Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Храмов Сергей Михайлович. Экспериментальные и расчетные исследования перспективных двухфазных систем обеспечения теплового режима космических аппаратов и их элементов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.07.05 : Москва, 2003 157 c. РГБ ОД, 61:04-5/1199

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Глава 1. Аналитический обзор тенденций развития СТР КА. 11

  1. Современные разработки ДФК для СТР КА. 15

  2. Анализ совремеішогрсостояния разработок по двухфазным системам терморегулирования космических аппаратов и целевой аппаратуры. 18

  3. Состав двухфазного контура терморегулирования. 25

1 А Проект ДФК в качестве IICTO PC МКС. 35

1.5. Структурные схемы построения пассивных СТР КА с использованием ТТ. 37

Глава 2. Аммиак как теплоноситель в ДФ СТР КА. 39

  1. Обоснование выбора аммиака в качестве теплоносителя ДФ СТР КА. 39

  2. Аммиак как, теплоноситель. ...41

  3. Технические требования к аммиаку особой чистоты. 43

  4. Влияние микропримесей в аммиаке на работу ДФК. , 44

  5. Методы контроля чистоты аммиака. 51

  6. Применение ИК - спектрометра высокого разрешения к анализу аммиака на содержание примеси воды. 54

  7. Очистка аммиака от микропримесей. 60

  8. Подготовка поверхностей к заправке аммиаком особой чистоты. 65

2.9. Устройство для заправки ДФК аммиаком особой чистоты. 67

Глава 3. Исследования пассивных СТР КА и ТТдля СТР КА. 73

  1. Область применения ТТ в СТР К А. 73

  2. Технология изготовления аммиачных ТТ. 74

  3. Тепловые испытания ТТ. 78

  4. Расчетные и экспериментальные исследования силовой сотовой панели с ТТ. ..85

  5. Экспериментальные исследования тепловой трубы с тепловым гидроаккумулятором. 100

Глава 4. Экспериментальная отработка ДФ СТР К А. 109

  1. Цели экспериментальных исследований ДФК на установке ЛЭУ-IM. 109

  2. Схема летной экспериментальной установки ЛЭУ-1.М. 110

  3. Система управления и измерений 112

  4. Результаты наземных экспериментов. 114

  5. Полученные результаты наземных исследований и их анализ. 115

  6. Результаты летных исследований и их анализ. 126

  7. Сравнительный анализ результатов летных и наземных экспериментов. 145

Выводы. 147

Список использованных источников 149

Список сокращений и основных условных обозначений.

КА - космический аппарат,

СОТР - система обеспечения теплового режима,

ТТ - тепловая труба,

МКС - российский сегмент международной космической станции,

ДФК -двухфазный контур,

ЦСТО — Централизованная система теплоотвода,

РГО - радиационный теплообменник,

ТГА - гидроаккумулятор с тепловым регулированием,

ССП - силовая сотовая панель с тепловыми трубами,

ЛЭУ - летная экспериментальная установка,

ИК - инфракрасный,

НКГ - неконденсирующиеся газы,

ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли,

ОКС - орбитальная космическая станция,

ОФ - однофазный,

ДФ - двухфазный,

СТР - система терморегулирования,

ДФККН - двухфазный контур с капиллярным насосом,

КН - капиллярный насос,

осч — особая чистота,

СОЖ - смазывающе — охлаждающая жидкость,

ИФС — инфракрасный Фурье — спектрометр,

ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция,

ТИБ - тепловой имитатор блока оборудования,

ЭН - электронагреватель,

ТО — теплообменник,

ЭМК - электромагнитный клапан,

ТП - термоплата,

Re - число Рейнольдса,

Nu - число Нуссельта,

Рг — число Прандтля,

Ja - число Якоба,

ЭНА - электронасосный агрегат,

Q - тепловой поток,

G - массовый расход, г/с,

с — теплоемкость, относительная концентрация,

Т - температура,

г - скрытая теплота парообразования, радиус,

х — координата, массовое паросодержание,

N — электрическая мощность,

L - длина,

К - удельньгіі коэффициент теплопереноса, коэффициент теплоотдачи, коэффициент

поглощения, проницаемость пористого фитиля,

М - масса,

Г| — коэффициент полезного действия,

Э - безразмерная температура, угол,

X - коэффициент теплопроводности, Вт/Км,

ц. - динамическая вязкость,

р - плотность,

а — коэффициент теплообмена, летучести,

р - коэффициент теплового расширения,

6 - толщина пластины,

)-угол,

v - волновое число,

т - оптическая плотность, время,

а - коэффициент поверхностного натяжения,

р - давление,

J - интенсивность излучения,

у — полуширина линии поглощения,

A, F - площадь,

к - постоянная Больцмана,

q - плотность теплового потока,

R - универсальная газовая постоянная, термическое сопротивление,

а — скорость звука, коэффициент температуропроводности,

А, В, С - коэффициенты,

V - объем.

Введение к работе:

Анализ проектов перспективных КА показывает превалирующее влияние двух направлений: повышением мощности бортовой радиоэлектронной аппаратуры, увеличением габаритов и длительности функционирования космических аппаратов (КА), и все более широким применением малых спутников для решения различных задач. Важное место в ряду служебных систем КА занимает система обеспечения теплового режима (СОТР), совершенствование которых позволяет повысить массовую и энергетическую эффективность КА. В связи с этим становятся актуальными вопросы снижения массовых и энергетических характеристик служебных систем КА, обеспечивающих выполнение программ полетов, обеспечение высокого ресурса (до 15...20лет) и надежности СОТР. Соответственно с тенденциями развития КА в области СОТР намечено два пути совершенствования: для КА с высоким энерговооружением (более 5 кВт) предлагается использовать двухфазные (испарительно-конденсационные замкнутые контуры), для малых КА целесообразно широкое применение пассивных СОТР на базе тепловых труб (ТТ).

В конце 1970-х и начале 80-х г. в РКК «Энергия» и ряде фирм в США начались работы над принципиально новой СОТР, использующей двухфазный контур теплопе-реноса в подсистеме терморегулирования. Интенсивность этих исследований и объемы их финансирования в России существенно возросли при проведении проектных и экспериментальных работ по созданию PC МКС (с начала 1990-х г.г.). Хотя основные принципы построения ДФК были к этому времени уже сформулированы, в этот период было развернуто широкое взаимодействие ряда научных и производственных организаций по выбору оптимальных конструкций агрегатов, их изготовлению, созданию экспериментальных контуров ДФК на лабораторных стендах, разработке методик наземной отработки как отдельных агрегатов, так и ДФК в целом.

В РКК «Энергия» были разработаны чертежи и изготовлены основные агрегаты ДФК (в том числе и для лабораторно-экспериментальных установок). В Центре Келдыша разработан и создан мощный аммиачный стенд, который предназначен для отработки ДФК и содержит основные агрегаты контура: гидроаккумулятор с тепловым регулированием, теплообменники-конденсаторы, теплообменники-испарители, электромеханический насос, клапанно-запорную арматуру, электронагреватели, измерительную систему. На стенде сделан акцент на использовании натурного теплоносителя - аммиака особой чистоты. Этот стенд позволил отработать не только тепловые, но и химико-технологические вопросы применения аммиака особой чистоты. Были заложены основы летного эксперимента по исследованию ДФК, который был выполнен в июле-сентябре 1999 г. При проведении летного эксперимента в Центре Келдыша в режиме сопровождения проводились эксперименты, аналогичные летным. Проведение таких экспериментов позволило провести сравнительный анализ параметров работы ДФК в наземных и натурных условиях.

Программно-математическое обеспечение для расчета характеристик ЦСТО с центральным радиационным теплообменником в натурных условиях полета станции разрабатывалось в ЦНИИМаш, математические модели для расчета теплогидравличе-ских процессов в ДФК были созданы в ХАИ, математические модели отдельных агрегатов ДФК и необходимые расчеты выполнялись в РКК «Энергия», МГТУ им. Н.Э.Баумана, ИТМО.

Разработка негерметичных КА с СОТР на базе ТТ, широкое применение ТТ в радиационных теплообменниках (РТО) потребовало проведения серии экспериментов с ТТ в части определения параметров их работы как независимо, так и в составе изделия. В Центре Келдьппа ведется разработка участка для серийного выпуска штатных аммиачных ТТ для КА, в процессе разработки этого рабочего места решаются технологические и научные проблемы в части проведения заправки и испытаний ТТ.

7 Актуальность темы.

Использование двухфазного аммиака существенно интенсифицирует теплопе-ренос, в связи с чем СОТР с двухфазным теплоносителем обладает значительным преимуществом перед традиционными однофазными жидкостными системами терморегулирования по потреблению энергии, массе и габаритам. Однако при этом возникает ряд проблем, связанных как с присутствием фазовых превращений рабочего тела, так и с влиянием фактора невесомости. К элементам, чувствительным к влиянию гравитации, относятся: гидроаккумулятор с тепловым регулированием (ТГА), теплообменник-конденсатор, теплообменник-испаритель, магистрали с двухфазным потоком, тепловые трубы.

В настоящее время отечественная и зарубежная космическая промышленность не имеет опыта разработки ДФК крупных КА. Полномасштабный натурный эксперимент чрезвычайно дорог. Физическое моделирование на земле требует специального обоснования его адекватности. В этих условиях возрастает актуальность задачи физического моделирования ДФ СОТР как на земле, так и в условиях микрогравитации в процессе проектирования СОТР КА.

Целью работы является получение теоретических и экспериментальных данных по работе СОТР и его элементов в условиях космического полета и наземных испытаний, обеспечивающих выработку правильных научно-технических решений для реализации их на перспективных КА. Исследование и совершенствование двухфазных контуров систем терморегулирования космических аппаратов и СТР КА с тепловыми трубами.

При проведении исследования решались следующие задачи:

1) Обеспечение требуемой для длительного ресурса СОТР чистоты аммиака в ДФК и ТТ, в частности: выработка требований к теплоносителю ДФ СТР КА; разработка методов и методик получения теплоносителя (аммиака особой чистоты); разра-

8 ботка методов и методик контроля чистоты аммиака; разработка методик подготовки внутренних полостей ДФ СТР КА к работе в среде аммиака особой чистоты; проведение экспериментальной отработки предлагаемых методик; разработка, изготовление и экспериментальная отработка установки для заправки ДФ СТР КА.

  1. Отработка технологии изготовления аммиачных тепловых труб для СТР КА в части их заправки и проведения тепловых испытаний ТТ, в том числе и ресурсных. Разработка методического обеспечения и апробация предложенных методик. Расчетное и экспериментальное исследование силовых сотовых панелей с тепловыми трубами (ССП с ТТ), как наиболее перспективных элементов СТР негерм етичных КА. Разработка и экспериментальная отработка способа высокоточной термостабилизации зоны испарения ТТ при помощи теплового гидроаккумулятора.

  2. Проведение сравнительного анализа данных летного и наземного эксперимента с установкой ЛЭУ-1М. Определение интегральных параметров её работы и параметров работы отдельных элементов (ТГА, испарителей, теплообменников - конденсаторов).

В ходе решения сформулированных задач были получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

  1. Разработана методика получения представительных проб аммиака в газовой фазе для ИК - спектрометрического экспресс - анализа концентрации микропримеси воды в жидком аммиаке особой чистоты;

  2. При проведении заправки ДФК установки ЛЭУ-1М в условиях полигона получены экспериментальные данные по динамике уменьшения примесей в аммиаке при проведении многократной промывки контура;

  3. В результате проведенных экспериментальных и расчетных исследований СТР КА на основе силовых сотовых панелей с ТТ определены основные параметры работы ССП с ТТ и сделаны рекомендации по расчету ССП и СТР на базе ССП;

  1. Предложен способ термостабилизации зоны испарения ТТ при помощи ТГА, проведена его экспериментальная отработка;

  2. Предложен тепловизиоиный способ контроля длины блокированной НКГ зоны конденсации тепловых труб, приведены результаты его апробирования;

6. Проведены экспериментальные исследования параметров работы ДФК установки
ЛЭУ-1М и отдельных её агрегатов при наземных и летных экспериментах. Получены
данные сравнительного анализа параметров работы ДФК на Земле и в условиях мик
рогравитации.

Автор защищает положения, определяющие научную новизну работы.

Практическая ценность работы. I. Впервые получены количественные данные по примесям воды в аммиаке при использовании ИК - спектрометрического метода экспресс - анализа.

  1. Даны рекомендации по проектированию и расчету пассивных СОТР на базе ССП и ТТ для негерметичных спутников.

  2. Предложен метод термостабилизации зоны испарения ТТ, позволяющий обеспечить высокогочную термостабилизацию агрегатов КА, что может использоваться для КА ДЗЗ и проч.

  3. Проведенным анализом параметров работы ДФК при наземных и летных испытаниях показана идентичность результатов испытаний, чем подтверждена адекватность отработки ДФК в наземных условиях.

Диссертационная работа выполнена в ФГУП «Центр Келдыша» в рамках тем: НИР «ТРЭКА-2», «ТЕПЛО-КА», ОКР «МИР-МАК», «МКС-МАК», «Багор».

Результаты диссертационной работы внедрены: в Центре Келдыша при создании аммиачного стенда, участка для заправки ТТ, установки для заправки ДФК аммиаком особой чистоты.

Достоверность и обоснованность предложенных в работе моделей, эмпирических зависимостей, методик и рекомендаций подтверждается достаточной точностью измерений, использованием общепризнанных методик обработки экспериментальных данных, сопоставлением результатов расчетов с данными экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались:

на конференции «Мирный космос и будущее человечества» в 2001 г,

12th International Heat Pipe Conference, May 19-24, 2002, Moscow,

на конференции студентов и аспирантов МФТИ в 2002г;

на заседаниях секции НТС отделения 6 ФГУП «Центр Келдыша»;

5 Минский международный семинар «Тепловые трубы. Тепловые насосы. Холодильники», Минск, 2003г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 заявки на патент на изобретение, 18 НТО ФГУП «Центр Келдыша».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы 156 страниц машинописного текста, в тексте содержится 45 рисунков, 15 таблиц. Библиография содержит 81 наименование.

1] Глава 1. Аналитический обзор тенденций развития СТР КА.

Рост тепловыделении и требований к точности термостабилизации бортового оборудования КА и ОКС, а также переход на негермегичные конструкции беспилотных КА, приводит к тому, что традиционные однофазные системы терморегулирования (СТР) становятся весьма громоздкими и малоэффективными по сравнению с перспективным двухфазным контуром терморегулирования (ДФК) и пассивными средствами обеспечения теплового режима КА [1].

Заданную точность терморегулирования в СТР с тепловыделением Q при использовании однофазного теплоносителя можно обеспечить, выбирая соответствующий расход G (кг/с) теплоносителя с теплоёмкостью Ср:

G = Q/(AT-CP), (1) где ДТ — допустимый перепад температуры теплоносителя. Теплоемкость Ср традиционных жидких теплоносителей колеблется в диапазоне 680...4800 Дж/(кг- К). Согласно требованиям по точности поддержания температуры допустимое изменение температуры теплоносителя в контуре ДТ« 5К. Из (I) видно, что с ростом тепловыделения пропорционально растет расход теплоносителя и, соответственно, мощность прокачивающего насоса, диаметры трубопроводов, масса системы.

Использование кипящего двухфазного теплоносителя позволяет подводить и отводить теплоту практически изотермически при фазовом переходе. Расход теплоносителя приближенно можно определить по известной формуле:

G = Q/r, (2) где Q - отводимая СТР мощность,

г - скрытая теплота парообразования теплоносителя.

Тепловой поток, переносимый одним граммом теплоносителя, при использовании фазового перехода на несколько порядков превышает тепловой поток в однофазных системах терморегулирования [2]. Поэтому необходимый расход двухфазного теплоносителя много меньше расхода теплоносителя в однофазной системе, и, следовательно, уменьшаются диаметр и масса трубопроводов и арматуры.

Если тепловыделение будет превышать определенное по формуле (2) значение, то возможен перегрев пара. С целью недопущения перегрева расход теплоносителя выбирают немного выше рассчитанного по этой формуле таким образом, чтобы массовое паросодержание х на выходе из испарителей не превышало 0.6.. .0.8.

На рис.1.1 приведено сравнение ДФ и ОФ СТР по объемному расходу теплоносителя.

' одиоф азн -— д в у х ф а з н

г і

Величина тепловой нагрузки, кВт

Рис. 1.1. Сравнение расходов однофазной и двухфазной системы терморегулирования по объемным расходам теплоносителя! 1].

Преимущества двухфазного теплоносителя и СТР с ним также определяются: более высокими коэффициентами теплоотдачи при кипении и конденсации по сравнению с теплопередачей в однофазном потоке, и, как следствие, снижением массы и габаритов теплопередающих устройств;

простотой термостабилизации участков сбора и сброса теплоты, малыми разностями температур между ними; возможностью реализации пассивного способа регулирования.

Для сравнения теплообменных контуров с одно- и двухфазными теплоносителем используется целый ряд количественных и качественных критериев:

> масса СТР;

V геометрические характеристики системы;

потребляемая мощность N„ насоса для прокачки теплоносителя при заданных тепловыделении Q, расстоянии теплопереноса L и требованиями к точности термостабилизации;

точность термостабилизации всех объектов при изменяющейся мощности и раз-

личной конфигурации тепловыделения и другие, вытекающие из технических требований для конкретных КА. Предложено [I] также использовать объединенный критерий -удельный коэффициент переноса теплоты Кт (Вт м/кг):

KT=QL/M (4) Потребляемая мощность насоса может быть легко определена из выражения:

(5)

Nh =

Где: гін— КПД насоса; р - плотность теплоносителя в жидкой фазе; ДР - гидросо-спротивление. Сравнение затрат энергии на прокачку теплоносителя для ОФ и ДФ СТР приведено на рис.] ,2.

о

В' о

Отводимая СТР мощность, кВт

Рис. 1.2. Сравнение затрат энергии на прокачку теплоносителя для однофазных СТР при ДТ=5С (3), ДТ=40С (2) и двухфазной СТР (!).[!]

14 Экономия массы СТР при использовании двухфазного теплоносителя будет всегда, однако ее величина может меняться в очень широком диапазоне: от нескольких десятков до нескольких сот процентов [3]. Зависит это от целого ряда факторов, но, в первую очередь, от мощности тепловыделяющей аппаратуры, линейного удаления источников тепловыделения от агрегатов сброса тепла и типа выбранного ДФК. По проведенным оценкам, экономия массы СТР мощностью Q=25 кВт составит до 50% [4]^С2].

Справедливо будет сказать и о дополнительных трудностях, связанных с переходом на двухфазный теплоноситель. Так, гидросопротивление и теплоотдача двухфазного потока при малых скоростях течения зависят от наличия поля массовых сил [в]. Что, в связи с отсутствием достоверной теории о влиянии силы тяжести на процессы теплопередачи и достаточного количества экспериментальных данных, требует при проектировании элементов ДФК проведения летных экспериментов и экспериментальной отработки в наземных условиях. В контур включены элементы (испарители, конденсаторы и др.), ранее не используемые в ОФ СТР. Гидросопротивление тепло-обменников-испарителеей, в отличие от рекуперативных теплообменников с однофазным теплоносителем, существенно зависит от тепловой нагрузки, что затрудняет проектирование теплособирающих сетей. Наличие в ДФК нескольких упругих объемов, возможная немонотонная гидравлическая характеристика обогреваемых участков делают систему склонной к генерации колебаний или апериодической неустойчивости. Определенные проблемы могут представлять и возможная кавитационная эрозия, необходимость отделения неконденсирующихся газов, шум, возникающий при течении теплоносителя, его конденсации или кавитации. Но, несмотря на указанные недостатки, ДФ СТР являются в настоящее время перспективным направлением развития СТР КА.

Другим, не менее бурно развивающимся направлением совершенствования СТР КА, является широкое внедрение высокоэффективных тепловых труб и контурных те-

пловых труб в СТР КА. Для КА негерметичного исполнения с тепловыделением до нескольких кВт возможно применение полностью пассивных СТР, в которых сбор, транспортировка тепла и его сброс осуществляется при помощи ТТ.

Подобные работы
Чин Сыси
Метод комплексной оптимизации исследования характеристик элементов и систем авиационных ГТД на основе модифицированного планирования эксперимента
Надирадзе Андрей Борисович
Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и системы космических летательных аппаратов
Ткач Владимир Владимирович
Исследование работоспособности вращающихся деталей агрегатов питания ЖРД методом конечных элементов
Олисевич Олег Вячеславович
Разработка математических моделей и расчетно-экспериментальное исследование дизельных аккумуляторных топливных систем с электрогидравлическими форсунками
Пигарина Анастасия Алексеевна
Разработка и исследование электрогидравлической форсунки для аккумуляторной системы топливоподачи автомобильных быстроходных дизелей
Седельников Геннадий Дмитриевич
Совершенствование энергосберегающих систем малооборотных дизелей на основе параметрической и схемной оптимизации и исследования статических характеристик
Чувашев Александр Николаевич
Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи
Биктимиров Радик Ленарович
Унифицированное математическое и программное обеспечение автоматизированной системы испытаний двигателей внутреннего сгорания
Михайлова Виктория Львовна
Математическое и программное обеспечение для исследования фрикционных автоколебаний релаксационного типа в системах управления с упругими элементами
Саблинский Александр Игоревич
Разработка и исследование пенно-вихревого аппарата с коническим перфорированным контактным элементом

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net