Содержание к диссертации
Глава 1. Аналитический обзор тенденций развития СТР КА. 11
Современные разработки ДФК для СТР КА. 15
Анализ совремеішогр„состояния разработок по двухфазным системам терморегулирования космических аппаратов и целевой аппаратуры. 18
Состав двухфазного контура терморегулирования. 25
1 А Проект ДФК в качестве IICTO PC МКС. 35
1.5. Структурные схемы построения пассивных СТР КА с использованием ТТ. 37
Глава 2. Аммиак как теплоноситель в ДФ СТР КА. 39
Обоснование выбора аммиака в качестве теплоносителя ДФ СТР КА. 39
Аммиак как, теплоноситель. ...41
Технические требования к аммиаку особой чистоты. 43
Влияние микропримесей в аммиаке на работу ДФК. , 44
Методы контроля чистоты аммиака. 51
Применение ИК - спектрометра высокого разрешения к анализу аммиака на содержание примеси воды. 54
Очистка аммиака от микропримесей. 60
Подготовка поверхностей к заправке аммиаком особой чистоты. 65
2.9. Устройство для заправки ДФК аммиаком особой чистоты. 67
Глава 3. Исследования пассивных СТР КА и ТТдля СТР КА. 73
Область применения ТТ в СТР К А. 73
Технология изготовления аммиачных ТТ. 74
Тепловые испытания ТТ. 78
Расчетные и экспериментальные исследования силовой сотовой панели с ТТ. ..85
Экспериментальные исследования тепловой трубы с тепловым гидроаккумулятором. 100
Глава 4. Экспериментальная отработка ДФ СТР К А. 109
Цели экспериментальных исследований ДФК на установке ЛЭУ-IM. 109
Схема летной экспериментальной установки ЛЭУ-1.М. 110
Система управления и измерений 112
Результаты наземных экспериментов. 114
Полученные результаты наземных исследований и их анализ. 115
Результаты летных исследований и их анализ. 126
Сравнительный анализ результатов летных и наземных экспериментов. 145
Выводы. 147
Список использованных источников 149
Список сокращений и основных условных обозначений.
КА - космический аппарат,
СОТР - система обеспечения теплового режима,
ТТ - тепловая труба,
?С МКС - российский сегмент международной космической станции,
ДФК -двухфазный контур,
ЦСТО — Централизованная система теплоотвода,
РГО - радиационный теплообменник,
ТГА - гидроаккумулятор с тепловым регулированием,
ССП - силовая сотовая панель с тепловыми трубами,
ЛЭУ - летная экспериментальная установка,
ИК - инфракрасный,
НКГ - неконденсирующиеся газы,
ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли,
ОКС - орбитальная космическая станция,
ОФ - однофазный,
ДФ - двухфазный,
СТР - система терморегулирования,
ДФККН - двухфазный контур с капиллярным насосом,
КН - капиллярный насос,
осч — особая чистота,
СОЖ - смазывающе — охлаждающая жидкость,
ИФС — инфракрасный Фурье — спектрометр,
ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция,
ТИБ - тепловой имитатор блока оборудования,
ЭН - электронагреватель,
ТО — теплообменник,
ЭМК - электромагнитный клапан,
ТП - термоплата,
Re - число Рейнольдса,
Nu - число Нуссельта,
Рг — число Прандтля,
Ja - число Якоба,
ЭНА - электронасосный агрегат,
Q - тепловой поток,
G - массовый расход, г/с,
с — теплоемкость, относительная концентрация,
Т - температура,
г - скрытая теплота парообразования, радиус,
х — координата, массовое паросодержание,
N — электрическая мощность,
L - длина,
К - удельньгіі коэффициент теплопереноса, коэффициент теплоотдачи, коэффициент
поглощения, проницаемость пористого фитиля,
М - масса,
Г| — коэффициент полезного действия,
Э - безразмерная температура, угол,
X - коэффициент теплопроводности, Вт/Км,
ц. - динамическая вязкость,
р - плотность,
а — коэффициент теплообмена, летучести,
р - коэффициент теплового расширения,
6 - толщина пластины,
)-угол,
v - волновое число,
т - оптическая плотность, время,
а - коэффициент поверхностного натяжения,
р - давление,
J - интенсивность излучения,
у — полуширина линии поглощения,
A, F - площадь,
к - постоянная Больцмана,
q - плотность теплового потока,
R - универсальная газовая постоянная, термическое сопротивление,
а — скорость звука, коэффициент температуропроводности,
А, В, С - коэффициенты,
V - объем.
Введение к работе
Анализ проектов перспективных КА показывает превалирующее влияние двух направлений: повышением мощности бортовой радиоэлектронной аппаратуры, увеличением габаритов и длительности функционирования космических аппаратов (КА), и все более широким применением малых спутников для решения различных задач. Важное место в ряду служебных систем КА занимает система обеспечения теплового режима (СОТР), совершенствование которых позволяет повысить массовую и энергетическую эффективность КА. В связи с этим становятся актуальными вопросы снижения массовых и энергетических характеристик служебных систем КА, обеспечивающих выполнение программ полетов, обеспечение высокого ресурса (до 15...20лет) и надежности СОТР. Соответственно с тенденциями развития КА в области СОТР намечено два пути совершенствования: для КА с высоким энерговооружением (более 5 кВт) предлагается использовать двухфазные (испарительно-конденсационные замкнутые контуры), для малых КА целесообразно широкое применение пассивных СОТР на базе тепловых труб (ТТ).
В конце 1970-х и начале 80-х г. в РКК «Энергия» и ряде фирм в США начались работы над принципиально новой СОТР, использующей двухфазный контур теплопе-реноса в подсистеме терморегулирования. Интенсивность этих исследований и объемы их финансирования в России существенно возросли при проведении проектных и экспериментальных работ по созданию PC МКС (с начала 1990-х г.г.). Хотя основные принципы построения ДФК были к этому времени уже сформулированы, в этот период было развернуто широкое взаимодействие ряда научных и производственных организаций по выбору оптимальных конструкций агрегатов, их изготовлению, созданию экспериментальных контуров ДФК на лабораторных стендах, разработке методик наземной отработки как отдельных агрегатов, так и ДФК в целом.
В РКК «Энергия» были разработаны чертежи и изготовлены основные агрегаты ДФК (в том числе и для лабораторно-экспериментальных установок). В Центре Келдыша разработан и создан мощный аммиачный стенд, который предназначен для отработки ДФК и содержит основные агрегаты контура: гидроаккумулятор с тепловым регулированием, теплообменники-конденсаторы, теплообменники-испарители, электромеханический насос, клапанно-запорную арматуру, электронагреватели, измерительную систему. На стенде сделан акцент на использовании натурного теплоносителя - аммиака особой чистоты. Этот стенд позволил отработать не только тепловые, но и химико-технологические вопросы применения аммиака особой чистоты. Были заложены основы летного эксперимента по исследованию ДФК, который был выполнен в июле-сентябре 1999 г. При проведении летного эксперимента в Центре Келдыша в режиме сопровождения проводились эксперименты, аналогичные летным. Проведение таких экспериментов позволило провести сравнительный анализ параметров работы ДФК в наземных и натурных условиях.
Программно-математическое обеспечение для расчета характеристик ЦСТО с центральным радиационным теплообменником в натурных условиях полета станции разрабатывалось в ЦНИИМаш, математические модели для расчета теплогидравличе-ских процессов в ДФК были созданы в ХАИ, математические модели отдельных агрегатов ДФК и необходимые расчеты выполнялись в РКК «Энергия», МГТУ им. Н.Э.Баумана, ИТМО.
Разработка негерметичных КА с СОТР на базе ТТ, широкое применение ТТ в радиационных теплообменниках (РТО) потребовало проведения серии экспериментов с ТТ в части определения параметров их работы как независимо, так и в составе изделия. В Центре Келдьппа ведется разработка участка для серийного выпуска штатных аммиачных ТТ для КА, в процессе разработки этого рабочего места решаются технологические и научные проблемы в части проведения заправки и испытаний ТТ.
7 Актуальность темы.
Использование двухфазного аммиака существенно интенсифицирует теплопе-ренос, в связи с чем СОТР с двухфазным теплоносителем обладает значительным преимуществом перед традиционными однофазными жидкостными системами терморегулирования по потреблению энергии, массе и габаритам. Однако при этом возникает ряд проблем, связанных как с присутствием фазовых превращений рабочего тела, так и с влиянием фактора невесомости. К элементам, чувствительным к влиянию гравитации, относятся: гидроаккумулятор с тепловым регулированием (ТГА), теплообменник-конденсатор, теплообменник-испаритель, магистрали с двухфазным потоком, тепловые трубы.
В настоящее время отечественная и зарубежная космическая промышленность не имеет опыта разработки ДФК крупных КА. Полномасштабный натурный эксперимент чрезвычайно дорог. Физическое моделирование на земле требует специального обоснования его адекватности. В этих условиях возрастает актуальность задачи физического моделирования ДФ СОТР как на земле, так и в условиях микрогравитации в процессе проектирования СОТР КА.
Целью работы является получение теоретических и экспериментальных данных по работе СОТР и его элементов в условиях космического полета и наземных испытаний, обеспечивающих выработку правильных научно-технических решений для реализации их на перспективных КА. Исследование и совершенствование двухфазных контуров систем терморегулирования космических аппаратов и СТР КА с тепловыми трубами.
При проведении исследования решались следующие задачи:
1) Обеспечение требуемой для длительного ресурса СОТР чистоты аммиака в ДФК и ТТ, в частности: выработка требований к теплоносителю ДФ СТР КА; разработка методов и методик получения теплоносителя (аммиака особой чистоты); разра-
8 ботка методов и методик контроля чистоты аммиака; разработка методик подготовки внутренних полостей ДФ СТР КА к работе в среде аммиака особой чистоты; проведение экспериментальной отработки предлагаемых методик; разработка, изготовление и экспериментальная отработка установки для заправки ДФ СТР КА.
Отработка технологии изготовления аммиачных тепловых труб для СТР КА в части их заправки и проведения тепловых испытаний ТТ, в том числе и ресурсных. Разработка методического обеспечения и апробация предложенных методик. Расчетное и экспериментальное исследование силовых сотовых панелей с тепловыми трубами (ССП с ТТ), как наиболее перспективных элементов СТР негерм етичных КА. Разработка и экспериментальная отработка способа высокоточной термостабилизации зоны испарения ТТ при помощи теплового гидроаккумулятора.
Проведение сравнительного анализа данных летного и наземного эксперимента с установкой ЛЭУ-1М. Определение интегральных параметров её работы и параметров работы отдельных элементов (ТГА, испарителей, теплообменников - конденсаторов).
В ходе решения сформулированных задач были получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
Разработана методика получения представительных проб аммиака в газовой фазе для ИК - спектрометрического экспресс - анализа концентрации микропримеси воды в жидком аммиаке особой чистоты;
При проведении заправки ДФК установки ЛЭУ-1М в условиях полигона получены экспериментальные данные по динамике уменьшения примесей в аммиаке при проведении многократной промывки контура;
В результате проведенных экспериментальных и расчетных исследований СТР КА на основе силовых сотовых панелей с ТТ определены основные параметры работы ССП с ТТ и сделаны рекомендации по расчету ССП и СТР на базе ССП;
Предложен способ термостабилизации зоны испарения ТТ при помощи ТГА, проведена его экспериментальная отработка;
Предложен тепловизиоиный способ контроля длины блокированной НКГ зоны конденсации тепловых труб, приведены результаты его апробирования;
6. Проведены экспериментальные исследования параметров работы ДФК установки
ЛЭУ-1М и отдельных её агрегатов при наземных и летных экспериментах. Получены
данные сравнительного анализа параметров работы ДФК на Земле и в условиях мик
рогравитации.
Автор защищает положения, определяющие научную новизну работы.
Практическая ценность работы. I. Впервые получены количественные данные по примесям воды в аммиаке при использовании ИК - спектрометрического метода экспресс - анализа.
Даны рекомендации по проектированию и расчету пассивных СОТР на базе ССП и ТТ для негерметичных спутников.
Предложен метод термостабилизации зоны испарения ТТ, позволяющий обеспечить высокогочную термостабилизацию агрегатов КА, что может использоваться для КА ДЗЗ и проч.
Проведенным анализом параметров работы ДФК при наземных и летных испытаниях показана идентичность результатов испытаний, чем подтверждена адекватность отработки ДФК в наземных условиях.
Диссертационная работа выполнена в ФГУП «Центр Келдыша» в рамках тем: НИР «ТРЭКА-2», «ТЕПЛО-КА», ОКР «МИР-МАК», «МКС-МАК», «Багор».
Результаты диссертационной работы внедрены: в Центре Келдыша при создании аммиачного стенда, участка для заправки ТТ, установки для заправки ДФК аммиаком особой чистоты.
Достоверность и обоснованность предложенных в работе моделей, эмпирических зависимостей, методик и рекомендаций подтверждается достаточной точностью измерений, использованием общепризнанных методик обработки экспериментальных данных, сопоставлением результатов расчетов с данными экспериментальных исследований.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались:
на конференции «Мирный космос и будущее человечества» в 2001 г,
12th International Heat Pipe Conference, May 19-24, 2002, Moscow,
на конференции студентов и аспирантов МФТИ в 2002г;
на заседаниях секции НТС отделения 6 ФГУП «Центр Келдыша»;
5 Минский международный семинар «Тепловые трубы. Тепловые насосы. Холодильники», Минск, 2003г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 заявки на патент на изобретение, 18 НТО ФГУП «Центр Келдыша».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы 156 страниц машинописного текста, в тексте содержится 45 рисунков, 15 таблиц. Библиография содержит 81 наименование.
1] Глава 1. Аналитический обзор тенденций развития СТР КА.
Рост тепловыделении и требований к точности термостабилизации бортового оборудования КА и ОКС, а также переход на негермегичные конструкции беспилотных КА, приводит к тому, что традиционные однофазные системы терморегулирования (СТР) становятся весьма громоздкими и малоэффективными по сравнению с перспективным двухфазным контуром терморегулирования (ДФК) и пассивными средствами обеспечения теплового режима КА [1].
Заданную точность терморегулирования в СТР с тепловыделением Q при использовании однофазного теплоносителя можно обеспечить, выбирая соответствующий расход G (кг/с) теплоносителя с теплоёмкостью Ср:
G = Q/(AT-CP), (1) где ДТ — допустимый перепад температуры теплоносителя. Теплоемкость Ср традиционных жидких теплоносителей колеблется в диапазоне 680...4800 Дж/(кг- К). Согласно требованиям по точности поддержания температуры допустимое изменение температуры теплоносителя в контуре ДТ« 5К. Из (I) видно, что с ростом тепловыделения пропорционально растет расход теплоносителя и, соответственно, мощность прокачивающего насоса, диаметры трубопроводов, масса системы.
Использование кипящего двухфазного теплоносителя позволяет подводить и отводить теплоту практически изотермически при фазовом переходе. Расход теплоносителя приближенно можно определить по известной формуле:
G = Q/r, (2) где Q - отводимая СТР мощность,
г - скрытая теплота парообразования теплоносителя.
Тепловой поток, переносимый одним граммом теплоносителя, при использовании фазового перехода на несколько порядков превышает тепловой поток в однофазных системах терморегулирования [2]. Поэтому необходимый расход двухфазного теплоносителя много меньше расхода теплоносителя в однофазной системе, и, следовательно, уменьшаются диаметр и масса трубопроводов и арматуры.
Если тепловыделение будет превышать определенное по формуле (2) значение, то возможен перегрев пара. С целью недопущения перегрева расход теплоносителя выбирают немного выше рассчитанного по этой формуле таким образом, чтобы массовое паросодержание х на выходе из испарителей не превышало 0.6.. .0.8.
На рис.1.1 приведено сравнение ДФ и ОФ СТР по объемному расходу теплоносителя.
' одиоф азн -— д в у х ф а з н
г і
Величина тепловой нагрузки, кВт
Рис. 1.1. Сравнение расходов однофазной и двухфазной системы терморегулирования по объемным расходам теплоносителя! 1].
Преимущества двухфазного теплоносителя и СТР с ним также определяются: более высокими коэффициентами теплоотдачи при кипении и конденсации по сравнению с теплопередачей в однофазном потоке, и, как следствие, снижением массы и габаритов теплопередающих устройств;
простотой термостабилизации участков сбора и сброса теплоты, малыми разностями температур между ними; возможностью реализации пассивного способа регулирования.
Для сравнения теплообменных контуров с одно- и двухфазными теплоносителем используется целый ряд количественных и качественных критериев:
> масса СТР;
V геометрические характеристики системы;
потребляемая мощность N„ насоса для прокачки теплоносителя при заданных тепловыделении Q, расстоянии теплопереноса L и требованиями к точности термостабилизации;
точность термостабилизации всех объектов при изменяющейся мощности и раз-
личной конфигурации тепловыделения и другие, вытекающие из технических требований для конкретных КА. Предложено [I] также использовать объединенный критерий -удельный коэффициент переноса теплоты Кт (Вт м/кг):
KT=QL/M (4) Потребляемая мощность насоса может быть легко определена из выражения:
(5)
Nh =
Где: гін— КПД насоса; р - плотность теплоносителя в жидкой фазе; ДР - гидросо-спротивление. Сравнение затрат энергии на прокачку теплоносителя для ОФ и ДФ СТР приведено на рис.] ,2.
о
В' о
Отводимая СТР мощность, кВт
Рис. 1.2. Сравнение затрат энергии на прокачку теплоносителя для однофазных СТР при ДТ=5С (3), ДТ=40С (2) и двухфазной СТР (!).[!]
14 Экономия массы СТР при использовании двухфазного теплоносителя будет всегда, однако ее величина может меняться в очень широком диапазоне: от нескольких десятков до нескольких сот процентов [3]. Зависит это от целого ряда факторов, но, в первую очередь, от мощности тепловыделяющей аппаратуры, линейного удаления источников тепловыделения от агрегатов сброса тепла и типа выбранного ДФК. По проведенным оценкам, экономия массы СТР мощностью Q=25 кВт составит до 50% [4]^С2].
Справедливо будет сказать и о дополнительных трудностях, связанных с переходом на двухфазный теплоноситель. Так, гидросопротивление и теплоотдача двухфазного потока при малых скоростях течения зависят от наличия поля массовых сил [в]. Что, в связи с отсутствием достоверной теории о влиянии силы тяжести на процессы теплопередачи и достаточного количества экспериментальных данных, требует при проектировании элементов ДФК проведения летных экспериментов и экспериментальной отработки в наземных условиях. В контур включены элементы (испарители, конденсаторы и др.), ранее не используемые в ОФ СТР. Гидросопротивление тепло-обменников-испарителеей, в отличие от рекуперативных теплообменников с однофазным теплоносителем, существенно зависит от тепловой нагрузки, что затрудняет проектирование теплособирающих сетей. Наличие в ДФК нескольких упругих объемов, возможная немонотонная гидравлическая характеристика обогреваемых участков делают систему склонной к генерации колебаний или апериодической неустойчивости. Определенные проблемы могут представлять и возможная кавитационная эрозия, необходимость отделения неконденсирующихся газов, шум, возникающий при течении теплоносителя, его конденсации или кавитации. Но, несмотря на указанные недостатки, ДФ СТР являются в настоящее время перспективным направлением развития СТР КА.
Другим, не менее бурно развивающимся направлением совершенствования СТР КА, является широкое внедрение высокоэффективных тепловых труб и контурных те-
пловых труб в СТР КА. Для КА негерметичного исполнения с тепловыделением до нескольких кВт возможно применение полностью пассивных СТР, в которых сбор, транспортировка тепла и его сброс осуществляется при помощи ТТ.
