.
Keywords: loop heat pipe, thermal control system, temperature control, evaporator, energy equation.
Введение. Контурные тепловые трубы (КТТ) успешно применяются на многих аппаратах, созданных в НПО им. С. А. Лавочкина, РКК «Энергия» и др. предприятиях космической отрасли нашей страны. Среди них такие аппараты, как Марс-96, Электро-Л № 1, Фобос-Грунт, Спектр-Р, Электро-Л № 2, Ямал-200, модуль МКС «Рассвет», Кондор, Кондор-Э и другие. КТТ является перспективным и очень эффективным устройством передачи и преобразования тепла для систем терморегулирования КА. До настоящего времени далеко не все возможности этого относительно нового класса устройств исследованы и нашли применение.
В настоящей работе рассматривается одно из наиболее интересных и успешных применений КТТ для обеспечения высокоточного термостатирования бортовой аппаратуры КА «Спектр-Р» (рис. 1). Данный аппарат был запущен в июле 2011 г. Научная программа, названная «Радио-Астрон», включает в себя КА «Спектр-Р, основным инструментом которого является радиотелескоп с антенной диаметром более 10 м и сеть наземных телескопов, размещенных в разных частях Земного шара.
«Спектр-Р» имеет длинную эллиптическую орбиту с апогеем около 200 000 км и работает синхронно с сетью наземных телескопов. Такое техническое решение позволило создать единый радиотелескоп с апертурой несколько сот тысяч километров и наблюдать источники радиоволн в очень длинноволновом спектре, а также определять очень удаленные источники с высокой точностью.
Рис. 1. КА «Спектр-Р»
Описание системы. Для термостатирования бортового водородного стандарта частоты (БВСЧ) была применена пассивная система термостатирования (СТР) на базе регулируемой КТТ. Внешний вид СТР БВСЧ изображен на рис. 2.
А
Рис. 2. Внешний вид СТР БВСЧ
"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов
ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА КТТ tf »
ООО «НПП «ТАИ С* 8 (495) 150-06-50 [email protected]
Д. Л JJ JJ XI
Рис. 3. Расчетная схема КТТ: 1 - капиллярная структура фитиля испарителя; 2 - паропровод; 3 - конденсатор; 4 - конденсатопровод; 5 - вторичная капиллярная структура; 6 - компенсационная полость; 7 - тепловой поток от оборудования;
8 - байпасная линия; 9 - регулятор давления
СТР включает в себя два посадочных основания для двух БВСЧ, четыре аксиальных тепловых трубы, связывающих посадочные основания в единый модуль, и КТТ с радиатором. Испаритель КТТ соединен с конденсаторами АТТ. КТТ содержит для обеспечения термостатирования регулятор расхода теплоносителя с приводом от внутреннего давления в контурной тепловой трубе. Радиатор имеет площадь 0,3 м2. Схема КТТ изображена на рис. 3.
Тепловыделение водородного стандарта частоты составляет от 30 до 70 Вт. Второй прибор находится в холодном резерве. Изменение ориентации космического аппарата приводит к изменению падающего потока на радиатор. Ориентация солнечного потока возможна от -90 до + 30 град по отношению к плоскости радиатора.
Для повышения точности термостатирования были приняты следующие решения:
1. На компенсационной полости КТТ установлена дополнительная теплоемкость.
2. Регулятор давления был установлен непосредственно на термостатируемый объект.
3. В конструкции использовался регулятор с сокращенным ходом сильфонного узла.
4. В качестве теплоносителя КТТ был применен аммиак. Для предотвращения замерзания аммиака в режимах, когда прибор не работал, на радиаторе включался охранный нагреватель [1].
Моделирование. Динамический расчет КТТ был выполнен в два этапа. На первом этапе сделан расчет КТТ, которая не содержит байпасной линии и регулятора, на втором модель была усовершенствована, в ней была учтена работа регулятора [2-4].
Модель включает в себя уравнения энергии для потока теплоносителя и для стенки, уравнение сохранения количества движения теплоносителя, а также комбинированное уравнение баланса тепла и массы для резервуара [5-6].
Результаты летной эксплуатации. Разрешающая способность телеметрической системы для испарите-
ля и прибора составляет 0,4 градуса. На основе полученных телеметрических данных было показано, что точность поддержания температуры объекта не хуже, чем разрешающая способность телеметрической системы.
Огромное количество экспериментов и наблюдений, проведенных более чем за 5 лет эксплуатации КА на орбите, подтвердили качество и стабильность работы БВСЧ, а значит, и выполнение системой заданных требований к стабилизации температуры прибора.
Заключение. Разработана динамическая модель КТТ, позволяющая проводить расчет КТТ с регулятором давления и байпасом.
Создана система (регулирования / термостатирования) на базе КТТ, позволяющая достигнуть высокой точности поддержания заданной температуры.
Достигнута точность поддержания температуры водородного стандарта частоты с отклонением не более 0,1 °С от среднего значения. При этом средняя температура прибора на интервале времени до 2 400 с не отличается от соседнего временного интервала более чем на 0,003о.
Библиографические ссылки
1. Моделирование динамических характеристик контурной тепловой трубы с регулятором / В. Н. Буз, К. А. Гончаров, В. А. Антонов / РНКТ-4. М. : Изд-во МЭИ, 2006. Т. 5. С. 61-64.
2. КТТ and CPL mathematical model providing the description of some dynamic processes / V. N. Buz, H. F. Smirnov, K. A Goncharov // CPL'98 International Two Phase Workshop. Los Angeles, USA., March 2-4. 1998.
3. Modeling of КТТ Performances by Means of Specialized EASY Package Program / V. Buz, K. Goncharov // IHPC 12. May 19-24. 2002. (In Russ).
4. Buz V., Goncharov K. Modeling of КТТ Performances by Means of Specialized EASY Package
Решетневс^ие чтения. 2016
Program. // Heat Pipe Technology Application. Proceedings of the 12th Int. Heat Pipe Conference. M., 2002. P. 182-187.
5. Loop heat pipe for high-precision satellite thermal control / K. Goncharov, V. Buz, U. Hildebrand, O. Romberg, F. Bodendieck, R. Schlitt // IAC-04-1.6.11, Vancouver, Canada, 2004.
6. Goncharov K. A., Kochetkov A. Yu., Buz V. N. Development of loop heat pipe with pressure regulator // Heat Pipe, Heat Pumps, Refrigerators. Proceedings of the VI Minsk Int. Seminar. Belarus, 2005. P. 167-172.
References
1. Modeling the dynamic characteristics of loop heat pipe with controller / V. N. Buz, K. A. Goncharov, Vladimir Antonov / RNKT-4. M. : Izd-vo MEI, 2006. Vol. 5. P. 61-64.
2. KTT and CPL mathematical model providing the description of some dynamic processes / V. N. Buz, H. F. Smirnov, K. A Goncharov // CPL'98 International
Two Phase Workshop. Los Angeles, USA. March 2-4. 1998.
3. Modeling of KTT Performances by Means of Specialized EASY Package Program / V. Buz, K. Goncharov // IHPC 12. May 19-24. 2002. (In Russ).
4. Buz V., Goncharov K. Modeling of KTT Performances by Means of Specialized EASY Package Program. // Heat Pipe Technology Application. Proceedings of the 12th Int. Heat Pipe Conference. M., 2002. P. 182-187.
5. Loop heat pipe for high-precision satellite thermal control / K. Goncharov, V. Buz U. Hildebrand, O. Romberg, F. Bodendieck, R. Schlitt // IAC-04-1.6.11. Vancouver, Canada, 2004.
6. Goncharov K. A., Kochetkov A. Yu., Buz V. N. Development of loop heat pipe with pressure regulator // Heat Pipe, Heat Pumps, Refrigerators. Proceedings of the VI Minsk Int. Seminar. Belarus, 2005. P. 167-172.
© Антонов В. А., Балыкин M. А., Гончаров K. A.,
Коржов K. H., 2016
УДК 539.3
РАСЧЕТ НАЧАЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ В ГЕОМЕТРИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНОЙ ЗАДАЧЕ СЕТЧАТОГО АНТЕННОГО РЕФЛЕКТОРА
С. В. Белов, А. П. Жуков, С. В. Пономарев
Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 E-mail [email protected]
Рассматривается расчет начального приближения в геометрически нелинейной задаче для перспективного сетчатого рефлектора на основе метода плотности сил. Задача решалась методом конечных элементов.
Ключевые слова: сетчатый рефлектор, метод конечных элементов, метод плотности сил.
INITIAL ESTIMATION OF GEOMETRICAL NONLINEAR PROBLEM FOR MESH REFLECTOR
S. V. Belov, A. P. Zhukov, S. V. Ponomarev
Research institute of Applied Mathematics and Mechanics of Tomsk State University 36, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail [email protected]
This research presents an initial estimation of geometrical nonlinear problem for future mesh reflectors via force density method. The problem is solved by finite element method.
Keywords: mesh reflector, finite element method, force density method.
Введение. В настоящее время сетчатые космические антенные рефлекторы приобрели широкую популярность благодаря их способности развертываться на большую площадь (обеспечивая высокий коэффициент усиления) при относительно небольшой массе. Для минимизации временных и материальных затрат при создании таких антенн необходимо проводить предварительный численный анализ их напряженно-деформированного состояния (НДС) с учетом геометрической нелинейности для оценки достижимой точности, жесткости, устойчивости и других характеристик конструкции.
Расчет начального приближения в задаче НДС крупногабаритного зонтичного рефлектора. В работе рассматривается модель перспективного зонтичного космического рефлектора, показанного на рис. 1.
Отражающая поверхность моделируется оболо-чечными элементами без изгибной жесткости, фронтальная (тыльная) сеть и оттяжки моделируются прямолинейными элементами, работающими только на растяжение, а силовой каркас состоит из оболочечных элементов.
