Эндотермическая система терморегулирования космических аппаратов

Эндотермическая система терморегулирования космических аппаратов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения требуемого температурного режима в герметичных отсеках космических аппаратов и станций. Система терморегулирования (СТР) предназначена для применения на космических аппаратах (КА) в условиях космического пространства, где необходимо поддерживать заданный температурный режим как всего космического объекта, так и его отдельных элементов.

Известна система терморегулирования космического аппарата и орбитальной станции (B64G 1/50, RU 2148540 от 08.02.1999 г.), содержащая контуры охлаждения и обогрева, связанные через жидкостно-жидкостные теплообменники. Тепло из контура обогрева через указанные теплообменники передается контуру охлаждения и излучается с поверхности радиационного теплообменника. Последний снабжен регулятором расхода теплоносителя с шаговым двигателем. В контуре охлаждения имеются два электронасосных агрегата.

Задачей изобретения является повышение эффективности системы терморегулирования в части увеличения ее производительности и минимизации массы обслуживающих подсистем для уменьшения размеров КА. Для этого предлагается использовать магнитно-гидродинамические (МГД) насосы и токопроводящие экзотермические теплоносители.

Анализ структуры существующих 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 и показатели надежности CTP.

Почти вся потребляемая на борту энергия, в конечном счете превращается в тепло. К этому добавляется нагрев солнечным излучением. На космических аппаратах, чтобы избежать перегрева, необходимо активно избавляться от лишнего тепла. Теплоотдача излучением пропорциональна площади поверхности и, по закону Стефана-Больцмана, четвертой степени ее температуры. Чем больше и сложнее аппарат, тем труднее его охлаждать. Дело в том, что энерговыделение растет пропорционально его массе, то есть кубу размера, а площадь поверхности - пропорционально только квадрату. Если спутник увеличился в 10 раз - масса и энергетика выросли при этом в 1000 раз, а площадь поверхности - только в 100. Значит, с единицы площади должно уходить в 10 раз больше излучения. Чтобы обеспечить это, абсолютная температура поверхности спутника (в Кельвинах) должна стать выше в 1,8 раза (4√-10). Например, вместо 293 K (20°C)-527 K (254°C). Понятно, что так нагревать аппарат нельзя. Поэтому современные спутники, выйдя на орбиту, ощетиниваются не только панелями солнечных батарей и раздвижными антеннами, но и радиаторами, как правило, торчащими перпендикулярно поверхности аппарата, направленной на Солнце.

Но сам радиатор - это лишь один из элементов системы терморегулирования. Ведь к нему еще надо подвести подлежащее сбросу тепло. Наибольшее распространение получили активные жидкостные и газовые системы охлаждения замкнутого типа. Теплоноситель обтекает греющиеся блоки аппаратуры, затем поступает в радиатор на наружной поверхности аппарата, отдает тепло и снова возвращается к его источникам (примерно так же работает система охлаждения в автомобиле). В систему терморегулирования, таким образом, входят разнообразные внутренние теплообменники, газоводы и вентиляторы, электронасосы.

В предлагаемом изобретении требуемый технический результат достигается тем, что в отличие от известной СТР, электронасосы и вентиляторы, содержащие трущиеся элементы в своей конструкции, заменены на МГД-насос, устройство, предназначенное для перемещения электропроводящих жидкостей под воздействием магнитного поля и использования токопроводящих экзотермических теплоносителей. Система терморегулирования искусственных спутников показана на Фиг.1, где:

1 - корпус;

2 - магнитогидродинамический насос;

3 - теплообменник;

4 - радиатор;

5 - резервуар теплоносителя;

6 - управляющий клапан;

7 - травящий клапан;

8 - контур охлаждения и обогрева.

Система работает следующим образом: тепло от греющихся блоков аппаратуры КА передается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру охлаждения и обогрева 8. Нагретый теплоноситель после теплообменников 3 подается МГД-насосом 2 на радиатор 4, излучающий тепло в наружное пространство. Для предотвращения выхода системы из строя дополнительно введен резервуар теплоносителя 5 с управляющим клапаном 6. При понижении давления в системе клапан 6 обеспечивает дополнительную подачу теплоносителя, при повышении его происходит стравливание избыточного давления через клапан 7.

В качестве теплоносителя предлагаем использовать тетраоксид азота с добавлением H₂O, жидкость токопроводящую (для работы МГД-насоса) и экзотермическую (при повышении температуры химической смеси идет процесс поглощения тепла).

Тетраоксид азота (N₂O₄) - подвижная жидкость с T_КИП ⁼22,4°C, T_ПЛАВ=-11,2°C, работа с ним при температуре, большей, чем температура кипения, без изменения агрегатного состояния, требует повышения давления в системе (незначительно до 1,5 атм), для снижения же температуры замерзания требуется добавление NO. В чистом виде N₂O₄ ток практически не проводит, добавление небольшого количества воды существенно увеличивает электропроводность, но также вместе с этим повышается коррозионная активность вещества. Эта проблема может быть разрешена введением небольшого количества HF в качестве ингибитора. На стенках магнитодинамического насоса HF образует защитную фторидную пленку, которая предотвращает дальнейшую коррозию. По электропроводности и коррозионной активности N₂O₄ аналогичен оксиду азота (IV) (NO₂). Тетраоксид азота при повышении температуры распадается по уравнению N₂O₄→2NO₂, чем выше температура, тем в большей степени совершается этот распад, при охлаждении же наступает обратная реакция NO₂+NO₂→N₂O₄. Химическая формула эндотермической реакции представлена на Фиг.2. Процесс распада N₂O₄ протекает в интервале температур 27-135°C, реакция является обратимой, обратная реакция протекает при охлаждении вещества 135-27°C. Реакция N₂O₄→2NO₂ является эндотермической и сопровождается поглощением 13 кал тепла. N₂O₄ является токсичным веществом, при обращении с ним необходимо использовать средства индивидуальной защиты кожи и органов дыхания.

Эндотермическая система терморегулирования космических аппаратов, содержащая корпус, контур охлаждения и обогрева, теплообменники, радиатор, отличающаяся тем, что дополнительно введены магнитогидродинамический насос, резервуар теплоносителя, управляющий клапан, травящий клапан и токопроводящий экзотермический теплоноситель.