CC BY
48Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 629.78.06-533.6
РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ НАСОСОВ
МОЩНОСТЬЮ ДО 1 кВТ
А. И. Алифанов, С. П. Ермилов, М. И. Синиченко, Л. М. Бородин
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Рассмотрена разработка и создание в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» капиллярных насосов для контурных тепловых труб и двухфазных контуров современных КА.
Ключевые слова: система терморегулирования, контурная тепловая труба, двухфазный контур, капиллярный насос.
DEVELOPMENT, MANUFACTURING AND TESTING CAPILLARY PUMPS WITH POWER UP TO 1 kW
A. I. Alifanov, S. P. Ermilov, M. I. Sinichenko, L. M. Borodin
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation
This article discusses the design and development capillary pumps at JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev". The equipment is for contour pipes and two-phase contours of modern spacecraft.
Keywords: thermal control system, loop heat pipe, two-phase contour, capillary pump.
В настоящее время проблема отвода тепла и распределение тепловой нагрузки в современных космических аппаратов (КА) является одной из самых сложных задач системы терморегулирования (СТР) во всей космической промышленности. Наряду с постоянно растущей потребностью в космических технологиях растёт необходимость в создании высокоэффективных, мощных устройств, способных отводить большое количество тепла от приборов с повышенным тепловыделением.
В СТР современных КА всё чаще находят своё применение двухфазные системы и контурные тепловые трубы, решающие задачи с отведением повышенной тепловой нагрузки.
Одним из основных теплоотводящих устройств контурных тепловых труб (КТТ) и двухфазных систем КА является капиллярный насос (КН) с капиллярной прокачкой теплоносителя.
Контурные тепловые трубы являются альтернативными системами терморегулирования, работающими без дополнительных источников энергии. Они представляют собой теплопередающие устройства, которые способны передавать большие тепловые потоки на значительное расстояние. КТТ обладают основными достоинствами обычных тепловых труб, однако лучше адаптируются к различным условиям эксплуатации и допускают широкую возможность для различных конструктивных воплощений.
КН, осуществляющие передачу тепла в испари-тельно-конденсационном цикле, могут быть встроены в системы терморегулирования по схеме контурных тепловых труб (КТТ) или двухфазных контуров (ДФК). В схеме КТТ кроме испарительной части КН снабжается дополнительным присоединённым объёмом - компенсационной камерой. В схеме ДФК роль компенсационной камеры выполняет присоеди-
нённый к контуру резервуар с управляемым нагревом (гидроаккумулятор). В обеих схемах конструкция испарительной части (капиллярного испарителя) КН идентична и включает в себя следующие основные элементы: цилиндрический корпус, капиллярную структуру, две крышки и соединительные патрубки. Капиллярная структура имеет центральный тупиковый канал для приёма жидкости и систему пароотводных каналов, выполненных на внешней поверхности в зоне испарения (подвода тепла).
Жидкостный (переходный) патрубок служит для присоединения компенсационной камеры к капиллярному испарителю в схеме КТТ (жидкостный магистрали в схеме ДФК). Кроме того, жидкостной патрубок и крышка могут использоваться для организации уплотнения капиллярной структуры для предотвращения перетечек пара во внутреннюю полость КН.
Также одним из основных параметров, характеризующих работоспособность КН, является создание перепада давления, необходимого для циркуляции рабочей жидкости по замкнутому контуру (магистралям), ведущему к радиатору, для сброса тепла в открытое космическое пространство. Детальное конструктивное исполнение КН определяется типом материалов корпуса капиллярного испарителя, компенсационной камеры (гидроаккумулятора) и крышек.
АО «ИСС» на протяжении последних 7 лет занимается созданием КН разных типоразмеров и исполнений. За эти годы были разработаны, созданы и испытаны более 10 различных КН и два исполнения КТТ. Внешний вид КН и КТТ показан на рисунке.
Детально проработаны все конструктивные тонко -сти и особенности с учётом применения теплопрово-дящих материалов. В числе созданных КН, различающиеся материалом корпусов, уплотнениями капиллярной структуры, объёмом гидроаккумулятора,
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
конструкцией внутреннего фитиля и различными исполнениями посадочных поверхностей, равномерно распределяющих тепло по поверхности капиллярного испарителя для дальнейшего его отвода. Отработана технология создания капиллярной структуры, выбраны оптимальные режимы температур для спекания и запрессовки капиллярной структуры в корпус капиллярного испарителя. Решён вопрос с уплотнением капиллярной структуры и созданием необходимого требуемого перепада давления. Подобран оптимальный объём гидроаккумулятора, способный в необходимой степени питать рабочей жидкостью капиллярную структуру капиллярного испарителя. Также решена одна из немаловажных задач по изготовлению и установке внутреннего фитиля, соединяющего компенсационную камеру с капиллярным испарителем. Изучено влияние величины радиуса пор капиллярной структуры на максимальную теплопередающую способность КН. Характеристики капиллярной структуры во многом обеспечивают работу КН. Самым главным параметром, который приходится учитывать, является радиус пор капиллярной структуры. Именно от него зависит величина капиллярного давления, обеспечивающего эффективную работу КН.
В результате создания и испытаний КН получены следующие характеристики: перепад давления 0,65 кгс/см2; способность отводить до 1 кВт тепловой нагрузки, масса КН до 1 кг.
В данный момент на базе полученных знаний ведутся работы по созданию новейших КН с активным проточным теплообменником. Параллельно с этим прорабатывается вопрос установки КН с проточным теплообменником, способным отводить до 1 кВт теп-
ловой нагрузки на раскрываемый радиатор для платформ КА тяжёлого класса.
В АО «ИСС» получен уникальный опыт по разработке, изготовлению и испытанию различных КН, производство оснащено необходимым оборудованием, организованы участки по изготовлению КН, подобран квалифицированный персонал.
КН открывают новые перспективные возможности использования этих устройств в СТР современных космических аппаратов.
Библиографические ссылки
1. Тепловая труба: теория и практика : справочник / С. В. Чи. Hill book Company, 1976.
2. Майданик Ю. Ф. Контурные тепловые трубы, прикладная теплотехника. 2005. Вып. 25. С. 635-657.
3. Сантос Н., Риль Р. Р. Квалификация контурных тепловых труб для космического применения // 14-я междунар. конф. по тепловым трубам. Флорианопо-лис, Бразилия, 2007, апреля 22-27.
References
1. Heat Pipe Theory and Practice a Sourcebook. S.W. Chi, McCraw-Hill book Company, 1976.
2. Maidanik Yu. F., Loop Heat Pipe, Applied Thermal Engineering, 2005, Vol. 25, pp. 635-657.
3. Santos, N., Riehl R. R., Qualification Procedures of Loop Heat Pipes for Space Applications, 14th, International Heat Pipe Conference, Florianopolis, Brazil, April 22-27, 2007.
© Алифанов А. И., Ермилов С. П., Синиченко М. И., Бородин Л. М., 2015
Внешний вид восьми КН и двух КТТ
