Расчет системы охлаждения спутника и малорасходного насоса для нее

б)   расчетами случай "Переохлаждение" - орбита с максимальным временем тени Земли, внешний тепловой поток минимальный, внутренние тепловыделения минимальные (дежурный режим работы БА), условия теплоотвода наилучшие (максимальные расхода теплоносителей).

    По результатам расчета   PC "перегрев" определяется необходимая площадь радиатора СГР, параметры теплообмена по теплоносителям (требуемые расходы и напоры в циркуляционных системах), точки настройки чувствительных элементов на охлаждение, потребная масса к энергетика.

    По  результатам расчета PC "переохлаждение" определяются параметры теплоизоляции, необходимая мощность на электрообогрев, точки срабатывания автоматики по защите от возникновения минимально допустимых температур, уточняется потребная масса и энергетика СТР.

    Соотношение поступающих    внешних и  внутренних тепловых потоков и сбрасываемых с поверхности КА тепловых потоков, что составляет тепловой баланс КА может быть различным:

    - положительным, когда поступающие  потоки превышают теплосброс, в  этом случае температура КА растет и может превысить допустимую;

    - "нулевым", когда тепловое равновесие  достигается при допустимых температурах;

    - отрицательным, когда теплосброс  превышает поступающие тепловые  потоки и температура снижается  и равновесное состояние достигается на недопустимо низких температурах.

    Поэтому, основной задачей системы терморегулирования является истечение теплового равновесия КА при допустимом изменении его  температур, т.е.  система терморегулирования должна: при положительном тепловом балансе отводить избыточное тепло, а при отрицательном балансе - компенсировать дефицит тепловой энергии. В связи с этим различают регулируемые утечки тепла и нерегулируемые.  Если регулируемые утечки тепла   связаны с функционированием системы терморегулирования, то нерегулируемые утечки - это, прежде всего, потери тепла через теплоизоляцию и незакрытые    теплоизоляцией поверхности КА (различные фермы,  кронштейны, узлы).

    Большинство структур строится на принципе регулирования отвода тепла,  при этом, поддержание требуемого температурного диапазона производится путем изменения интенсивности теплообмена с поверхностью радиатора: излучательного радиатора, если есть непосредственная тепловая связь терморегулируемого элемента с космосом,  то сама поверхность элемента (прибора)  используется для терморегулирования, если используются промежуточный теплоноситель, то может изменяться интенсивность теплообмена радиатор-теплоноситель, теплоноситель- элемент (прибор); внутреннего радиатора-теплобменника - в случае,

если  применяются несколько теплоносителей (например, газ-газ,  газ-жидкость, жидкость-жидкость).  Регулироваться может также интенсивность  теплообмена радиационной поверхности  с космосом, так называемые, структуры СТР с жалюзи, в которых изменяется эффективная поверхность излучения F_эф (при снижении температуры до установленного предела жалюзи закрывают поверхность или часть поверхности с высокой степенью излучения  , жалюзи изготавливаются из теплоизоляции или материалов с низким коэффициентом излучения     ) из   Al.

    В том случае, когда в силу каких-либо причин функционального характера (например, длительного дежурного  режима, снижения тепловыделения блоков   бортовой аппаратуры) или конструктивных причин (нарушение теплоизоляции) возникают нарушения теплового баланса и возникает дефицит тепловой энергии, в рассматриваемых структурах СТР применяются электронагреватели.

    Электронагреватели  могут применяться: как функциональные устройства - компенсационные электронагреватели,  включаемые при переходе аппаратуры в дежурный режим или при регулируемом электрообогреве элементов - как штатные устройства терморегулирования; как аварийные устройства для предотвращения снижения температуры ниже допустимой.

    Применяются также структуры СТР, регулирующие не только тепло-отвод, но и подвод тепловой энергии, имеющие в своем составе не только "холодные", но и "горячие" радиаторы.  Такая структура СТР применена на телевизионном спутнике связи "Молния", где в качестве "горячего" радиатора используется стационарная панель солнечной батареи,  имеющая постоянную ориентацию на Солнце.  В этом случае дефицит тепловой энергии восполняется дополнительным солнечным теплом, которое воспринимает теплоноситель-жидкость и переносит его в теплообменник для нагрева газа в герметичном приборном контейнере. В качестве "горячего" радиатора можно использовать любую,  ориентированную на Солнце  поверхность, так на КА "Марс-Венера" используется поверхность антенны, а теплоносителем является газ, циркулирующий в специальных   каналах,  встроенных в конструкцию антенны.

    Существуют  два основных метода теплового обеспечения: централизованный метод, когда критичные  к температурному режиму приборы  объединяются в единый приборный  блок и комплектуются в специальном приборном герметичном контейнере; и децентрализованный метод, когда терморегулирование каждого прибора осуществляется индивидуальными средствами.

    Наибольшее  распространение в отечественной  практике получил централизованный метод теплового обеспечения в силу общности температурных требований для большинства приборов космической техники, более благоприятных внешних условий для безотказной долговременной работы аппаратуры, к этим условиям относятся:

узкий диапазон температур; как правило, в  диапазоне от 0 до 40 °С, почти земной диапазон давлений   0,9-1,2 атм, газовая среда, состоящая из 95 % азота и 5% кислорода, возможность конвективного отвода тепла от радиоэлементов с интенсивностью, близкой к естественной конвекции, а также возможность принудительного обдува тепловыделяющих элементов. Приборный герметичный контейнер является также и защитой приборов от различного ряда излучений и частиц.

    Однако  этот путь   наиболее массов и  энергоемок, тем не менее он остается превуалирующим.

    Метод индивидуального, автономного теплового обеспечения паи-. большее распространение получил в зарубежной космонавтике, но он предполагает более жесткие условия для функционирования РЭА;

достаточно  широкий диапазон температур (250 °С), непосредственное воздействие окружающей среды (космоса), ,низкоэффективные методы отвода тепла от тепловыделяющих элементов (в основном теплопроводность).

    При выборе структуры теплового обеспечения  эти два метода используются практически во всех конструктивно-компоновочных решениях КА связных спутниковых систем при   превуалировании централизованной структуры.

    Основным  классификационным признаком СТР  КА принято считать наличие или  отсутствие изменения параметров,  определяющих тепловой баланс КА посредством  различных электронных электро-механических или тепловых устройств. По этому признаку различают два основных типа СТР.         ПАССИВНЫЕ СТР, для которых в процессе поддержания требуемого теплового режима условия теплообмена не меняются,  при этом естественное изменение параметров структуры СТР не считается регулирующим фактором.

    Пассивные СТР являются наиболее простым видом  систем,  включают а себя ограниченный перечень параметров тепловой схемы, подлежащий выбору - это терморегулирующие покрытия,  теплоизоляция, электрообогрев, последний может быть использован в различных режимах как компенсационный электрообогрев или как вспомогательный для обеспечения минимального уровня температур.

    СТР зарубежных КА в основном пассивного типа, что позволяет обеспечивать довольно низкие массовые затраты на терморегулирование и длительные сроки службы КА, но требует особого уровня  развития радиоэлектроники и низкую удельную энергетическую нагрузку на едини-цу отводимой теплоповерхности.

АКТИВНЫЕ  СТР, в структуре которых в  процессе работы предусмотрена возможность менять параметры внешнего теплообмена, интенсивность внутреннего теплообмена.

    Активные  СТР, как правило, это сложные  системы автоматического регулирования  температуры с комплексом электронных  приборов, чувствительных элементов и электромеханических исполнительных устройств.

    Активные  СТР могут быть одно и многократными  по количеству несмешиваемых теплоносителей в контурах.

    Этот  тип СТР представляет собой двухконтурную  газо-жидкостную структуру, к которой  первичный теплоноситель - газ в  герметичном контейнере снимает избыточную тепловую энергию с приборов путем обдува их внешних поверхностей и затем передает его промежуточному теплоносителю - жидкости в специальном жидкостно-газовом теплообменнике от газа, а также избыточное тепло от приборов, имеющих непосредственное  жидкостное охлаждение, переносит его на наружный излучательный радиатор, с которого происходит сброс тепла в космическое пространства.

    Циркуляция  теплоносителей в контурах производится: в газовом контуре - осевым вентилятором; в жидкостном (гидравлическом) контуре - гидронасосами центробежного типа.

Обеспечение теплового или термического регулирование  в двухконтурной газожидкостной СТР может осуществляться по двум направлениям:

а)   регулирование теплообмена между  теплоносителями в жидкостно-газовом теплообменнике;

б)  регулирование  интенсивности теплообмена с  наружным излучательным радиатором и через него с космическим  пространством.

    Регулирование теплообмена между теплоносителем в жидкостно-газовом теплообменнике и регулирование интенсивности теплообмена с космосом изменением интенсивности циркуляции жидкости теплоносителя в каналах наружного излучательного радиатора СТР осуществляется путем установки в гидравлический контур регуляторов расхода жидкости прямого действия или дискретных регуляторов, имеющих управление от чувствительных элементов, реагирующих на уровень температуры какого-либо теплоносителя. Электронный канал регулирования системы может иметь автономный блок управления или иметь управление от бортовых управляющих систем (БЦВМ).

    С целью наглядного представления  о наиболее существенных теп-ловых связях, внешних и внутренних тепловых воздействиях, структуре системы терморегулирования в практике теплового проектирования разрабатывается "тепловая схема аппарата. 
 
 

2.7 Тепловая схема  аппарата 

    При централизованном методе теплового  обеспечения из-за отсутствия съема тепла с тепловыделяющих элементов за счет естественной конвекции вследствие влияния невесомости нагрев газа,  окружающего прибор, будет происходить только в небольшой пристеночной области, что безусловно   приведет к перегреву прибора. Исходя из этого необходимо принимать специальные меры по интенсификации теплообмена,  т.е.  организации вынужденной конвекции путем обдува приборов потоком газа - теплоносителя.

    Направленное  движение газа в приборном отсеке организуется осевыми вентиляторами  и специальной конструкцией газовода, который представляет собой как  бы повторение оболочки приборного отсека, установленной с определенным зазором.

    С точки зрения улучшения теплообмена искусственной (вынужденной) конвекции желательно в качестве среды-теплоносителя применять газы с минимальным молекулярным весом, такие как гелий, водород, которые благодаря своим теплофизическим свойствам позволяют добираться максимальной интенсификации процессов теплообмена при этих же затратах электроэнергии на движение (энергопотребление вентилятора), чем какие-либо газы.

    Однако  при использовании в качестве теплоносителя, обладающего повышенной проникающей способностью, к герметичности приборного контейнера КА предъявляются повышенные требования,  выполнение которых связано с техническими трудностями и кроме того следует иметь ввиду, что не все радиоэлектронные элементы (особенно лампы, транзисторы) могут работать в среде.

    Исходя  из соображений, диктуемых возможностями технического и технологического порядка, выбран азото-кислородный состав.

    Вентиляторы, устанавливаемые в приборных  отсеках КА, могут быть по характеру  работы подразделены на 2 типа; для вентиляции КА

так называемые "перемешивающие" вентиляторы и "основные" вентиляторы, задачей которых является организация теплосъема с аппаратуры и переноса тепла к радиаторам СТР.

    Процесс отвода избыточной тепловой энергий  от приборов посредством вынужденной конвекции описывается известным критериальным уравнением Ньютона: