Меню

Тепловые трубы в космическом аппарате

Тепловая труба космического аппарата

Использование: в области теплотехники для термостатирования объектов на борту космических аппаратов. Сущность изобретения: тепловая труба выполнена с границей зоны конденсации, отстоящей от торца на расстоянии, не менее чем определяемом формулой где l — расстояние от торца тепловой трубы до начала границы зоны конденсации, n — количество продольных канавок; LTT — длина тепловой трубы; Smax — площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска; Smin — площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в меньшую сторону в пределах допуска; dn, min — минимальный диаметр парового канала. При таком выполнении тепловой трубы излишек жидкого теплоносителя, возникающий из-за технологических разбросов размеров продольных канавок, гарантировано находится вне зоны конденсации тепловой трубы. 2 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для термостатирования объектов на борту космических аппаратов (КА).

Известны тепловые трубы (ТТ), содержащие частично заполненный жидким теплоносителем герметичный корпус с капиллярно-пористой структурой в виде продольных канавок на внутренней поверхности корпуса, имеющие испарительную и конденсационные зоны (см. «Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов» под ред. Воронина Г.И.- М.: Машиностроение, 1976, с. 104 — 109).

Известные ТТ работают следующим образом. При подводе тепла к зоне испарения происходит испарение жидкости в канавках. Пар перемещается по внутреннему пространству трубы к зоне конденсации, где тепло отводится, и там конденсируется. Конденсат по канавкам возвращается к зоне испарения, обеспечивая непрерывность процесса передачи тепла.

Аналогичные ТТ приведены в книгах: 1. «Технологические основы тепловых труб». Ивановский М.Н., Сорокин В.П. и др. — Атомиздат, 1980, с. 25-26.

2. Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры — Энергия, 1979, с. 114-115.

Наиболее близким по технологической сути к предлагаемому изобретению (прототипом) являются ТТ описанные в книге Чи С. «Тепловые трубы: Теория и практика» перевод с англ. Сидорова В.Я. — М.: Машиностроение, 1981, с. 65.

К недостатку известных ТТ при использовании их на КА (т.е. при работе в условиях невесомости) следует отнести снижение эффективности (увеличение перепада температур между зонами испарения и конденсации), связанную с блокированием избыточным жидким теплоносителем части зоны конденсации. Это особенно характерно для ТТ, у которых общая длина значительно больше длины зоны конденсации.

Практически все ТТ, входящие в состав КА, перезаправлены, т.е. доза теплоносителя превышает необходимую для конкретных внутренних геометрических размеров профиля. Это связано с тем, что расчетная доза заправки теплоносителем определяется для профиля с максимальным отклонением размеров канавок в поперечном сечении от номинала. Такой подход к определению дозы заправки с одной стороны гарантировано не дает недозаправить ТТ, но с другой — приводит к тому, что практически все ТТ в той или иной степени перезаправляются. При работе в условиях силы тяжести незначительная перезаправка практически не сказывается на характеристиках ТТ, поскольку избыточная жидкость собирается в донной части и выводит из нормальной работы 2-3 канавки из 30-40. При работе в невесомости избыток теплоносителя собирается в конце зоны конденсации и образует жидкостную пробку, т.е. избыток жидкости блокирует зону конденсации и на последней возникает значительный градиент температур, аналогичный тому, который появляется в присутствии неконденсирующегося газа. В результате эффективная длина зоны конденсации уменьшается и тем самым ухудшаются характеристики ТТ (см. кн. Дан П.Д., Рей Д.А. «Тепловые трубы» пер. с англ.: — М.: Энергия, 1979 г., стр. 104).

Читайте также:  Площадь окрашивания трубы квадратной калькулятор

Цель изобретения заключается в повышении эффективности ТТ путем уменьшения перепада температур в зоне конденсации.

Указанная цель достигается тем, что граница зоны конденсации отстоит от торца на расстоянии, не менее чем определяемое формулой где l — расстояние от торца тепловой трубы до начала границы зоны конденсации; n — количество продольных канавок; LТТ — длина тепловой трубы; Smax — площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска; Smin — площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в меньшую сторону в пределах допуска;
dn,min — минимальный диаметр парового канала.

Это условие соответствует тому, что излишек жидкого теплоносителя, возникающий из-за технологических разбросов размеров продольных канавок, гарантировано находился вне зоны конденсации ТТ.

Из известных заявителю источников информации отличительные признаки заявленного объекта в подобных сочетаниях не обнаружены, а следовательно, не проявляет тех же свойств, что и в заявленном устройстве.

На фиг. 1 изображена ТТ; на фиг. 2 — поперечный разрез канавки (для примера прямоугольной).

ТТ содержит герметичный, частично заполненный жидким теплоносителем корпус 1, внутри которого располагается капиллярно-пористая структура в виде продольных канавок 2, зоны испарения 3, транспорта 4 и конденсации 5, которая расположена на расстоянии 6 от конца ТТ.

Предлагаемая ТТ работает следующим образом.

При подводе тепла к зоне испарения 3 происходят испарения жидкости в канавках. Пар перемещается по внутреннему пространству ТТ к зоне конденсации 5, где тепло отводится, и там конденсируется. Под давлением пара конденсат вытесняется за пределы зоны конденсации 5 в конец трубы 6, часть конденсата по канавкам 2 возвращается к зоне испарения 3, обеспечивая непрерывность процесса передачи тепла.

Однако канавки профиля, из которого изготавливают профили, имеют технологический разброс на размеры, достигающий до 0,2 мм в зависимости от способа изготовления канавок (ТУ1-809-21-88). Поэтому ТТ заполняют жидким теплоносителем с небольшим избытком относительно количества, необходимого для насыщения фитиля (см. Дан П.Д., Рей Д.А. «Тепловые трубы» перевод с англ. — М. : Энергия, 1979, с. 104), т.к. недолив теплоносителя приводит к уменьшению передаваемой мощности (см. «Тепловые трубы: теория и практика», перевод с англ. Сидорова В.Я.- М.: Машиностроение, 1981, с. 177).

Как было уже сказано, чтобы избежать недолива теплоносителя, необходимо заправлять в ТТ столько жидкости, чтобы заполнить канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска.

Площадь поперечного сечения канавки при максимальном отклонении размеров в пределах допуска составляет (фиг. 2)
Smax = Amax Hmax.

Площадь поперечного сечения канавки при минимальном отклонении размеров в пределах допуска составляет (фиг. 2)
Smin = Amin Hmin
Разница этих проходных сечений определяет максимальный избыток жидкого теплоносителя, который собирается при работе ТТ в зоне конденсации. Объем этого избыточного теплоносителя (V) по всей длине ТТ (LТТ) с учетом количества (N) канавок составляет
4V = (Smax-Smin) N LТТ.

Читайте также:  Конструкции для дымоходных труб

Этот объем избыточного теплоносителя в цилиндрической ТТ может создать (при минимальном диаметре парового канала dn,min) жидкостную пробку, которая блокирует часть зоны конденсации длиной

или

Из приведенных рассуждений следует, что концевая часть ТТ в любом случае (кроме того, когда ТТ изготовлена из профиля с максимальными допусками на канавку) при работе в невесомости будет частично заблокирована жидким теплоносителем и выведена из процесса теплоотдачи.

Смещение зоны конденсации от конца ТТ на расстояние, определенное по предлагаемой формуле, гарантировано позволяет избежать блокирования зоны конденсации избытком жидкого теплоносителя при работе ТТ в невесомости, который возникает за счет технологических разбросов размеров канавок.

В обратимых ТТ (т.е. когда зона испарения и конденсации в процессе работы могут меняться местами) зона испарения по той же логике должна быть отодвинута от края на расстояние, определяемое по той же предлагаемой формуле.

В качестве примера приведена ТТ, изготовленная из профиля со следующими геометрическими размерами:
длина ТТ LТТ = 2,5 м;
длина зоны испарения Lи = 0,3 м;
длина зоны конденсации Lк = 0,3 м;
ширина канавки A = 0,6 0,05 мм;
глубина канавки H = 1,0 0,05 мм;
минимальный диаметр парового канала dn,min = 10 0,05 мм;
количество продольных канавок n = 36.

Smax = Amax Hmax = 0,65 1,05 = 0,6825 мм 2 ;
Smin = Amin Hmin = 0,55 0,95 = 0,5225 мм 2 ;

Анализ расчетов показывает, что если зону конденсации не сдвинуть на 185 мм, то при неблагоприятном стечении допусков 60% длины зоны конденсации будет заблокировано теплоносителем. При больших допусках на размеры канавок и внутреннего размера ТТ возможна полная блокировка зоны конденсации жидким теплоносителем и выход ТТ из строя.

Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения сохраняются все преимущества ТТ с продольными канавками на внутренней поверхности при значительном улучшении ее эффективности за счет удаления избытка жидкости из зоны конденсации.

Тепловая труба космического аппарата с зонами испарения и конденсации на концах, содержащая частично заполненный теплоносителем герметичный корпус с капиллярно-пористой структурой в виде продольных канавок на внутренней поверхности, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, граница зоны конденсации отстоит от торца на расстоянии, не менее чем определяемом формулой

где l — расстояние от торца тепловой трубы до начала границы зоны конденсации;
n — количество продольных канавок;
Lтт — длина тепловой трубы;
Smax — площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска;
Smin — площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в меньшую сторону в пределах допуска;
dn,min — минимальный диаметр парового канала.

Источник

Средства обеспечения теплового режима

В октябре 1990 года в НПО им. С.А. Лавочкина было создано научно-производственное подразделение тепловых труб. За эти годы в нем накоплен большой опыт разработки, изготовления и испыта¬ний систем терморегулирования на базе тепловых труб и сотопанелей на их основе для обеспечения теплового режима работы космического аппарата.

Артериальные тепловые трубы

В подразделении тепловых труб были разработаны уникальные тепловые трубы с пристеночной сегментной артерией. Артериальная конструкция капиллярной структуры позволяет увеличить мощность тепловых труб без увеличения их массовых характеристик, повысить их ресурс, радиационную стойкость и надежность. На основе артериальной конструкции капиллярной структуры созданы гибкие, диодные, газорегулируемые и криогенные тепловые трубы различных форм и конфигураций. Благодаря использованию нержавеющей стали возможно применение практически любых теплоносителей. Срок службы до 25 лет с момента заправки.

Читайте также:  Чистка выхлопных труб мотоцикла

При эффективной длине 1,0 м, внешний 12 мм и высота артерии 2,5 мм максимально передаваемая мощность для разных теплоносителей АрТТ представлено на рисунке №3.

Контурные тепловые трубы

Наиболее важной сферой деятельности подразделения тепловых труб является производство и испытание контурных тепловых труб (КТТ).

Первый успешный летный эксперимент с КТТ был осуществлен на борту КА «Гранат» 1 декабря 1989 г. Устойчивая работа КТТ в течение более 10 лет доказала возможность применения, этих устройств, в служебных системах терморегулирования.

КТТ могут передавать большие тепловые потоки до 10 кВт в произвольном направлении в поле массовых сил на большие расстояния и обеспечивают возможности их регулирования. КТТ имеют мелкодисперсную капиллярную структуру в испарителе, работающем в режиме «перевернутого мениска». Каналы для жидкости и пара разделены и минимальный внешний диаметр которых составляет 2 мм. Для изготовления корпуса КТТ используются алюминий, никель, титан, нержавеющая сталь. Срок службы не менее 25 лет.

С появлением контурных тепловых труб (КТТ) начался новый этап освоения систем терморегулирования. Применение КТТ позволило перейти к построению компоновки КА по модульному принципу.

Сегодня КТТ применяются практически во всех КА, создаваемых в НПО, а также в конструкциях других предприятий отрасли. Более 500 КТТ запущено в составе Российских и зарубежных КА.

Аксиальные тепловые трубы

В подразделении тепловых труб создано семейство аксиальных тепловых труб (АТТ) из алюминиевого сплава АД31 (6063) с теплоносителями аммиак, пропилен, этан, метан, азот и диаметром от 6 до 20 мм. АТТ по своим теплофизическим характеристикам, надежности и ресурсу не уступают лучшим мировым образцам и прошли квалификационные испытания на соответствие Российским и Европейским стандартам ESA PSS-049. Технический ресурс: до 25 лет с момента заправки.

Зависимость теплопередающей способности АТТ от рабочей температуры без учета ограничения по кипению при условии подвода тепла сверху и отвода снизу.

Сотопанели

Подразделение тепловых труб разработало тепловые сотопанели (ТСП), которые используются в качестве конструктивных элементов космического аппарата, элеменнтов СОТР, в том числе радиаторов. Конструктивно сотовая панель представляет собой клееную многслойную конструкцию.
Тепловые сотопанели (ТСП) изготавливаются по унифицированным техническим условиям:

  • Габаритные размеры до 3000*2800*40 мм.
  • Толщина Обшивки от 0,3 мм до 1,0 мм, сплав В95.
  • Количество ТТ и закладных элементов до десятков тысяч штук.
  • На внешние обшивки ТСП могут наносится термооптические покрытия: Эмаль «Эком-1 белая» и ТРП К208СрЭ.
  • Удельный вес ТСП от 4 кг/м 2 .

Благодаря применению новых конструктивно-технологических решений ТСП, созданные центром тепловых труб, производимые сотопанели превосходят отечественные аналоги как по техническим параметрам, так и по экономическим показателям. Крайне важным моментом является цикловое время создания ТСП с момента появления чертежа.

Для наших изделий цикл создания новой сотопанели менее 1 месяца с момента появления конструкторской документации.

Источник

Adblock
detector