Проектирование пассивной системы терморегулирования производительностью до 3 кВт тепловыми трубами и активными элементами подогрева для космического аппарата

Авиационная и ракетно-космическая техника


DOI: 10.34759/vst-2022-1-67-80

Авторы

Шилкин О. В.1*, Колесников А. П.1**, Кишкин А. А.2***, Зуев А. А.2****, Делков А. В.2*****

1. АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», ул. Ленина, 52, Железногорск, Красноярский край, 662972, Россия
2. Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, проспект им. газеты Красноярский рабочий, 31, Красноярск, 660037, Россия

*e-mail: shilkin@iss-reshetnev.ru
**e-mail: kolesnikov@iss-reshetnev.ru
***e-mail: spsp99@mail.ru
****e-mail: dla2011@inbox.ru
*****e-mail: delkov-mx01@mail.ru

Аннотация

Представлен методологический подход к проектированию системы терморегулирования космического аппарата (СТР КА) с пассивной прокачкой теплоносителя хладопроизводительностью не менее 3 кВт. Рассмотрены три варианта конструкций. Целью работы является идентификация оптимального выбора конструктивных схем при проектировании СТР КА производительностью до 3 кВт, обеспечивающих требуемые эксплуатационные параметры при минимальных массогабаритных характеристиках.

Результаты проектирования показали преимущество варианта с использованием тепловых труб, у которого удельная массоэнергетическая характеристика составляет ~ 33 кг/кВт. На основании результатов проведенного сравнительного анализа можно сделать вывод, что при тепловой нагрузке оборудования космического аппарата до 3 кВт оптимальной является система терморегулирования, конструктивная схема которой базируется на применении исключительно аксиальных тепловых труб.

Ключевые слова:

выделяемая тепловая мощность, система терморегулирования, тепловые трубы, капиллярный насос, двухфазный контур

Библиографический список

  1. Meseguer J., Pérez-Grande I., Sanz-Andrés A. Spacecraft thermal control. – Cambridge, UK: Woodhead Publishing Limited, 2012. – 413 p.

  2. Gilmore D.G. Spacecraft thermal control handbook. – AIAA (American Institute of Aeronautics & Astronautics); 2nd Revised ed. Edition, 2002. – 836 p.

  3. Крушенко Г.Г., Голованова В.В. Совершенствование системы терморегулирования космических аппаратов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. М. Ф. Решетнева. 2014. № 3(55). С. 185–189.

  4. Чеботарев В.Е., Зимин И.И. Методика оценки диапазона эффективного применения унифицированных космических платформ // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19. № 3. С. 532–537. DOI: 10.31772/2587-6066-2018- 19-3-532-537.

  5. Шилкин О.В., Кишкин А.А., Зуев А.А., Делков А.В., Лавров Н.А. Проектирование системы пассивного охлаждения бортового комплекса космического аппарата // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 2. С. 96-106. DOI: 10.34759/vst-2021-2-96-106

  6. Кауров И.В, Ткаченко И.С., Салмин В.В. Методика проектирования системы обеспечения теплового режима малых космических аппаратов и верификация математических моделей на основе данных телеметрии // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 3. С. 113-129. DOI: 10.34759/vst-2021-2-113-129

  7. Miao J., Zhong Q., Zhao Q., Zhao X. Spacecraft Thermal Control Technologies. – Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2021. – 374 p.

  8. Колесников А.В., Палешкин А.В. Численный метод моделирования внешнего теплообмена космического аппарата с произвольной формой наружных поверхностей // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. № 4. С. 81-89.

  9. Diaz-Aguado M., Greenbaum J., Fowler W.T., Lightsey E.G. Small satellite thermal design, test, and analysis // Defense and Security Symposium, 2006 (Orlando (Kissimmee), Florida, USA). Vol. 6221. DOI: 10.1117/12.666177

  10. Muñoz S., Hornbuckle R.W., Lightsey E.G. FASTRAC Early Flight Results // Journal of Small Satellites (JoSS). 2012. Vol. 1. No. 2, pp. 49-61. URL: https://jossonline.com/wp-content/uploads/2014/12/0102-FASTRAC-Early-Flight-Results.pdf

  11. Алексеев В.А., Кудрявцева Н.С., Малоземов В.В., Пичулин А.С., Титова А.С., Шангин И.А. Математическое моделирование тепловых процессов малогабаритной бортовой аппаратуры // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. № 1. С. 55-61.

  12. Алексеев В.А., Кудрявцева Н.С., Титова А.С. Выбор параметров термокамеры для испытаний антенной решетки негерметичного спутника Земли // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 1. С. 154-162.

  13. Жаренов И.С., Жумаев З.С. Система обеспечения теплового режима микроспутника «ТаблетСат-Аврора»: проектирование и лётная отработка // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22. № 3. С. 63-75.

  14. Вятлев П.А., Сергеев Д.В., Сысоев А.К., Сысоев В.К. Влияние длительного хранения на характеристики элементов терморегулирующих покрытий космических аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 4. С. 222-228. DOI: 10.34759/vst-2020-4-222-228

  15. Hartsfield C.R., Shelton T.E., Palmer B.O., O’Hara R. All-metallic phase change thermal management systems for transient spacecraft loads // Journal of Aerospace Engineering. 2020. Vol. 33. No. 4. DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001150

  16. Ivanushkin M.A., Tkachenko I.S., Safronov S.L. et al. On the results of processing of the telemetry data received from the «AIST» small satellite constellation // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1368. No. 4. DOI: 10.1088/1742-6596/1368/4/042062

  17. Veshkini A., Lee K., Jackson C., Pye C. Modeling Lunar and Martian Environments with Simcenter 3D Space Systems Thermal // 49th International Conference on Environmental Systems – ICES’2019-167 (07-11 July 2019; Boston, Massachusetts). URI: https://hdl.handle.net/2346/84935

  18. Hinterman E., Hoffman J.A. Simulating oxygen production on Mars for the Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment // Acta Astronautica. 2020. Vol. 170, pp. 678-685. DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.02.043

  19. Зуев А.А., Назаров В.П., Арнгольд А.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя в полостях вращения газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 99-115.

  20. Зуев А.А., Пиунов В.Ю., Назаров В.П., Арнгольд А.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя с конвективной составляющей в полостях вращения ТНА ЖРД // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2019. Т. 19. № 2. С. 30-44. DOI: 10.14529/engin190203

  21. Weyburne D.W. Approximate heat transfer coefficients based on variable thermophysical properties for laminar flow over a uniformly heated flat plate // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008. Vol. 44. No. 7, pp. 805–813. DOI: 10.1007/s00231-007-0306-z

  22. Weyburne D.W. New thickness and shape parameters for the boundary layer velocity profile // Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. Vol. 54, pp. 22–28. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2014.01.008

  23. Patil P.M., Roy M., Shashikant A. et al. Triple diffusive mixed convection from an exponentially decreasing mainstream velocity // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 124, pp. 298–306. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.052

  24. Seyyedi S.M., Dogonchi A.S., Hashemi-Tilehnoee M., Ganji D.D. Improved velocity and temperature profiles for integral solution in the laminar boundary layer flow on a semi-infinite flat plate // Heat Transfer –  Asian Research. 2019. Vol. 48. No. 1, pp. 182–215. DOI: 10.1002/htj.21378

  25. Denarie A., Aprile M., Motta M. Heat transmission over long pipes: New model for fast and accurate district heating simulations // Energy. 2019. Vol. 166, pp. 267–276. DOI: 10.1016/j.energy.2018.09.186

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024