Излучатель устройства сброса низкопотенциального тепла в космическое пространство (варианты)

Группа изобретений относится к области космической техники, а более конкретно к излучателям низкопотенциальной энергии. Излучатель устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата содержит по меньшей мере одну трубку из теплопроводящего материала с по меньшей мере одним продольным ребром, выполненным за одно целое с трубкой. В первом варианте изобретения излучатель содержит защитный элемент из теплопроводящего материала, выполненный в виде по меньшей мере одной изогнутой пластины и соединенный с по меньшей мере одним продольным ребром трубки так, что полностью закрывает внешнюю поверхность трубки от воздействий. По второму варианту изобретения излучатель содержит по меньшей мере один защитный элемент, выполненный из продольного ребра трубки, полностью закрывающий внешнюю поверхность трубки от воздействий. В качестве теплопроводящего материала может быть использован алюминий или его сплавы. Достигается повышение степени защиты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Группа изобретений относится к космической технике и может быть использована в конструкциях устройств сброса низкопотенциального тепла в космическое пространство, например, в конструкциях холодильников-излучателей космических аппаратов и энергетических систем.

В настоящее время широко известны конструкции трубчатых холодильников-излучателей, в которых трубки с теплоносителем приварены к сбрасывающей тепло обечайке и не защищены от микрометеоритов. Такие устройства ненадежны и имеют относительно небольшой срок службы.

Для решения этой проблемы в патенте US 5150748 А, 29.09.1992 в качестве холодильников-излучателей предложена конструкция, состоящая из металлических трубок с теплоносителем, снабженных внешним защитным слоем из материала с высокой теплопроводностью для лучшего отвода тепла от трубок. Эффективность такого способа защиты представляется довольно низкой, так как волокна в защитном слое расположены на расстоянии друг от друга, метеороиды, размеры которых много меньше этого расстояния, могут почти беспрепятственно проникать между волокнами и ударно воздействовать на стенку металлической трубки, нарушая ее целостность. Кроме того, контакт волокон с металлической трубкой предполагается осуществлять с помощью материалов, теплопроводность которых существенно ниже, чем у высокотеплопроводных волокон, что будет снижать эффективность такого решения.

В патенте RU 2603698 С1, 27.11.2016 предлагается устройство, состоящее из металлической трубки с теплоносителем и внешним защитным теплопроводящим слоем, выполненным из нескольких расположенных вокруг трубки продольных трубчатых элементов из углерод-углеродного композиционного материала. К недостаткам этой конструкции следует отнести следующее:

1) трудно обеспечить хороший контакт между металлической трубкой и продольными трубчатыми элементами из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ);

2) различные коэффициенты линейного расширения при нагревании будут приводить к ухудшению теплового контакта между металлической трубкой и УУКМ.

В патенте US 2015285568 А1, 08.10.2015 (прототип) предложен излучатель, содержащий одну трубку с одним продольным ребром, выполненным из теплопроводящего материала за одно целое с трубкой, при этом ребро обеспечивает одновременно сброс низкопотенциального тепла в космическое пространство и частичную защиту трубки от повреждений метеороидами или мелкими частицами космического мусора. Предлагаемое исполнение излучателя позволяет создать хороший тепловой контакт между трубкой и ребром и частично снижает опасность повреждения трубки, так как ребро частично закрывает трубку. Существенным недостатком известного из прототипа излучателя является то, что он не обеспечивает полную защиту внешней поверхности трубки от воздействий метеороидов или других мелких космических частиц.

Задачей предлагаемой группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат группы изобретений заключается в повышении степени защиты трубки с теплоносителем от воздействий метеороидов или мелких частиц космического мусора при увеличении эффективности сброса тепла в космическое пространство.

Указанный результат достигается тем, что в первом варианте исполнения излучатель устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата содержит по меньшей мере одну трубку из теплопроводящего материала с по меньшей мере одним продольным ребром, выполненным за одно целое с трубкой. При этом излучатель содержит защитный элемент из теплопроводящего материала, выполненный в виде по меньшей мере одной изогнутой пластины и соединенный с по меньшей мере одним продольным ребром трубки так, что полностью закрывает внешнюю поверхность трубки от воздействий.

Теплопроводящий материал представляет собой, в частности, алюминий или его сплавы.

Предложен также второй вариант изобретения: излучатель устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата содержит по меньшей мере одну трубку из теплопроводящего материала с по меньшей мере одним продольным ребром, выполненным за одно целое с трубкой. При этом излучатель содержит по меньшей мере один защитный элемент, выполненный из продольного ребра трубки таким образом, что он полностью закрывает внешнюю поверхность трубки от воздействий.

Трубку с ребрами изготавливают за одно целое любым известным методом, например методом экструзии, что обеспечивает отсутствие контактного теплового сопротивления между ними. Защитный элемент из теплопроводящего материала может быть выполнен в виде одной или нескольких изогнутых пластин. При этом пластину или пластины соединяют с ребрами любым способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт между ними, например, сваркой. Предложенное изобретение по любому из вариантов может быть изготовлено из любого теплопроводящего материала с достаточно высоким коэффициентом теплопроводности (алюминия и его сплавов, меди, магния, бронзы, никеля, титана, высокотеплопроводного композиционного материала и др.).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана аксонометрическая проекция излучателя по первому варианту изобретения, включающая трубку с четырьмя ребрами и защитный элемент из четырех изогнутых пластин.

На фиг. 2 изображен вид излучателя, показанного на фиг. 1, в поперечном разрезе А-А.

На фиг. 3 показан излучатель по первому варианту изобретения в разобранном виде, включающий трубку с тремя ребрами и защитный элемент из трех изогнутых пластин.

На фиг. 4 приведен излучатель по второму варианту изобретения, включающий четыре защитных элемента, выполненные из ребер; пунктиром показаны ребра до операции сгибания.

На фиг. 5 показан излучатель по второму варианту изобретения, включающий два защитных элемента, выполненные из ребер.

На фиг. 6 изображен излучатель по второму варианту изобретения, включающий две трубки и два защитных элемента, выполненные из ребер.

На фиг. 7 приведены результаты испытаний образца излучателя, изображенного на фиг. 6, на трех режимах по температуре.

Приведенный на фиг. 1 излучатель состоит из трубки 1, четырех продольных трубке ребер 2 и защитного элемента, выполненного в виде четырех изогнутых пластин 3, образующих при соединении с четырьмя продольными ребрами 2 трубки 1 цилиндрическую оболочку, полностью закрывающую поверхность трубки от внешних воздействий. Количество продольных ребер и защитных элементов выбирается из условия обеспечения минимальной массы конструкции: 1) при сбросе заданного количества тепловой энергии в заданном интервале температур; 2) при обеспечении заданной вероятности сохранения целостности трубки с теплоносителем в течение заданного времени работы.

Изобретение по первому варианту может быть изготовлено следующим образом: сначала методом экструзии получают трубку с одним или несколькими продольными ребрами, затем пластину или несколько пластин сгибают на оправке и соединяют ее или их с продольными ребрами трубки посредством сварки с образованием защитного элемента, полностью закрывающего поверхность трубки от внешних воздействий (ударных воздействий метеороидов или других мелких частиц).

Изобретение по второму варианту (Фиг. 4, 5 и 6), когда излучатель содержит по меньшей мере один защитный элемент, выполненный из по меньшей мере одного продольного ребра трубки, может быть изготовлено следующим образом: сначала методом экструзии получают трубку или несколько трубок с минимум одним продольным ребром, при этом обеспечивают длину/длины продольных ребер достаточные для обеспечения полной защиты внешней поверхности трубки, затем ребро или ребра сгибают на оправке таким образом, чтобы в изогнутом состоянии ребро или ребра полностью закрывали внешнюю поверхность трубки от воздействий.

Продольные ребра могут быть выполнены переменного сечения, уменьшающегося от трубки к защитному элементу, так как это дополнительно улучшает теплоотдачу за счет теплопроводности и излучения.

Излучатель по первому варианту изобретения работает следующим образом. Теплоноситель, отводящий тепло (жидкость или газ) от разогретого объекта, поступает в трубку 1 излучателя. Тепло от теплоносителя за счет теплообмена передается к стенке трубки 1, затем за счет теплопроводности через стенку переходит к продольным ребрам 2 и частично за счет лучистого теплообмена на защитный элемент в виде одной или нескольких изогнутых пластин 3. Тепло по продольным ребрам 2 так же передается на защитный элемент за счет, в основном, теплопроводности. С поверхности защитного элемента в виде пластины или пластин 3 низкопотенциальное тепло сбрасывается в космическое пространство. При попадании микрометеоритов или других мелких частиц на излучатель они пробивают защитный элемент и, как правило, распадаются на несколько частей (осколков), которые разлетаются в некотором телесном угле. Часть этих осколков может попадать на трубку 1, однако размер и скорость движения их уменьшается при взаимодействии с защитным элементом, при этом их пробивная способность снижается и риск негативного воздействия осколков на трубку 1 минимален. Наличие на трубке 1 продольных ребер 2 дополнительно уменьшает площадь поверхности, которая может подвергаться воздействию указанных выше частиц.

Излучатель по второму варианту изобретения работает следующим образом. Теплоноситель, отводящий тепло (жидкость или газ) от разогретого объекта, поступает в трубку 1 излучателя. Тепло от теплоносителя за счет теплообмена передается к стенке трубки 1, затем за счет теплопроводности через стенку и частично излучением переходит к продольным ребрам 2, из которых выполнены защитные элементы, и сбрасывается в космическое пространство. При попадании микрометеоритов или других мелких частиц на излучатель они пробивают защитные элементы, при этом, как правило, распадаются на несколько частей (осколков), которые разлетаются в некотором телесном угле. Часть этих осколков может попадать на трубку 1, однако размер и скорость их уменьшается при взаимодействии с защитными элементами, а пробивная способность снижается и риск негативного воздействия осколков на трубку минимален.

Изготовлен и испытан образец излучателя по второму варианту предлагаемого изобретения, представленный на фиг. 6. Излучатель выполнен из сплава алюминия АД31. Покрытие образца имеет степень черноты ~ 0,8. Испытания проведены в вакуумной камере. В качестве модельного теплоносителя использован «Софэксил-ТСЖ-в». Результаты испытаний на трех режимах по температуре приведены на фиг. 7, и представлены в виде зависимости удельного теплового потока с поверхности устройства от температуры теплоносителя на входе, полученной аппроксимацией экспериментальных данных. На фиг. 7 крестиками отмечены опытные точки. Результаты испытаний показывают эффективность сброса тепла в космическое пространство предлагаемым устройством.

Эффективность конструкции излучателя устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата можно также оценить параметром m/Q (m - масса элемента в кг, Q - сбрасываемая энергия в кг), чем ниже значение этого параметра, тем выше эффективность. Изготовленный образец, представленный на фиг. 6, имеет m/Q=1,3 при температуре теплоносителя 570 К, что подтверждает его эффективность. Известные в настоящее время устройства того же назначения без защиты от микрометеоритов в диапазоне температур 650÷385 К характеризуются m/Q=2,5.

Предлагаемые варианты изобретения обеспечивают высокую степень защиты трубки с теплоносителем от воздействий метеороидов или мелких частиц космического мусора, хороший тепловой контакт между трубкой, ребрами и защитным элементом, а также высокую эффективность сброса низкопотенциальной энергии в космическое пространство.

1. Излучатель устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата, содержащий по меньшей мере одну трубку из теплопроводящего материала с по меньшей мере одним продольным ребром, выполненным за одно целое с трубкой, отличающийся тем, что содержит защитный элемент из теплопроводящего материала, выполненный в виде по меньшей мере одной изогнутой пластины и соединенный с по меньшей мере одним продольным ребром трубки так, что полностью закрывает внешнюю поверхность трубки от воздействий.

2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что теплопроводящий материал представляет собой, в частности, алюминий или его сплавы.

3. Излучатель устройства сброса низкопотенциальной энергии космического аппарата, содержащий по меньшей мере одну трубку из теплопроводящего материала с по меньшей мере одним продольным ребром, выполненным за одно целое с трубкой, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один защитный элемент, выполненный из продольного ребра трубки таким образом, что он полностью закрывает внешнюю поверхность трубки от воздействий.

4. Излучатель по п. 3, отличающийся тем, что теплопроводящий материал представляет собой, в частности, алюминий или его сплавы.