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

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»

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