5 Сокращения
БА- бортовая аппаратура,
ГС О- геостационарная орбита,
КА- космический аппарат,
МЛН- модуль полезной нагрузки,
ПЭН- пленочный электронагреватель,
РКТ- радиационно-кондуктивный теплообмен,
ТВИ- тепловакуумные испытания,
ТММРСП- тепловая математическая модель в распределено-
сосредоточенных параметрах,
ТММСП- тепловая математическая модель в сосредоточенных параметрах,
ТТ- тепловая труба,
УКИ- угловой коэффициент излучения,
ЭВТИ- экранно-вакуумная теплоизоляция,
ЭМ- экспериментальный модуль,
ЭП- элементарная площадка,
ЭЯ- элементарная ячейка.
6 Введение
Одним из непременных условий надежного функционирования космического аппарата (КА) и его систем, а следовательно, и оправдания значительных затрат на его создание является обеспечение необходимого теплового режима всех его элементов. КА, находящийся вне пределов атмосферы планеты, представляет собой автономный объект, распределение температур в котором определяется полем внешних тепловых потоков, свойствами поверхности аппарата, ориентацией его в космическом пространстве, энергопотреблением тепловыделяющей бортовой аппаратуры (БА), кондуктивно-радиационными тепловыми связями в КА и др. факторами. Вместе с тем элементы и приборы БА работоспособны в определенном диапазоне температур и поэтому современные КА снабжены специальной системой терморегулирования (СТР).
СТР можно разделить на активную и пассивную. Под активной понимается комплекс средств, обеспечивающих регулирование теплообмена и передачу тепла с помощью теплообменных устройств и специальных агрегатов. Такой комплекс средств может быть построен на основе какого-либо промежуточного теплоносителя (жидкости или газа), температура которого регулируется и с помощью которого производится перераспределение тепла между теплообменными устройствами различного типа. К пассивной системе относятся теплоизоляционные материалы, покрытия и нерегулируемые низкотемпературные тепловые трубы (ТТ) [1-7].
В соответствии с [8], ТТ определяется как испарительно-конденсационное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для передачи теплоты и работающее по замкнутому циклу.
К основным преимуществам ТТ по сравнению с традиционными элементами теплопередающих систем относятся: простота конструкции; отсутствие подвижных деталей и бесшумность работы; малые массогабаритные характеристики; отсутствие затрат энергии на перемещение
теплоносителя; надежность работы, в т. ч. в невесомости; высокая эквивалентная теплопроводность ТТ, которая на несколько порядков выше теплопроводности лучших теплопроводных материалов (алмаза, меди, серебра). В этой связи ТТ еще часто называют сверхпроводниками тепла.
Отмеченные преимущества обуславливают их широкое применение в качестве СТР космических аппаратов [9, 10], охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры [11, 12], в атомной энергетике и др. областях.
ТТ классифицируются по температурному диапазону работы на криогенные (ниже 200 К), низкотемпературные (200...500 К), средние (550...750 К) и высокотемпературные (свыше 750 К); по степени изменения термического сопротивления на регулируемые и нерегулируемые; по конфигурации профиля (ТТ цилиндрические, прямоугольного поперечного сечения, прямые и изогнутые) и по способу перемещения теплоносителя [13-17].
К основным конструктивным элементам ТТ в общем случае относятся корпус (медь, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы и др.) и капиллярная структура (фитиль). Капиллярные структуры бывают вставными, конструкционные и комбинированные [11, 14].
В качестве теплоносителей криогенных ТТ обычно применяют азот, кислород, метан; в низкотемпературных вода, спирты, ацетон, аммиак, фреоны; в высокотемпературных-щелочные металлы.
Тепловые модели, в зависимости от точности и полноты описываемых явлений, а также в зависимости от области применения можно отнести к следующим трем уровням [4].
Тепловые модели первого уровня:
Тепловое состояние каждого элемента рассматриваемой системы описывается обычным уравнением теплового баланса, а тепловые связи (коэффициенты теплообмена) однозначно определяют характер и интенсивность теплообмена каждого элемента как с окружающей средой, так
8
и с остальными элементами. Тепловые модели первого уровня - это системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка с соответствующими начальными условиями.
Основная сложность при построении тепловых моделей первого уровня заключается в правильности выбора важнейших элементов конструкции КА или его зоны и в правильности вычисления функций правых частей. Учет большого числа элементов резко увеличивают размерность задачи и усложняют решение.
Практически во всех реализациях тепловых моделей данного уровня общим является ярко выраженный проектный характер, что позволяет их использовать в качестве одного из основных элементов математической модели расчета проектных параметров рассматриваемой системы.
Тепловые модели второго уровня:
В тепловых моделях второго уровня нестационарные температурные поля в сосредоточенных элементах описываются уравнениями нестационарного теплового баланса, а распределенных элементов - в общем случае многомерными уравнениями нестационарной теплопроводности.
При разработке математических моделей данного уровня основной задачей является построение численных алгоритмов решения систем многомерных нестационарных уравнений теплопроводности для распределенных элементов конструкции КА и систем уравнений теплового баланса для соответствующих сосредоточенных элементов. Решение этих систем должно дополняться решением задач моделирования внешнего теплового нагружения, различных внутренних источников моделирования теплового режима теплоносителей и т.д.
Таким образом, модели второго уровня можно рассматривать как модели, предназначенные для достаточно полного моделирования теплового режима систем, т.е. эти модели могут быть с успехом использованы при проектировании различных конструкций с учетом достаточно тонких процессов, а также для проведения проверочных теоретических
9
исследований в конструкциях в тех случаях, когда точность применяемых моделей оказывается приемлемой.
Модели третьего уровня:
Отличаются от моделей второго уровня тем, что используемые в них тепловые модели теплофизических процессов должны отражать их физическую сущность как можно полнее. В этой связи все элементы будут распределенными.
В настоящее время модели третьего уровня применяются для математического моделирования тонких теплофизических процессов в системах с целью проведения проверочных исследований, уточняющих физику исследуемых явлений. Также модели этого уровня используются для целенаправленного исследования различных теплофизических процессов с целью получения количественных характеристик процессов, а также получения корреляционных зависимостей, обобщающих основные параметры процессов [4].
В связи с тем, что экспериментальная отработка требует уникальной экспериментальной базы и связана со значительными материальными затратами, возникает необходимость разработки и создания математических моделей, которые позволили бы с достаточной для инженерной практики точностью при минимальных трудозатратах провести всю серию необходимых расчетов и получить достаточно полное представление о тепловом режиме КА.
Основу традиционных конструктивно-компоновочных схем российских КА, предназначенных для эксплуатации на геостационарных орбитах со сроком активного существования до 7 лет, составлял тяжелый герметичный контейнер и активная циркуляционная СТР с конструктивно обособленными не всегда надежно раскрывающимися, излучающими радиаторами для отвода избыточного тепла от БА в космическое пространство. Возможности таких конструктивно-компоновочных схем КА в настоящее время практически исчерпаны. На современном научно-техническом и технологическом этапе развития явные
10
преимущества имеют конструктивно-компоновочные схемы КА негерметичного исполнения. В качестве СТР применяются эффективные по массе и характеризующиеся отсутствием подвижных элементов нерегулируемые низкотемпературные ТТ, что позволяет обеспечить в меньших массах, габаритах и энергопотреблении значительно большие сроки активного существования КА на геостационарной и других типах орбит (до 15 лет).
Целью данной работы являлось создание физико-математических моделей и осуществление компьютерного моделирования радиационно-кондуктивного теплообмена (РКТ) элементов нетрадиционной сотовой конструкции негерметичного приборного отсека КА с СТР на базе ТТ в условиях тепловакуумных испытаний (ТВИ) и орбитальной эксплуатации на геостационарной орбите (ГСО) [18].
Научная новизна работы заключается в:
1. Разработке динамических тепловых математических моделей в сосредоточенных параметрах (ТММСП) (моделей первого уровня) и в распределенно-сосредоточенных параметрах (ТММРСП) (моделей второго уровня) радиационно-кондуктивного теплообмена элементов нетрадиционной блочно-модульной сотовой конструкции негерметичного приборного отсека КА с СТР на базе ТТ в условиях тепловакуумных испытаний и орбитальной эксплуатации на геостационарной орбите.
2. Выявлении закономерностей и определяющих параметров процессов и явлений радиационно-кондуктивного теплообмена.
3. Нахождении параметров функционирования СТР на базе ТТ в составе элементов сотовой конструкции негерметичного приборного отсека КА.
4. Результатах сравнительного анализа ТММСП и ТММРСП, а также рекомендациях по их применению.
Практическая значимость работы определяется в прогнозировании нестационарного теплового состояния элементов нетрадиционной блочно-модульной сотовой конструкции, параметров функционирования СТР на базе
11
ТТ и тепловых режимов приборов БА (в приближении посадочного места) негерметичного приборного отсека КА в условиях ТВИ и орбитальной эксплуатации на ГСО. Выдаче практических рекомендаций по теплофизическим параметрам трехслойных сотовых панелей, достаточности радиационных поверхностей, рациональной компоновке приборов БА, линиям прокладки ТТ и величинам компенсирующего электрообогрева.
Достоверность полученных результатов подтверждается
корректностью физико-математических постановок, сравнением с результатами расчетов по упрощенным постановкам и экспериментальными данными.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели в сосредоточенных и распределенных параметрах кондуктивного теплопереноса в трехслойных сотовых панелях, а также математические модели в сосредоточенных параметрах теплопереноса в СТР на базе ТТ в условиях тепловакуумных испытаний и орбитальной эксплуатации на геостационарной орбите.
2. Расчет параметров функционирования СТР на базе ТТ в составе сотовых панелей.
3. Методика и результаты численных исследований теплообмена элементов сотовой конструкции негерметичного приборного отсека КА с СТР на базе ТТ.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-V Всероссийской научно-технической конференции молодежи "Механика летальных аппаратов и современные материалы", Томск, 1998 г.
-Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2000", Пермь, апрель 2000 г.
-IV Минском международном форуме по теплообмену, Минск, май 2000 г.
12
-VI Всероссийской научно-технической конференции молодежи "Механика летальных аппаратов и современные материалы", Томск, май 2000 г.
-III Международной научно-технической конференции "Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика", Рязань, июнь 2000 г.
-Всероссийской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной математики", Томск, июнь 2000 г.
-VII Всероссийской научно-технической конференции молодежи "Механика летальных аппаратов и современные материалы", Томск, октябрь 2000 г.
-IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "Решетневские чтения", Красноярск, ноябрь 2000 г.
-Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2001", Пермь, апрель 2001 г.
-VIII Всероссийской научно-технической конференции молодежи "Механика летальных аппаратов и современные материалы", Томск, сентябрь 2001 г.
-V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "Решетневские чтения", Красноярск, декабрь 2001 г.
-Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2002", Пермь, апрель 2002 г.
-XII Международной конференции по тепловым трубам, Москва-Кострома-Москва, май 2002 г.
-IV Международной молодежной научно-практической конференции "Человек и космос", Украина, Днепропетровск, июнь 2002 г.
-II Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Современные проблемы аэрокосмической науки и техники", Жуковский, октябрь 2002 г.
13 -III Российской научной конференции по теплообмену, Москва,
октябрь 2002 г.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [42-44, 73-93].
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
14 1. Обзор исследований теплообмена сотовых космических
конструкций и СТР на базе ТТ
1.1 Нетрадиционная блочно-модульная сотовая конструкция негерметичного приборного отсека КА с СТР на базе ТТ
Основу традиционных конструктивно-компоновочных схем российских КА, предназначенных для эксплуатации на ГСО со сроком активного существования до 7 лет, составлял тяжелый герметичный контейнер с расположенными там тепловыделяющими приборами БА и активная двухконтурная газожидкостная СТР с конструктивно обособленными не всегда надежно раскрывающимися, излучающими радиаторами для отвода избыточного тепла от БА в космическое пространство. При этом суммарная масса активной СТР достигала до 30% от общей массы КА. Возможности КА герметичного исполнения с активными циркуляционными СТР и специальными излучающими радиаторами в настоящее время практически исчерпаны.
В настоящее время в России разрабатываются комбинированные с перспективными конструктивно-компоновочные схемы КА для эксплуатации на ГСО со сроком активного существования до 10 лет, в которых используется негерметичный приборный отсек в форме "коробки" блочно-модульного исполнения из трехслойных сотовых панелей и активная циркуляционная СТР на базе жидкостного контура [19]. Такие конструкторские решения в полной мере не обеспечивают конкурентоспособный уровень эксплутационно-технических параметров, отвечающих лучшим зарубежным аналогам [20]. Массовое совершенство негерметичной конструкции КА может быть достигнуто только с применением СТР на базе ТТ.
На современном научно-техническом и технологическом этапе развития явные преимущества имеют конструктивно-компоновочные схемы
15
КА негерметичного исполнения, в которых реализуется принцип непосредственного размещения тепловыделяющих приборов БА на трехслойных сотовых панелях-радиаторах в блочно-модульной конструкции приборного отсека в форме параллелепипеда или другой, объединяющей силовую, тепловую и защитную от факторов космического пространства функции. В качестве СТР предполагается применять эффективные по массе и характеризующиеся отсутствием подвижных элементов ТТ, что позволит без использования традиционных для отечественных КА связи активных циркуляционных СТР обеспечить в меньших массах, габаритах и энергопотреблении значительно большие сроки активного существования КА на геостационарной и других типах орбит (до 15 лет).
Реализация таких нетрадиционных конструкторских решений даст возможность создать новое поколение перспективных долгоресурсных КА с массой полезной нагрузки от 26 до 38 % при отделяемой массе КА 2400...2600 кг.
Основу конструктивно-компоновочных схем КА в России, Франции и др. странах ЕС составляет силовой цилиндр. В США негерметичный приборный отсек выполнен в форме параллелепипеда ("коробки") с системой терморегулирования на базе ТТ (спутники INTELSAT 5-7 и др.) [20]. Это позволило выделять для полезной нагрузки 32-38 % от общих массовых затрат на КА. В отечественной практике подобная эффективная по массогабаритным и энергетическим параметрам блочно-модульная конструкция КА с негерметичным приборным отсеком в форме "коробки" из трехслойных сотовых панелей с высокомощной многоцелевой полезной нагрузкой запатентована ФГУП НПО ПМ им. акад. М.Ф. Решетнева [21]. Она позволяет из типовых конструктивных блоков (без изменения их конфигурации) создавать оптимальные конструкции требуемых габаритов с энерговооруженностью до 15 кВт в пределах возможностей существующих средств выведения на ГСО до 2600 кг и высокоэллиптическую до 5000 кг [18].
16
Особенность данной конструкции заключается в использовании вместо двух панелей-радиаторов "юг" и "север"- четырех граней параллелепипеда с
дополнительно введенными "западной" и "восточной" сторонами в качестве радиационных поверхностей, что позволяет выполнять приборный отсек при необходимости квадратного сечения и в результате получать компактный (невытянутый вдоль продольной оси) приборный отсек, оптимально вписываемый в зону полезного груза средств выведения. Увеличение количества радиационных поверхностей также предоставляет дополнительную возможность по размещению теплонагруженной БА во внутреннем объеме приборного отсека, позволяет компоновать большее количество теплонагруженных приборов и оптимально использовать весь объем, предоставляемый под цилиндрическим обтекателем ракетоносителей. Блочно-модульная конструктивно-компоновочная схема
негерметичного приборного отсека с СТР на базе ТТ [21], состоит в сборке из МЛН и модуля служебных систем (платформы). МЛН состоит из блока МПН, представляющего собой П-образную конструкцию, соединенных в тепловом отношении с помощью ТТ панелей "север" (приборно-радиаторная), "центральная" (обращенная к Земле приборная панель) и "юг" (приборно-радиаторная), двух съемных крышек "восток" и "запад", а также общей с модулем служебных систем панели двигательного блока. Модуль служебных систем состоит из панели двигательного блока, Н-образного информационно-логического блока с панелями-радиаторами "восток" и "запад", на которые выводятся ТТ от панели приборная информационно-логического блока, а также энергодвигательного блока, имеющего вид U-образной конструкции, соединенных в тепловом отношении с помощью ТТ панелей: "север" (приборно-радиаторная), "центральная" (простая панель без приборов) и "юг" (приборно-радиаторная). Общий вид и конструктивно-компоновочные схемы блоков и модулей КА негерметичного исполнения со схемами расположения приборов БА и прокладки низкотемпературных ТТ представлены на рисунках 1.1-1.11, а тепловые характеристики приборов Б А
17
Рисунок 1.1-Общий вид космического аппарата |
