Теплопередающее устройство спутника

Изобретение относится к системам терморегулирования, преимущественно, телекоммуникационных спутников. Предлагаемое устройство содержит замкнутый двухфазный контур, заправленный низкокипящим теплоносителем (аммиаком). Контур включает сообщенные между собой соединительными трубопроводами испаритель, гидроаккумулятор и конденсатор, прикрепленный к обшивке радиатора. Испаритель имеет тепловую связь с двумя противоположно расположенными термостатируемыми поверхностями. В корпусе испарителя установлен капиллярный насос, к наружной поверхности которого плотно прилегают контактные поверхности выступов корпуса испарителя. Испаритель и конденсатор встроены в сотовую панель спутника с двумя термостатируемыми обшивками и выполнены в виде профильного трубопровода из алюминиевого сплава, каждый с двумя полками. Полки прикреплены (в случае испарителя - приклеены) к обшивкам панели. Внутренняя поверхность профильного трубопровода в зонах, расположенных напротив полок, имеет выступы с продольными и поперечными канавками. В остальных зонах выполнены впадины. Капиллярный насос имеет биметаллический фланец, который пайкой соединен с наружной поверхностью насоса и монтажной сваркой - с торцами указанных профильного и соединительного трубопроводов. Техническим результатом изобретения является снижение массы устройства (на 7-15 %) по сравнению с аналогичными техническими решениями, а также уменьшение опасности пробоя магистралей испарителя и радиатора метеоритами в условиях эксплуатации. 8 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам обеспечения требуемого теплового режима телекоммуникационных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

Известны теплопередающие устройства согласно материалам:

1) монографии: А.А. Никонов, Г.А. Горбенко, В.Н. Блинков. Теплообменные контуры с двухфазным теплоносителем для систем терморегулирования космических аппаратов. Центр научно-технической информации «Поиск», М., 1991 г., стр.63-66, рис.3.6 на стр.112, стр.126 [1];

2) патенту США № 5,944,092 [2];

3) патенту Российской Федерации № 2196079 [3],

которые представляют замкнутый двухфазный контур с испарителем, выполняющим одновременно две функции:

- воспринимает избыточное тепло от работающего прибора;

- действует как насос в результате наличия в испарителе высокоэффективного с точки зрения преодолевания гидравлического сопротивления при движении теплоносителя (например, аммиака) по замкнутому контуру капиллярного насоса - капиллярной вставки, которая выполнена из пористого никеля (или титана), а для обеспечения взаимной герметичности паровой и жидкостной полостей испарителя помещена в корпус, имеющий соответствующую конструкцию.

Исходя из известных теплопередающих устройств:

- внутри корпуса испарителя по всему поперечному сечению выполнены продольные трапециевидные канавки и выступы; выступы плотно прилегают к наружной поверхности капиллярной вставки;

- корпус испарителя 1.1 прикреплен к корпусу прибора 3 (см. фиг.5-7); в свою очередь корпус прибора 3 установлен на специальную силовую плату 8 (см. фиг.6) для обеспечения монтажа на спутнике;

- при отводе избыточного тепла от прибора к капиллярной структуре эффективно функционируют с точки зрения теплопередачи только выступы, находящиеся напротив прибора;

- конденсатор 5.1 (см. фиг.8), внутри имеющий гладкий канал, прикреплен к поверхности радиатора 5 (см. фиг.8).

Как показал анализ, проведенный авторами в процессе разработки теплопередающего устройства для применения в составе телекоммуникационного спутника, в случае выполнения устройства согласно вышеизложенному (известным техническим решениям) масса его получается относительно большой и неприемлемой для применения в составе спутника.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемого технического решения является теплопередающее устройство согласно [1].

Известное теплопередающее устройство, представляющее собой замкнутый двухфазный контур (см. фиг.5, 6, 7, 8), заправленный низкокипящим теплоносителем - аммиаком, включает следующие элементы:

- испаритель 1, внутри корпуса 1.1 которого выполнены трапециевидные выступы 1.2 и канавки 1.3 по всему поперечному сечению; в корпусе испарителя установлен капиллярный насос 1.6 - капиллярная вставка, изготовленная из пористого никеля; торцевые поверхности выступов плотно прилегают к наружной поверхности капиллярной вставки;

- соединительные трубопроводы 4;

- конденсатор 5.1, прикрепленный к поверхности радиатора 5, излучающего в условиях орбитального функционирования тепло, выделившееся в магистралях конденсатора;

- гидроаккумулятор 6 (6.1 и 6.2 - зоны с жидкой и паровой фазами теплоносителя; 7 - электрообогреватель).

Как показано выше, существенным недостатком известного устройства является его относительно большая масса.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается выполнением теплопередающего устройства таким образом, что испаритель встроен в сотовую панель с двумя термостатируемыми обшивками и корпус испарителя выполнен в виде профильного трубопровода из алюминиевого сплава с двумя полками, которые приклеены к обшивкам сотовой панели, и внутренняя поверхность указанного трубопровода в зонах, расположенных напротив полок, имеет выступы с продольными и поперечными канавками, а в остальных зонах - впадины, при этом биметаллический фланец капиллярного насоса пайкой соединен с наружной поверхностью его и монтажной сваркой - с торцами профильного и соединительного трубопроводов, а конденсатор выполнен из профильного трубопровода с двумя полками, встроен в сотовую панель и прикреплен полками к обшивкам панели, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами, известной патентной и научно-технической литературы предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом теплопередающем устройстве.

Предлагаемое теплопередающее устройство (см. фиг.1, 2, 3, 4, где изображена его принципиальная схема) включает в себя следующие элементы: испаритель 1, встроенный в сотовую панель 2 с двумя термостатируемыми обшивками; корпус 1.1 испарителя 1 выполнен в виде профильного трубопровода из алюминиевого сплава с двумя полками, которые расположены напротив термостатируемых поверхностей обшивок, на которых установлены выделяющие при работе тепло приборы 3 (3.1 и 3.2) и прикреплены к ним; внутренняя поверхность вышеуказанного трубопровода в зонах, расположенных напротив полок, имеет выступы 1.2 с продольными 1.3 и поперечными 1.4 канавками, а в остальных зонах - впадины 1.5; при этом выступы со своими контактными поверхностями плотно (соответствующая посадка с натягом по специальной технологии) прилегают к наружной поверхности кациллярного насоса 1.6 - капиллярной вставки, выполненной из пористого никеля; капиллярный насос 1.6 имеет биметаллический фланец 1.6.1, изготовленный по специальной технологии, состоящий из двух наконечников: наконечника, изготовленного из нержавеющей стали (припаян к наружной поверхности пористой вставки), и наконечника, изготовленного из алюминиевого сплава (соединен монтажной сваркой с торцами профильного и соединительного трубопроводов 4 (см. 4.1 на фиг.3)).

Все остальные элементы теплопередающего устройства выполнены из алюминиевого сплава: вход и выход испарителя соответственно соединены трубопроводами с выходом и входом радиатора 5, выполненного из сотовой панели; конденсатор 5.1 (см. фиг.4), предназначенный для конденсации паров теплоносителя - аммиака, также выполнен из профильного трубопровода с полками, встроен в сотовую панель и полками приклеен к обшивкам панели радиатора, т.е. реализован радиатор с двусторонним излучением.

Вблизи входа в испаритель установлен гидроаккумулятор 6 (6.1 и 6.2 - зоны с жидкой и паровой фазами теплоносителя).

Электрообогреватель 7 предназначен для прогрева, при необходимости, паров и жидкого аммиака в гидроаккумуляторе с целью поддержания необходимого рабочего давления паров в его паровой полости.

Циркуляционная полость устройства и полость гидоаккумулятора заправлены соответствующим количеством аммиака.

Все стыки между соединительными трубопроводами и элементами: испарителем, конденсатором, гидроаккумулятором, - сварные.

Оптимальная компоновка теплопередающего устройства на спутнике обусловлена необходимостью его нормального функционирования как в условиях наземных испытаний, так и в условиях орбитального функционирования спутника, поэтому:

- расположение на спутнике испарителя относительно уровня Земли - горизонтальное, ниже гидроаккумулятора;

- гидроаккумулятор относительно уровня Земли должен быть расположен вертикально;

- радиатор: вход магистрали конденсатора находится в верхней относительно Земли части радиатора, а выход - в нижней части испарителя, установленного выше по уровню относительно гидроаккумулятора и входа испарителя; смежные участки конденсатора выполнены наиболее протяженными и они расположены горизонтально относительно уровня Земли.

Работа предложенного теплопередающего устройства происходит следующим образом.

Тепло, выделяющееся при работе прибора, передается обшивке сотовой панели, далее через полки и стенки корпуса испарителя непосредственно к пористой структуре капиллярного насоса.

В пористой структуре происходит прогрев аммиака и испарение его вблизи наружной поверхности капиллярного насоса и под напором капиллярного насоса пары аммиака циркулируют из поперечных канавок в продольные канавки, из продольных канавок - к выходу из испарителя, далее - по соединительному трубопроводу в магистраль конденсатора (радиатора). В магистрали конденсатора происходит постепенная конденсация паров аммиака с передачей выделившегося тепла радиатору и на выходе образуется его полностью жидкая фаза и жидкий аммиак поступает на вход испарителя.

В соответствии с тепловой нагрузкой жидкий аммиак из гидроаккумулятора поступает (или обратно подается) в магистраль конденсатора (или обратно подается в гидроаккумулятор) и регулирует зону затопления жидкой фазой в магистрали конденсатора, регулируя тем самым холодопроизводительность радиатора в соответствии с изменением тепловыделения приборов.

При максимальной тепловой нагрузке (при максимальном тепловыделении прибора) зона раздела фаз: «парожидкостная фаза - полностью жидкая фаза» аммиака находится вблизи выхода конденсатора из радиатора, радиатор имеет максимальную холодопроизводительность и жидкостная полость гидроаккумулятора в этом случае содержит максимально возможное количество жидкого аммиака.

При уменьшении тепловой нагрузки температура и давление испарения уменьшаются и, следовательно, давление конденсации в конденсаторе также уменьшается и под воздействием рабочего давления паров аммиака (требуемое значение рабочего давления поддерживается в результате работы электрообогревателя) в паровой полости жидкий аммиак из гидроаккумулятора подается на выход конденсатора, далее - в магистраль его до тех пор, пока давление конденсации (и, следовательно, температура конденсации) не увеличится до соответствующего значения: в этом случае зона раздела фаз: «парожидкостная фаза - полностью жидкая фаза аммиака» находится достаточно далеко от выхода конденсатора, радиатор имеет уменьшенную хладопроизводительность, и в жидкостной полости гидроаккумулятора в случае минимального тепловыделения прибора имеется минимально возможный запас жидкого аммиака.

Анализ показал, что в результате выполнения испарителя и конденсатора согласно предложенному их потребная длина и, следовательно, масса получаются уменьшенными (на (7-15)%) по сравнению с известными решениями; получается также экономия массы в результате использования сотовой панели в качестве силовой конструкции для установки приборов; кроме того, обшивки сотовой панели дополнительно уменьшают опасность пробоя магистралей испарителя и радиатора метеоритами, тем самым повышая надежность работы предложенного устройства в условиях эксплуатации.

Таким образом, в результате выполнения теплопередающего устройства согласно предложенному авторами техническому решению обеспечивается снижение массы устройства, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение проходит экспериментальную отработку. Предварительные данные испытаний подтверждают выполнение целей изобретения.

Предложенное авторами теплопередающее устройство в дальнейшем предполагается использовать в перспективных телекоммуникационных спутниках.

Теплопередающее устройство спутника, содержащее замкнутый двухфазный контур, заправленный низкокипящим теплоносителем, включающий в себя сообщенные между собой соединительными трубопроводами испаритель, гидроаккумулятор, снабженный электрообогревателем, и прикрепленный к обшивке радиатора конденсатор, имеющий внутри канал с гладкими стенками, при этом испаритель имеет тепловую связь с двумя противоположно расположенными термостатируемыми поверхностями, в корпусе испарителя установлен капиллярный насос, к наружной поверхности которого плотно прилегают контактные поверхности выступов корпуса испарителя, отличающееся тем, что испаритель и конденсатор встроены в сотовую панель с двумя термостатируемыми обшивками, корпус испарителя и конденсатор выполнены в виде профильного трубопровода из алюминиевого сплава, каждый с двумя полками, прикрепленными к указанным обшивкам панели, причем полки корпуса испарителя приклеены к обшивкам панели, а внутренняя поверхность указанного трубопровода в зонах, расположенных напротив полок, имеет выступы с продольными и поперечными канавками, а в остальных зонах - впадины, при этом капиллярный насос имеет биметаллический фланец, который пайкой соединен с наружной поверхностью насоса и монтажной сваркой - с торцами указанных профильного и соединительного трубопроводов.