Расчет системы охлаждения спутника и малорасходного насоса для нее

При изменении  уставки (заданного значения температуры) система аналогичным образом  перенастраивается на поддержание  нового значения температуры  .

    Анализ  структуры СТР показывает, что она содержит три типа электромеханических агрегатов: электронасосные агрегаты, регуляторы расхода жидкости и вентиляторы. От степени совершенства этих агрегатов в значительной мере зависят энергомассовые характеристики СТР, показатели надежности СТР и акустическая обстановка в отсеках.

2. Особенности тепловых режимов  двухконтурных систем терморегулирования

    2.1 Общие сведения

      Поверхность космического аппарата, находящегося на околоземной  орбите, имеет среднюю температуру  300 К. Это обеспечивается подбором их оптических характеристик и отношением площадей, на которую падают солнечное излучение и с которой излучается тепловая энергия. Изменение теплового потока, падающего на рассматриваемый элемент КА, приводит к изменению температуры поверхности и, как следствие, к выходу КА из строя. Кроме того, как показывают результаты исследований, обеспечить приемлемый уровень температур для надежной работы научной, радиопередающей и другой аппаратуры без специальных мероприятий невозможно.

    Система терморегулирования обеспечивает подвод к аппарату заданных внешних теплопотоков. Для этого аппарат определенным образом ориентируется относительно солнца, используются покрытия с подобранными значениями коэффициентов поглощения н черноты, экранно-вакуумная теплоизоляция, практически исключающая теплообмен. Иногда этого достаточно для обеспечения рабочего режима аппарата (пассивная система). Для точного регулирования температуры например, с точностью ±2 С, необходимо применять активные системы, организующие теплоотвод в соответствии с режимом аппаратуры. Граница использования разных систем определяется максимальной мощностью бортового комплекса и допустимыми колебаниями температуры.

    В активной системе циркулирующий  газ приборного отсека отводит тепловой поток на корпус или специальный радиатор. Для обеспечения большого удельного теплосъема (более, чем 2 Вт/см²), в качестве теплоносителя используется жидкость. Обязательным элементом воздушного контура является вентилятор, гарантирующий циркуляцию газа и вынужденную конвекцию. В качестве управляющих элементов применяются дроссели расхода, работающие по командам от датчиков температуры. При этом главной задачей СТР является обеспечение необходимого теплового режима на борту аппарата, что связано с конкретными требованиями для аппаратуры в целом, а зачастую, и для каждого прибора в отдельности, несмотря на существование общих требований, предъявляемых к разрабатываемой аппаратуре и условиям ее функционирования в составе КА и всей группировки СС.                                                                                             |

    В КА требуется обеспечить определенный тепловой режим, зависящий от назначения аппарата. Для научных приборов диапазон достаточно широк: 0±10...40±15 °С, в более узком диапазоне для приемников инфракрасного измерения оптических систем, например в СТР КА «ГЛОНАСС-К», обеспечивается местная термостабилизация радиаторов-излучателей в диапазоне ±0,5 °С, хотя для остальных приборов тепловой режим обеспечивается в диапазоне -10...+50 °С.

    Температурный режим агрегатов двигательной установки  составляет -50...+40 °С, а для элементов, расположенных вне герметических  отсеков, температурный режим задается исходя из требований, предъявляемых  к конструкции.

    Космический аппарат получает тепло как от внутренних источников (приборы, агрегаты, энергоустановки) так и от внешних (прямое солнечное излучение; отраженное от планеты; собственное излучение  планеты; выделяющееся при столкновении аппарата с молекулами газа верхних слоев атмосферы планеты).

    Если  КА СС находится в термодинамическом  равновесии с окружающим космическим пространством, то уравнение теплового баланса имеет вид

где Q_соб - энергия собственного излучения планеты; Q_внутр - суммарные внутренние тепловые потоки; Q_солн - прямой солнечный тепловой поток, падающий на поверхность КА; Q_отр - солнечная энергия, отраженная от планеты; Q_мол, - тепловая энергия, выделяющаяся за счет столкновения поверхности КА с отдельными атомами и молекулами атмосферы планеты; Q_изл - тепло, излучаемое КА; А_S - коэффициент поглощения солнечной радиации; A_соб - коэффициент поглощения собственного излучения планеты.

    Как следует из правой части уравнения, тепловые потоки в процессе движения КА изменяются во времени. Это делает тепловые режимы нестационарными, а их расчеты - чрезвычайно сложными.

    Вышеизложенное  предопределяет формирование СТР, обеспечивающего тепловой режим на основе активных средств за счет принудительного теплообмена элементов КА с окружающей средой.

    Количество  тепловой энергии, выделяющейся за счет столкновения КА СС с отдельными атомами  и молекулами воздуха, может быть в первом приближении определено по формуле:

где - плотность атмосферы; V- скорость КА на орбите; - коэффициент аккомодации; Q_мол - величина, существенная для высоты менее 300 км; при Н = 300 км, Q_мол= 15 Вт/м².

    Коэффициент аккомодации учитывает степень  упругости столкновения молекул с корпусом космического аппарата: к = 0, происходит упругое столкновение и не происходит превращения кинетической энергии в тепловую; к = 1, при условии, что вся кинетическая энергия превращается в тепловую.

    С увеличением высоты орбиты СС значение Q_K0Jl резко уменьшается и для высот 1 500 км не имеет практического значения. Одним из показателей СТР КА является величина холодопроизводительности :

где - солнечная постоянная на орбите ( = 1,4 кВт/м²); As - коэффициент поглощения солнечной радиации (A_S= 0,15); So - площадь поперечного сечения КА (площадь миделя); Q_ЦА = W_ЦА(1 — ) - количество тепла, выделяемого целевой аппаратурой, можно принять = 0,9 - коэффициент полезного действия целевой аппаратуры; =( W_ЦА + W_КА )(1 - ) -тепловыделение системы энергопитания, здесь     = 0,1 - КПД солнечной батареи; Q_СОС+ Q_СТР = W_КА ; W_ЦА - мощность целевой аппаратуры.

    От  холодопроизводительности в кВт  и срока активного существования КА на орбите T_СAС массу СТР можно выразить:

    Статистические  данные по массе КА и величине m_СТР позволяют составить зависимость

причем  нижнее значение относится к малогабаритным КА с небольшим уровнем тепловыделения и простейшими пассивными СТР. Верхнее  значение относится к КА с большим тепловыделением и сложной двухконтурной, как правило, газожидкостной СТР и с несколькими контурами теплосброса. 

2.   Нестационарность  двухконтурной СТР

    Обеспечение заданного теплового режима газа, циркулирующего в контейнере, производится путем охлаждения его в газожидкостном теплообменнике, в котором избыточное тепло от газа передается жидкому теплоносителю, циркулирующему в замкнутом гидравлическом контуре. Теплоноситель переносит воспринятое тепло на излучательный радиатор, с которого оно рассеивается в пространство.

    Циркуляция  теплоносителя в замкнутом гидравлическом контуре обеспечивается центробежным насосом. Циркуляция газа в контейнере по замкнутому контуру обеспечивается осевым вентилятором.

    Регулирование количества тепла, отводимого из контейнера, осуществляется терморегулятором, который направляет весь теплоноситель на теплообменник при температуре газа выше (20...27) °С и мимо теплообменника - при температуре ниже (13... 17) °С. Внутри этого диапазона терморегулятор плавно изменяет расход теплоносителя через теплообменник и тем самым обеспечивает постепенность регулирования температуры газа в условиях переменных тепловых нагрузок. 

Схема двухконтурной системы терморегулирования: 1 - теплообменник газожидкостный; 2 - клапан обратный; 3 - терморегулятор; 4 - трубка Вентури; 5 - радиатор излучательный; 6 - фильтр; 7 -компенсатор объема; 8 - гидроблок; 9 - измерительный комплекс давления; 10 - перепускной клапан; 11 - чувствительный элемент терморегулятора; 12 - осевой вентилятор; 13 - направление движения газа 

    При выходе из строя терморегулятора  температура газа в контейнере будет либо понижаться, либо повышаться. Если температура газа понизится или повысится, то автоматика с чувствительными элементами по температуре газа выдаст сигнал на перекладку перепускного клапана в положение «закрыт», при этом теплоноситель направляется с терморегулятора на перепускной клапан. Одновременно включается автоматика с чувствительным элементом по каналам сравнения температурного режима и отключается автоматика регулирования.

    Каждая  из систем автоматики является функционально самостоятельной и выполняет одну и ту же операцию - включает резервную схему регулирования расхода теплоносителя через теплообменник. При работе основной схемы регулирования с терморегуляторами обе системы автоматики включены для повышения надежности перехода на резервную схему регулирования. 

Схема газового контура:

1 - теплообменник  газожидкостный; 2 - осевой вентилятор; 3 - терморегулятор; 4 - аппаратура; 5 - термоконтейнер; 6 - направление движения газа 
 

    Автоматический  переход на резервную схему регулирования теплового режима и автоматическое переключение блока по газовому контуру в зависимости от температуры газа в гермоконтейнере обеспечивается блоком управления работы СТР. Для исключения возможного охлаждения газа ниже заданного уровня на газовод устанавливается обогреватель, который включается или отключается по команде блока управления.

    Движение  теплоносителя по замкнутому гидравлическому  контуру двухконтурной газожидкостной системы терморегулирования, как  правило, сопровождается периодическими и апериодическими возмущениями расхода, скорости и давления. Источниками возмущения в таких системах являются колебания тарелей клапанов и мембран чувствительных элементов автоматики, пульсации расхода и давления на выходе из насосов и т. д.

    Возникновение пульсаций давления в элементах гидравлических контуров СТР нарушает нормальное функционирование всей системы, снижает надежность работы узлов системы и является одной из причин разгерметизации соединений. Возникновение колебаний теплоносителя в гидравлических системах связано с несовершенством рабочего процесса нагнетательных устройств, вихреобразованием потока жидкости, автоколебательными процессами в агрегатах автоматики и распределительных элементах. Поэтому при проектировании и экспериментальной отработке гидравлических контуров СТР важным этапом является учет зависимости амплитуд и состава спектра частот при волновых процессах от характеристик узлов цепи для правильного выбора гидравлической схемы, расстановки элементов автоматики и средств гашения волновых процессов.

    Любые изменения расходов вызывают волны  давления, величина которых зависит от размеров и упругих свойств элементов гидросистемы, достигая высоких относительных значений, например, по фрагменту осциллограммы давлений в малорасходном центробежном насосе можно отметить, что амплитуды колебаний А_Рвых и соизмеримы с абсолютным давлением на выходе из насоса Р_н._внх и перепадом . Возникающие пульсации параметров потока в элементах системы вызывают технологические и эксплуатационные отклонения (повышение вибрации магистралей, разгерметизацию стыков и узлов, выход из строя измерительной аппаратуры и т. п.), вызывающие нарушения нормального функционирования системы.

    Компоновку  гидравлической части двухконтурной СТР и проектирование нагнетателей необходимо выполнять на основании обстоятельных теоретических и экспериментальных исследований волновых процессов, настройки отдельных узлов системы и правильного подбора средств демпфирования. Даже при устойчивом режиме работы в системе возникают колебания из-за пульсаций давления на выходе из насоса, которые являются следствием конечного числа лопаток, круговой асимметрии параметров потока в колесе центробежного насоса при периодическом срыве вихрей. Неустановившийся характер течения в насосе создает возмущения с частотами, спектр каждый из которых пропорционален угловой скорости, а отношение амплитуд пульсаций давления - отношению окружных скоростей.