Введение к работе
Актуальность темы. Перспективные направления развития космической техники предусматривают широкое использование низких температур для улучшения характеристик и расширения, функциональных возможностей систем, агрегатов и приборов космических аппаратов (КА) оптико-электронных устройств, бортовых сверхпроводящих систем, систем криостатирования компонентов топлива, а также для обеспечения длительного хранения продуктов и биоматерпзлов на Р'ірту КА. кондиционирования воздуха в жилых отсеках КА и т.д.
Большинство из указанных задач могут быть решены лишь при использовании активных низкотемпературных систем (НС), для работы которых необходим подвод электроэнергии и сброс тепла в окружающее пространство.
Указанные НС, таким образом, оказываются функционально связанными не только с объектами охлаждения, но и с система:;:! энергопитания (СЭЩ и терморегулирования' (СТР) КА.
При жестких ограничениях по массе и энергопотреблении систем К.\ актуальной становится задача построения V.0 новых типов и развития их внешних связей, позволяющих одновременно обеспечить как высокие надежность и ресурс так и улучшенные массо-энергетичес-кие характеристики СЭП и СТР КА.
Наибольшие возможности для выполнения поставленной задачи открываются при использовг п;и на борту КА холодильній и криогенных устройств, реализующих дроссельные паро-жидкостные циклы.
Применение в качестве рабочих тел дроссельных НС смесей хладе- и криоагентов позволяет наиболее эффективно реализовать принципы интегрального (системного) подхода при их разработке.
Впервые основы такого подхода применительно к проектированию бортовых криогенных НС были изложены в работах А.А.Никонова (НПО "Энергия"). Дальнейшее развитие этот подход получил в работах МЭИ. МАИ. НИИ "Шторм" (г. Одесса).
Высокая эффективность применения смесей для получения холода не нова и была доказана многими исследованиями как в нашей стране, так и за рубежом, применительно как к холодильной, так и к криогенной технике.
В бортовых дроссельных НС КА применение МРТ позволяет не только повышать эффективность генераторов холода.но 'и открывает новые возможности для ра-внтня внешних связей НС ка" с объектами
охлаі:.".-лі::я. так и с другими системами КА. В частности - появляется возможность объединения в одной установке функций как НС, так и теплового насоса (ТН) для повышения эффективности радиационных теплообменников (РТО) СТР КА.
Цель настоящей работы - исследование возможности улучшения массо-энергетических характеристик СТР КА путем использования смеси хладоагентов в качестве рабочего тела входящей в состав СТР дроссельной НС.
Задачи исследования сформулированы следующим образом:
-
Проведение теоретического анализа термодинамической эффективности паро-жидкостного цикла дроссельной НС. работающей на однокомпонентних хлад < гентах и МРТ. на основе системного подхода, учитывающего взаимосвязь основных элементов НС.
-
Выбор (синтез) эффективного многокомпонентного рабочего тела для НС КА - блока кондиционирования воздуха ОКС.
-
Проведение экспериментальных исследований характеристик блока кондиционирования воздуха БКВ-3. предназначенного для эксплуатации в составе ОКС "Мир", при работе его на МРТ и подтверждение достоверности результатов теоретического анализа.
4.Разработка методики расчета массо-энергетических характеристик СТР КА, включающей дроссельную НС, и проведение теоретического анализа СТР. направленного на совершенствование ее характеристик.
В процессе решения сформулированных задач исследования получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
-
На основе проведенного системного анализа термодинамической эффективности дроссельной НС, с использованием универсального пакета прикладных программ для расчета термодинамических и тепло-физических свойств хладоагентов. обоснован выбор бинарной смеси R-218/R-C318 в качестве рабочего тела дроссельной НС обитаемого КА.
-
Впервые экспериментально исследованы и получены рабочие характеристики блока кондиционирования воздуха БКВ-3 при работе его на смеси R-218/R-C318.
-
Выявлены взаимосвязи параметров охлаждающего теплоносителя в характерных точках -гидравличєског і контура СТР. а также свойств рабочего тела и параметров в ха .актеоных точках цикла НС. позволяющие оптимизировать схему СТР на гснсіє выбранной целевой 2
функции - суммарной массы комплекса функционально-взаимосвязанных систем КА.
Автор защищает положения, определяющие научную новизну работы.
Практическая ценость работы:
1. Разработанные расчетные методики и полученные эксперимен
тальные данные могут быть непосредственно использованы в дальней
ших исследованиях НС КА. при создании новых низкотемпературных
установок, холодильных машин, предназначенных для работы -как в
составе КА. так и в народном хозяйстве.
2. Предложено новое рабочее тело для КС КА - смесь
R--218/RC318. Указанное рабочее тело может быть использовано также
в холодильных машинах, работающих в замкнутых герметичных объемах
(в герметичных отсеках транспортных средств - подводных лодок,
наземных аварийно-спасательных машин: в медицинских барокамерах и
т. п.). к которым предъявляются повышенные требования по обеспе
чению Физиологической, экологической (озонобезопаснссть) и пожар
ной безопасности.
-
Показаны возможности повышения эффективности ПС только за счет замены хладоагента. бет конструктивных изменений системы, в том числе - при использовании в НС традиционного теплообменника-испарителя с перекрестно-точной схемой движения потоков.
-
Предложена модернизированная схема СТР КА с активной НС на смеси х.-^-цоагентов.
Диссертационная работа выполнена в Ракетно-космической корпорации "Энерыя" в рамках тем "Геркулес". "Платан". "Мир", "Альфа".
Результата диссертационной работы внедрены в АО "Сибкриотех-ника" (г. Омск) при наземно-экспериментальной отработке и анализе телеметрической информации в процессе штатной эксплуатации БКВ-3. при разработке бортового осушителя воздуха БОВ-1 для ОКС "Альфа", а также при разработке систем терморегулирования и кондиционирования воздуха для наземных транспортных средств. Кроме того, материалы диссертации использованы в РКК "Энергия" при разработка бортовых низкотемпературных систем и СТР перспективных КА.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XII отраслевой научно-технической конференции молодых специалистов и ученых Минобщемаша в НПО "Знерґия" (Москва, 1990г.); на отраслевой научно-технической
'конференции Минобщемаша "Тепловые режимы космических аппаратов" в ЦНИИМАіі; (Москва, 1990 г.); на межвузовском научно-техническом семинаре "Процессы тепломассообмена в машиностроении" в Воронежском
политехническом институте (Воронеж. 1991 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Холод - народному хозяйству" (Ленинград. 1991 г.); на научно-технических семинарах в МГТУ им. Баумана в 1994-1995 т.г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликизано пять работ, в том числе два патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения. четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Объем работы - 171 страница машинописного текста, из них основного текста - 109 страниц. 52 рисунка. 12 таблиц. Библиография содержит 109 наименований.