Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Космический корабль

Развитие тепловых труб, особенно тех, которые работают при температуре пара до 200° С, стимулировалось космическими исследованиями в большей степени, чем какими-либо иными. Тепловая труба переменной проводимости наилучшим образом иллюстрирует этот тезис. Могут быть различные варианты применения тепловых труб для космических целей, и рассмотрение их удобнее провести, предварительно сгруппировав тепловые трубы по роду выполняемых задач.

7-4-1. Выравнивание температуры космического корабля. Выравнивание температуры в космическом корабле, в результате которого градиенты температуры в конструкции могут быть сведены к минимуму, т. е. уменьшено влияние внешнего обогрева, такого как солнечное излучение и внутреннего тепловыделения электронных устройств или ядерных источников энергии, было рассмотрено Саважем в обзорной статье [7-4], посвященной различным возможным приложениям основных типов тепловых труб. Возможность использования тепловой трубы, связывающей две паровые камеры на противоположных сторонах спутника, была проанализирована в связи с идеей снижения разности температур между батареей солнечных элементов, обращенной к солнцу, и холодной поверхностью спутника. В случае двустороннего расположения солнечных батарей Саваж предложил крепить их на паровой камере и использовать одну сторону для радиационного охлаждения, соединяя паровую камеру солнечных батарей тепловыми трубами со специальными радиаторами. Катцоф [7-5] предложил другой вариант, в котором трубчатые конструктивные элементы корпуса корабля превращаются в тепловые трубы.

Термен и Мей [7-6] предложили использовать тепловые трубы для обеспечения более равномерного распределения температуры в неравномерно облучаемой оболочке. Кроме того, был проанализирован вопрос об изготовлении почти изотермических конструкций радиаторов с использованием тепловых труб для повышения эффективности отвода отработанной теплоты, а также о применении тепловых труб для передачи теплоты от реактора к термоионному преобразователю энергии. Конвей и Келли[7-7] исследовали возможность реализации замкнутой кольцевой тепловой трубы с многочисленными комбинациями испарительных и конденсиопиру-ющих поверхностей. Труба имела вид тороида с восемью источниками и восемью стоками теплоты. Авторы пришли к заключению, что замкнутая тепловая труба, надлежащим образом связанная с корпусом космического корабля, может оказаться высокоэффективным средством снижения перепадов температур в конструкции.

Киркпетрик и Маркес [7-8] предложили использовать тепловые трубы для обеспечения изотермичности корпуса национальной космической обсерватории и челночного космического корабля. При проведении астрономических наблюдений на орбите возможность предотвращения коробления конструкции спутника приобретает особую значимость.

7-4-2. Охлаждение элементов корабля, регулирование температуры и конструкция радиатора. Тепловые трубы переменной, проводимости наиболее широко используются для отвода теплоты от элементов электронного оборудования и других тепловыделяющих устройств спутников. В этой же сфере находят основное применение и обычные тепловые трубы.

Тепловая труба переменной проводимости в дополнение к обычной функции переноса теплоты, выполняемой простыми тепловыми трубами, позволяет регулировать температуру объекта в узких пределах. Саваж [7-4] обращает внимание на одну специфическую задачу, возникающую в том случае, когда требуется поддерживать температуру определенной подсистемы более низкой, чем у ее непосредственного окружения.

Кетцоф  [7-5]   предлагает окружить весь охлаждаемый прибор пористым материалом (фитилем) и разместить его внутри зоны испарителя тепловой трубы, которая передает теплоту к радиатору. Он также считает, что тепловую трубу наиболее целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется высокоинтенсивное локальное охлаждение в течение очень короткого отрезка  времени,  т.  е.  в  тех случаях, когда время работы охлаждаемых приборов с максимумом нагрузки составляет лишь часть значительно более продолжительного цикла. Профили внутреннего тепловыделения в лампах бегущей волны переменные, причем большая часть тепловыделения приходится на коллектор. В настоящее время  проводятся  исследования тепловых труб, охлаждающих лампу бегущей волны. Эти трубы соединены с пластинами   радиатора   с   целью улучшения его эффективности, а следовательно,  и интенсификации отвода теплоты от 220 Ламп. Европейская организация по космическим исследованиям проводит исследования возможных конфигураций труб для этой цели. Один из возможных вариантов показан ня пис. 7-9.

Интересный тип тепловой трубы разработан Бейсью-лисом £7-9]. Предложенная им тепловая труба «однонаправленного действия» позволяет передавать теплоту в одном направлении, тогда как при переносе теплоты в противоположном направлении она выступает в роли теплового изолятора. Для осуществления этой цели используются многосекционные фитили, которые осушают испаритель за счет ограничения возврата жидкости в одном из направлений. При расположении в активной зоне испарения такой тепловой трубы повышенного числа фитилей, только часть из которых простирается за пределы испарителя, любой подвод теплоты на другом' конце тепловой трубы приведет к быстрому осушению фитиля, так как значительная часть конденсата поступит в секции фитиля, не способные к возврату жидкости в зону нежелательного подвода теплоты. Подобный однонаправленный отвод теплоты был осуществлен от лампы бегущей волны к наружным радиаторам при помощи диэлектрической теплопой трубы.

Одно из наиболее полных и поздних исследований проблемы использования тепловых труб переменной проводимости для регулирования температуры электронных устройств было выполнено Киркпетриком и Маркесом [7-8]. Они спроектировали и изготовили тепловую трубу переменной проводимости, названную эймской экспериментальной трубой, которая обеспечивала постоянство температуры бортовой системы обработки данных путем стабилизации температуры поверхности контакта тепловой трубы с каркасом этой системы на уровне 17±3°С. Отводимая мощность лежала в пределах 10—30 Вт. Фирмой Grumman Aerospace (GA) [7-10] проанализированы другие возможные варианты приложений тепловых труб на космических кораблях. Они включали в себя использование тепловых труб для регулирования температуры жидкости в замкнутых водяных контурах, предназначенных для стабилизации температуры внутреннего пространства космических кораблей. Максимальная отводимая мощность составляла 3,82 кВт. В другом случае тепловые трубы применялись для отвода   теплоты    от   блока    преобразователей   мощностью в 1 кВт. Тепловые трубы припаивались к плитам, на которых крепился выпрямитель. В итоге достигалась экономия 15% массы оборудования и практическая изогермичность поверхности плит. Был обеспечен отвод требуемых 77 Вт.

Киркпетрик и Маркес приводят некоторые очень интересные цифры относительно отводимой энергии в используемых в настоящее премя и в предполагаемых системах. Например, типичная для кораблей серии «Аполлон» плотность энергии составляла 1,2 Вт на погонный сантиметр. Для современной электроники, предназначе-ной для американских космических станций и челночных кораблей, характерны 12 Вт на погонный сантиметр т. е. на порядок большие значения. Обычно охлаждаемая жидкостью холодная плата должна обеспечивать отвод энергии при плотностях, отвечающих условиям кораблей «Аполлон». Но чтобы удовлетворить требованиям завтрашнего дня, в более поздних проектах для обеспечения отвода энергии большей плотности весьма обстоятельно рассматривалась возможность применения тепловых труб, причем наличие тепловых труб интенсифицирует работу холодной платы, которая в состоянии обеспечить отвод до 24 Вт с погонного сантиметра. Предполагается использовать теплопые трубы на челночных кораблях с целью облегчения отвода теплоты от смазочной жидкости, используемой во вспомогательных энергетических агрегатах.

Тернер [7-11], обсуждая возможности применения тепловых труб переменной проводимости, подчеркивает важность следующего обстоятельства: тепловые трубы переменной проводимости (а также другие тепловые трубы) делают возможным непосредственное соединение в тепловом отношении внутренних элементов космического корабля с радиаторами. Совместно с RCA им разработана тепловая труба переменной проводимости, работающая при изменении подводимой мощности от 1 до 65 Вт. На вышеупомянутую техническую возможность, которую можно реализовать с помощью тепловых труб, указывали также Эделстейн и Хембеч [7-12]. Многие современные интегральные электронные модули охлаждаются только путем теплового излучения в космическое пространство через промежуточный излучающий корпус, который не должен иметь элементов, охлаждаемых контактным способом. Из-за этого предопределенного характера теплового взаимодействия изменение в широких пределах тепловыделения оборудования и внешней тепловой нагрузки приведут к значительным изменениям температуры. Тернер предложил использовать тепловую трубу переменной проводимости для прямого соединения в тепловом отношении источников теплоты с пластиной радиатора, которая к тому же окажется работающей в изотермических условиях.

Сколлон [7-13] в GEC создал полномасштабную тепловую модель космического корабля и применил тепловые трубы для решения многих тепловых задач. Он также выбрал модуль слежения земли спутника связи и навигационного спутника в качестве возможного объекта приложения тепловых труб. Высокая интенсивность излучения, падающего на восточные и западные панели спутника, приводят к необходимости использовать суперизоляцию для поддержания температуры этих поверхностей ниж1е заданного предельного уровня. Северная и южная плоскости выполняли в основном функции стока теплоты. С помощью системы внутренних и периферических тепловых труб было обеспечено регулирование температуры в заданных пределах, при этом отводилось до 380 Вт от внутренних источников и до 170 Вт поглощенной солнечной энергии.

7-4-3. Другие случаи применения. Хотя Коттер, по-видимому, был первым исследователем, обратившим внимание иа выделение в тепловой трубе неконденсирующегося газа, Уайэтт [7-14] более быстро оценил возможность применения газосодержащих тепловых труб в космических ядерных энергетических установках. Термен и Мей [7-6] детально разработали эти системы прежде всего применительно к случаю использования тепловой трубы в термоионном генераторе! Тепловые трубы применялись:

1)         в системе охлаждения замедлителя;

2)         для отвода теплоты от реактора при температуре эмиттера,

при   эюм   каждый  топливный   элемент  содержал  тепловую   трубу,

окруженную снаружи топливом;

3)         для   устранения   нежелательных   температурных   градиентов

вдоль эмиттера и коллектора.

Термен и Мей спроектировали также систему, уменьшающую количество выкипающей жидкости при хранении жидких криогенных веществ с относительно высокой температурой кипения (например, жидкого кислорода). Выполненная в виде замкнутого контура тепловая труба использовалась для поглощения и отвода избыточного притока теплоты через бак с криогенной жидкостью в процессе ее длительного хранения в космосе. Разработанная система давала существенную экономию массы.

Предложения Рукиса с соавторами [7-10] По охлаждению космического Челночного корабля после его возвращения на землю, хотя   и   не   предназначены   для   непосредственного   использования в космических условиях, тем не менее представляются весьма существенными и проливают свет на общие для многих сфер проблемы поглощения теплоты. Авторы предложили облегчить с помощью тепловых труб быстрое остывание корпуса челночного корабля как до, так и после его приземления для ускорения его оборачиваемости.

Полезно иметь возможность испытывать в полете тепловые труби, разработанные для спутников, с тем чтобы доказать, что эти устройства могут успешно выдержать условия запуска и отвечают заданным характеристикам в условиях невесомости. Большая часть осуществленных в последнее врем"я экспериментов была проведена с тепловыми трубами, изготовленными в IKE в Штутгарте. В соответствии с так называемым «международным экспериментом по тепловым трубам» указанное устройство было запущено в конце 1974 г. на американской ракете и работало некоторое время в условия» невесомости с последующим возвращением ракеты на землю. Опыт оказался успешным. Это была первая изготовленная в Европе тепловая труба, запущенная в космос.

Более обширная программа была осуществлена и 1972—1973 гг. NASA совместно с GAC [7-15]. Она включала в себя получение данных по поведению о полетных условиях трех тепловых труб диаметром 12 мм, выполненных в виде обруча диаметром 1,22 м и установленных на спутнике, запущенном в августе 1972 г. на орбиту астрономической обсерватории (ОАО-С). Тепловые трубы были призваны обеспечить изотермичность конструкции, на которой, были установлены системы слежения за звездами (последние чрезвычайно чувствительны к любым температурным изменениям в конструкции).

Анализ показал, что разности температур по периметру конструкции обычно снижаются более чем на 75%—примерно до 4°С.

Созданные тепловые трубы имели алюминиевый корпус и использовали в качестве рабочей жидкости аммиак. Применялись три различных типа фитиля. Одна труба имела в стенке простые продольные канавки, другая — продольную артерию [7-16], третья— спиральную артерию   [7-17]. Полное описание этих устройств дано в цитированной литературе. Рабочие температуры изменялись от —20 до +10°С. Максимальная передаваемая мощность доходила до 90 Вт. Расположение тепловых труб показано на 7-10.

Эксперимент длился 9 мес, прежде чем были опубликованы первые результаты. Они показали, что полученные в полете данные отлично согласуются с результатами наземных испытаний. Было также установлено, что тепловые трубы справились с задачей по обеспечению изотермичное конструкции. Никакого ухудшения их характеристик за указанный период не было отмечено.

Другие примеры применения тепловых труб в космической технике приводятся в библиографии  (см. приложение 5).