Разработка численной математической модели терморегулирования космического аппарата с тепловыми трубами Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетневские чтения

УДК 629.78

Г. И. Овечкин

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ

Приведена математическая модель для расчета температурных полей тепловой трубы в составе сложных конструкций космического аппарата методом конечных элементов с учетом результатов ее автономных испытаний.

Предметом исследования является численная математическая модель терморегулирования космического аппарата (КА) с применением тепловых труб (ТТ) с учетом результатов их автономных испытаний по теплопередающей способности в зависимости от разницы температур испарителя и конденсатора (см. таблицу).

По данным этой таблицы можно построить аналитическую зависимость мощности теплопередачи ТТ за счет испарительно-конденсационного эффекта в зависимости от перепада температур между испарителем и паром в виде следующего полиномиального ряда (см. рисунок):

0п = -273,98 (Ти - Тп)6 + 1 058,5 (Ти - Тп)5 -- 1 768 (Ти - Тп)4 + 1 370,6 (Ти - Тп)3 -- 534,22 (Ти - Гп)2 + 231,28 (Ти - Тп) - 0,045 2. (1)

Вт 200

0 0,5 1 1,5 2

Зависимость мощности теплопередачи ТТ от перепада температуры между испарителем и паром

Изменения значений Qп лежат в пределах 0...150 Вт в интервале перепада температур между испарителем и

паром, равном 0... 1,82 °С (вне указанного интервала значения Qп равны нулю по причине запаривания ТТ).

Формула (1) для 1-го расчетного участка корпуса ТТ, условно разделенного на 1-е участки в количестве п, примет вид

Qm = (Е/Еи)-(-273,98-(Т - (1/п) £Т )6 +

п=1

+ 1 058,5-(Т - (1/п) £Т )5 - 1 768-(Т - (1/п) £Т )4 +

п =1 п =1

+ 1 370,6-(Т- (1/п) £Т1 )3 - 534,22-(Т- (1/п) £Т )2 +

п=1 п=1

+ 231,28-(Т- - (1/п) £Т ) - 0,045 2, (2)

п=1

где Qг■п - количество теплоты, передаваемое от 1-го элемента корпуса ТТ к пару за единицу времени, Вт; (Е/Еи) - относительная площадь испарителя, на которую приходится соответствующая часть максимального теплового потока (в данном примере 150 Вт) при экспериментальном определении максимальной теплопередачи ТТ, Вт; Т - температура 1-го элемента

п

корпуса ТТ, °С; (1/п) £ Т - температура пара Тп на

п=1

каждом шаге интегрирования; п - количество равных конечных элементов, на которые условно разделена ТТ для расчета их температур на каждом шаге интегрирования. Заметим, что при проведении расчетов теплообмена излучением и переизлучением единицей измерения температуры является кельвин.

Результаты автономных испытаний тепловых труб

Наименование параметра Обозначение Значения

Общая мощность теплопередачи ТТ, Вт Qт.т 0 76 125 143 150 55 8 1

Мощность теплопередачи ТТ за счет теплопроводности корпуса, Вт Qx 0 0,014 0,03 0,03 0,04 0,05 0,05 0,06

Мощность теплопередачи ТТ за счет ис-парительно-кондиционного эффекта, Вт Qп 0 75,9 124,9 142,9 149,9 54,9 7,9 0,94

Перепад температур между испарителем и конденсатором, °С Ти - Тк 0 1,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Перепад температур между испарителем и паром, °С (Ти - Тп) = (Ти -Тк)/2 0 0,5 1,0 1,2 1,5 1,7 2,0 2,2

"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

С учетом вышеизложенного система уравнений теплового баланса для расчета температурных полей конструкции КА с применением ТТ методом конечных элементов будет следующей

гт = т+дт=т+(ДГ/(СО)о-(й - е,п + Ё а, (г} - т)+

+ Ё 5,(Т - Т) - я-о-т,4 + £ Я,0 (Т, - Т4). (3)

На основе разработанной модели автором были проведены исследования нескольких вариантов применения регулируемых ТТ в составе П-образных

сотопанелей КА для различной топологии ТТ. В результате было получено новое техническое решение с более точным обеспечением температуры участка панели для установки на нем бортовых приборов, которое способствует повышению надежности работы бортовой аппаратуры и КА в целом, так как известно, что при сужении диапазона рабочих температур бортовых приборов на 10 °С интенсивность их отказов уменьшается на 25 % [1].

Библиографическая ссылка

1. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М. : Высш. шк., 1984.

G. I. Ovechkin

JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

DEVELOPMENT OF NUMERICAL MODEL OF THERMAL CONTROL OF A SPACE VEHICLE WITH HEAT PIPES

The mathematical model for account of temperature fields of a thermal pipe in structure of complex designs of space vehicles by a method of final elements is given in view of results of its independent tests. The mathematical model has allowed to simplify accounts of complex designs of spacecraft with application in them of thermal pipes, to increase the accuracy of accounts, guaranteeing a narrower range of working temperatures of designs and devices while in service of space devices, to increase reliability of its work.

© OBeHKHH r. H., 2011

УДК 629.78.002.3:629.78.01

Е. Г. Пацкова

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Непрерывное увеличение энергопотребления бортовых подсистем спутников влечет за собой рост массовых характеристик оборудования и в целом спутника, что, как правило, вступает в противоречие с возможностями средств выведения.

На сегодняшний день актуален вопрос создания бортовой кабельной сети космического аппарата с минимально возможной массой, но которая при этом способна к передаче большого объема информации. Одним из путей решения данного вопроса является применение сверхпроводниковых (СП) материалов.

Основными техническими характеристиками сверхпроводников с точки зрения их применения являются:

- Т - температура, при которой планируется эксплуатировать сверхпроводниковый элемент;

- 1С - величина критического тока сверхпроводникового элемента (ленты, провода) в отсутствии внешнего поля, определяющая максимально допустимый ток, который может протекать по сверхпроводящему элементу без разрушения его сверхпроводящего состояния;

- Jc(B) - величина плотности критического тока элемента во внешнем магнитном поле;

- L - длина элемента.

В СП-изделиях рабочий ток, как правило, составляет 0,5...0,9/c в зависимости от условий эксплуатации. При этом чем выше критический ток, тем больше токонесущая способность элемента и тем меньшим количеством сверхпроводника можно обойтись (URL: http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu= bull_subj&id=500).

Параметр Jc(B) имеет важное значение, поскольку одной из основных областей применения сверхпроводников является сильноточная электротехника с большими значениями рабочих токов, а значит, с большими магнитными полями. Следует отметить, что плотность критического тока у всех сверхпроводников падает при увеличении внешнего поля, но тем-