Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 18(146)

Рубрика журнала: Технические науки

Секция: Космос, Авиация

Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2, скачать журнал часть 3, скачать журнал часть 4, скачать журнал часть 5, скачать журнал часть 6

Библиографическое описание:
Гридасов В.А. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОТСЕКОВ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СТАНДАРТА «CubeSat» // Студенческий: электрон. научн. журн. 2021. № 18(146). URL: https://sibac.info/journal/student/146/211590 (дата обращения: 28.03.2024).

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОТСЕКОВ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СТАНДАРТА «CubeSat»

Гридасов Виталий Александрович

студент, кафедра КиИЛА, филиал «Восход» Московского авиационного института,

РФ, г. Байконур

Шестопалова Ольга Львовна

научный руководитель,

канд. техн. наук, доц. филиал «Восход» Московского авиационного института

РФ, г. Байконур

Большинство проектов «CubeSat» используют пассивные способы управления тепловым режимом (специальные облицовка, окраска). Внешние элементы спутника подвергаются тепловым воздействиям в диапазоне температур от –120 °C до +100 °C при переходе с теневой стороны орбиты на освещенную, причем скачок температуры происходит в течение нескольких минут (www.raumfahrt.fhaachen.de/satellite/index.htm). Такой перепад температур может привести к сбоям в работе или выходу из строя бортовой аппаратуры.

Большинство проектов «CubeSat» используют пассивные способы управления тепловым режимом (специальные облицовка, окраска). Внешние элементы спутника подвергаются тепловым воздействиям в диапазоне температур от –120 °C до +100 °C при переходе с теневой стороны орбиты на освещенную, причем скачок температуры происходит в течение нескольких минут (www.raumfahrt.fhaachen.de/satellite/index.htm). Такой перепад температур может привести к сбоям в работе или выходу из строя бортовой аппаратуры.

«CubeSat» - стремительно развивающийся стандарт малых космических аппаратов (МКА) массой до 10 кг. Конструкционная идея таких аппаратов состоит в блочно-модульном построении кубов размера 10х10х10 см. В зависимости от требований заказчика или космической миссии, аппарат собирается из требуемого количества модулей (1U, 2U, 3U, 6U и т.д.) и произвольной геометрии.

Основная цель создания таких спутников – решение научно-технических, исследовательских и промышленных задач. Целевое назначение космических аппаратов серии «CubeSat» - тестирование электронных компонентов и приборов, которые крайне чувствительны к тепловым воздействиям [1].

Большинство проектов «CubeSat» используют пассивные способы управления тепловым режимом (специальные облицовка, окраска). Внешние элементы спутника подвергаются тепловым воздействиям в диапазоне температур -120 до +100 ﮿С при переходе с теневой стороны орбиты на освещенную, причем скачок температуры происходит в течение нескольких минут. Такой перепад температур может привести к сбоям в работе или выходу из строя бортовой аппаратуры.

Известно, что основные электронные компоненты малых КА, отвечающие промышленным стандартам, способны работать в диапазоне температур от -40 до +850С. Но, согласно данным, представленным в таблице 1, многие спутники «CubeSat» имели проблемы с перегревом.

Таблица 1.

Цели и результаты полетов спутников «CubeSat»

КА

Организация

Цель

Результаты

CUTE-I

Токийский технологический институт

Проверка возможности использования цифровой фотокамеры в качестве солнечного датчика

Функционирует нормально

СubeXI-IV

Университет Токио

Фотографирование поверхности Земли с помощью цифровой фотокамеры

Функционирует нормально

СanX-1

Универститет Торонто

Тестирование миниатюрных датчиков горизонта и звездного датчика, а также GPS приемника

Радиоконтакт не установлен. Предположительно перегрев ЦБК

DTUsat

Технический университет Дании

Тестирование солнечных датчиков, выполненных по технологии MEMS и развертывание 600-метрового троса для изменения орбиты спутника

Радиоконтакт не установлен. Предположительно авария в системе энергоснабжения

AeroCube-2

AerospaceCorporation

Отработка системы связи и цифровых фотокамер

Авария в системе энергоснабжения. Успел передать несколько снимков

MAST

Компания Tethers Unlimited и Стэнфордский университет

Развертывание километровой тросовой системы и исследования поведения тросового соединения в космосе

Установлен радиоконтакт с одним из модулей (вместо двух). Предположительно перегрев модулей

Liberlad-1

Университет Sergio Arboleda

Отработка системы связи

Функционировал нормально

CAPE-1

Университет Луизианы

Фотографирование поверхности Земли с помощью цифровой фотокамеры

Авария в системе энергоснабжения.

 

Связи с вышесказанным появилась необходимость в разработке активной системы обеспечения теплового режима (СОТР) для КА стандарта «CubeSat». Такая система обеспечит отвод или подвод тепла между элементами КА и обеспечит необходимые температурные уровни КА.

Классификация систем терморегулирования представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Классификация радиационных СТР

 

Из известных систем, подходящих к рассмотрению, выделены следующие:

1) СТР с газовым контуром, представленная на рисунке 2;

2) СТР с жидкостным контуром, представленная на рисунке 3;

3) Испарительно-компрессионная СТР, представленная на рисунке 4.

 

Рисунок 2. Принципиальная схема СТР с газовым контуром

1 – приборы; 2 – газовод; 3 – датчик температуры газа; 4 – блок управления; 5 – корпус радиатор; 6 – створки; 7 – вентилятор; 8 – жалюзи.

 

Приборы 1 размещаются в герметичном отсеке, заполненном газом, который является теплоносителем. Вентилятор 7 обеспечивает циркуляцию газа в отсеке и его прокачку через газовод 2. Газ, омывая приборы, отбирает от них тепловую энергию и поступает в газовод 2. В газоводе 2 тепло передается корпусу отсека 5, с которого оно излучается в окружающее пространство.

В качестве средств регулирования температуры могут использоваться жалюзи 8, которые по сигналу датчика температуры 3 могут изменять интенсивность внешнего теплообмена. Кроме того, возможно регулирование теплообмена между приборами 1 и корпусом отсека 5. Это обеспечивается изменением расхода газа через газовод 2 путем изменения положения створок 6 по сигналам с датчика температуры газа 3.

Преимущества системы является малая масса системы при малых тепловыделениях внутри КА.

Недостатки заключается в создании герметичного отсека, а также в низкой теплоемкости газа.

 

Рисунок 3. Принципиальная схема СТР с жидкостным контуром

1 – приборы; 2 – гидравлический контур; 3 – гидроблок; 4 – выносной радиатор; 5 – вентиль; 6 – блок управления; 7 – датчик температуры жидкости

 

Высокая плотность жидкости и плохая совместимость ее с приборами не дают возможности непосредственного заполнения отсеков КА жидким теплоносителем. Поэтому при использовании жидкого теплоносителя выполняется специальный гидравлический контур 2 и специальный выносной радиатор 4. Жидкий теплоноситель прокачивается гидроблоком 3 через специальный каналы (рубашку охлаждения) в приборах 1 и отбирает от них тепловую энергию. Далее тепло передается выносному радиатору 4, с которого излучается в окружающее пространство.

Для регулирования температуры приборов 1 используется перепуск жидкого теплоносителя мимо радиатора 4 через обводную (байпасную) магистраль, который осуществляет путем изменения положения вентиля 5 по сигналам с датчика температуры жидкости 7, установленного в гидравлическом контуре на выходе из рубашки охлаждения приборов 1.

Достоинством такой систему является способность работать при очень больших тепловых нагрузках.

Недостатком таких систем является необходимость специальной рубашки охлаждения в каждом приборе, что приводит к увеличению массы.

 

Рисунок 4. Принципиальная схема испарительно-компрессионной СТР

1 – вентилятор; 2 – теплообменник-испаритель; 3 – дроссель; 4 – выносной контур; 5 – компрессор; 6 – блок управления; 7 – датчик температуры

 

Вентилятор 1 обеспечивает циркуляцию газа в отсеке и продувку его через теплообменник-испаритель 2. В теплообменнике – испарителе 2 тепло от газа передается теплоносителю и обеспечивает его переход в парообразное состояние. В компрессоре 5 теплоноситель сжимается до высокого давления. При этом повышается температура теплоносителя и он поступает в выносной контур 4, где тепловая энергия излучается в окружающее пространство. Далее теплоноситель проходит через дроссель 3, где его давление и температура понижаются. и поступает на вход теплообменника-испарителя 2.

Существенным недостатком такой СТР является большая потребляемая мощность тепловых насосов и соответственно большая дополнительная масса энергоустановки КА.

В рамках данной работы предлагается вариант СТР с жидкометаллическим теплоносителем, таким как галий, индий, натрий. Принципиальная схема СТР представлена на рисунке 5.

 

Рисунок 5. Принципиальная схема СТР с жидкометаллическим теплоносителем.

1 – электромагнитный насос; 2 – блок управления; 3 – датчик температуры; 4 – приборы; 5 – электромагнитный клапан; 6 – выносной радиатор; 7 – байпасная линия; 8 – теплообменник

 

Информация с температурного датчика 3 поступает в блок управления 2, который подает сигнал на включение электромагнитного насоса 1. Жидкий металл является проводником, соответственно подвергается воздействию эффекта Лоренца, а именно: приложение постоянного тока к проводнику в магнитном поле вызывает смещение проводника под действием силы с вектором, направленность которого определяется по правилу правой руки. Насос состоит из внешнего магнита, создающего поле в канале с металлом, и двух электродов, расположенных перпендикулярно линиям напряженности поля. Подавая напряжение на электроды, насос заставляет массу металла двигаться в заданном направлении. Так как контур полностью заполнен и замкнут, движение массы осуществляется безостановочно. Изменяя силу тока на электродах, можно изменять интенсивность потока.

Принимая излишки тепла от приборов 4, теплоноситель, через электромагнитный клапан 5, поступает во внешний радиатор 6, в котором тепловая энергия излучается в окружающую среду.

Существенным недостатком такой системы является высокая температура плавления жидких металлов. При недостаточном внутреннем тепловом излучении КА, на теневой стороне орбиты, возможен риск замерзания теплоносителя. В таком случае перекрывается клапан 5, через байпасную линию 7, во внутреннем контуре, теплоноситель поступает в теплообменник 8, в котором подогрев металла осуществляется за счет энергии аккумуляторных батарей (АКБ).

Преимущества такой системы охлажения:

- очень низкое термическое сопротивление (теплоемкость жидкого металла примерно равна 2000 ﮿С);

- низкий уровень шумового давления;

- высокая надежность в связи с отсутствием движущихся частей и простоты системы;

- малый размер;

- высокая эффективность;

- независимость от направления потока;

- возможность охлаждения сразу нескольких источников тепла;

- настраиваемая эффективность путем изменения скорости потока;

- простота и дешевизна производства (общедоступные компоненты)

 

Список литературы:

  1. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов: учебное пособие / А.В. Туманов, В.В. Зеленцов, Г.А. Щеглов. – 3-е изд., испр. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. – 572 с.
  2. http://www.xtechx.ru/c40-visokotehnologichni-spravochnik-hitech-book/ liquid-metal-thermo-interface

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.