научная статья по теме БЕСКАРКАСНЫЕ СИСТЕМЫ ОТВОДА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В КОСМОСЕ: УСПЕХИ ОТРАБОТОК И НЕРЕШЕННЫЕ ЗАДАЧИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «БЕСКАРКАСНЫЕ СИСТЕМЫ ОТВОДА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В КОСМОСЕ: УСПЕХИ ОТРАБОТОК И НЕРЕШЕННЫЕ ЗАДАЧИ»

№ 4

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 629.78.085

БЕСКАРКАСНЫЕ СИСТЕМЫ ОТВОДА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В КОСМОСЕ: УСПЕХИ ОТРАБОТОК И НЕРЕШЕННЫЕ ЗАДАЧИ

© 2015 г. Н. В. БОНДАРЕВА1, Л. М. ГЛУХОВ2, А. А. КОРОТЕЕВ1, В. Г. КРАСОВСКИЙ2, Л. М. КУСТОВ2, Ю. А. НАГЕЛЬ3, А. А. САФРОНОВ3, Н. И. ФИЛАТОВ3, Е. А. ЧЕРНИКОВА2

1Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ 2Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (ИОХРАН), Москва 3 Государственный научный центр РФ — федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша " (ГНЦФГУП "Центр Келдыша"), Москва E-mail: chkt@yandex.ru

Рассмотрено современное состояние концепции бескаркасных систем отвода низкопотенциального тепла космических энергетических установок нового поколения, характеризующихся повышенной мощностью, малой метеоритной уязвимостью и длительными сроками активного существования. Проведен анализ результатов выполненных исследований, подведены промежуточные итоги работ в части: синтеза новых сверхвысоковакуумных рабочих тел, пригодных для работы в открытом космосе в заданном диапазоне изменения температур; обеспечения требуемых закономерностей диспергирования теплоносителя; поддержания постоянства траекторий движения капель на участке пролета в открытом космосе; профилирования геометрии и структуры мелкодисперсной капельной пелены. Обоснована необходимость активизации работ по всем ключевым направлениям соответствующей тематики для обеспечения возможности создания новых космических энергетических установок, характеризующихся мегаваттными уровнями мощности.

Ключевые слова: бескаркасная система отвода низкопотенциального тепла, капельный холодильник-излучатель, космическая энергетическая установка, сверх-высоковакуумное рабочее тело, диспергированная капельная пелена.

FRAMELESS SYSTEMS FOR LOW-GRADE HEAT RELEASE IN SPACE: SUCCESSES OF REFINEMENT AND UNSOLVED PROBLEMS

N. V. BONDAREVA1, L. M. GLUKHOV2, A. A. KOROTEEV1, V. G. KRASOVSKY2, L. M. KUSTOV2, U. A. NAGEL3, A. A. SAFRONOV3, N. I. FILATOV3, E. A. CHERNIKOVA2

1 Moscow Aviation Institute (NationalResearch University) MAI, Moscow 2N.D. Zelinskii Institute of Organic Chemistry, Moscow 3 SSC FSUE Keldysh Centre, Moscow, Russia E-mail: chkt@yandex.ru

The state-of-the-art is discussed for the concept of frameless systems designed to remove low-grade heat from the space power plants of new generation characterized by increased power, low meteorite vulnerability, and long active life. The studies fulfilled are analyzed,

and intermediate results are summed up with regard to synthesizing new ultrahigh-vacuum propellants that might be used in the outer space within the given temperature range; securing the required mechanisms of the heat-transfer medium dispersion; maintaining constancy of droplet trajectories during the open-space flight; and profiling geometry and structure for the fine droplet shroud. Necessity in the intensification of works in every key direction of the appropriate field to secure feasibility of developing new space power plants characterized by megawatt power levels is substantiated.

Key words: frameless system for the low-grade heat release, droplet coolant-radiator, space power plant, ultrahigh-vacuum propellant, dispersed droplet shroud.

В 2014 г. на российском сегменте Международной космической станции состоялся второй космический эксперимент с моделью капельного холодильника-излучателя (КХИ) — основного элемента бескаркасной системы отвода низкопотенциального тепла в космосе. Первый проводился в нашей стране в 2000 г. на борту орбитальной космической станции "Мир".

Предлагаемая статья является первой из двух запланированных публикаций, их цель — анализ результатов исследований, выполненных в процессе разработки концепции открытых космических излучательных систем, подведение промежуточных итогов проделанных работ и выявление наиболее сложных, не полностью решенных и замедляющих практическую реализацию КХИ задач.

Излучатели низкопотенциального тепла — необходимый элемент космических энергетических установок (КЭУ), они определяют эффективность отвода тепла из низкотемпературной части цикла, существенно влияющую на его термодинамический КПД. Так как единственным возможным механизмом теплоотвода в космосе является излучение, классические излучатели выполняются по схеме раскладываемых излучающих панелей или базируются на использовании тепловых труб. Их преимуществами являются относительная простота изготовления и технологичность, недостатками — значительная масса и метеоритная уязвимость. Масса излучателя и также вероятность повреждения его конструкции космическими фрагментами естественного и техногенного происхождения существенно увеличиваются при повышении мощности КЭУ, приводящей к необходимости интенсификации радиационного теплоотвода и, как следствие, развитию площади излучающей поверхности. При этом неизбежно происходит заметное снижение массы выводимой на целевую орбиту полезной нагрузки.

Рис. 1. Принципиальная схема КХИ: 1 — генератор капель; 2 — гидросборник капельного потока; 3 — капельная пелена; 4, 5 — трубопроводы

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость создания космических излучателей нового поколения; краткая историческая справка

5* 131

о

О-г т0гО

О

№802)2Ке

1 2

3 4

5 6

Рис. 2. Структурные формулы исследованных соединений

Для решения перспективных задач космонавтики требуется существенное расширение возможностей и увеличение ресурса летательных аппаратов. В настоящее время рассматриваются проекты, реализация которых возможна с использованием энергоустановок с мощностями от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Ведущие космические державы вновь обсуждают возможность возврата к использованию ядерной энергии в космосе. Массовые характеристики и надежность излучателей, выполненных с использованием традиционных схем при указанных уровнях мощности, становятся неприемлемыми.

Идея создания бескаркасных космических излучателей нового поколения, основанных на радиационном охлаждении в космосе специальным образом сформированной упорядоченной мелкодисперсной пелены рабочего тела, возникла в конце 80-х — начале 90-х годов прошлого века. Устройства получили название капельных холодильников-излучателей (КХИ) и в простейшем случае состоят из генератора и гидросборника капельного потока (рис. 1). С помощью генератора в открытом космическом пространстве формируется пелена мелкодисперсных капель горячего теплоносителя. На пути от генератора к гидросборнику происходит его охлаждение. Холодный теплоноситель собирается гидросборником и направляется в рабочий контур энергетической установки. Цикл будет замкнутым, если испарение рабочего тела пренебрежимо мало.

Достоинства таких излучателей: минимальное термическое сопротивление между теплоносителем и излучающей поверхностью; практически полная неуязвимость к метеоритному пробою; низкая удельная масса. Их полномасштабная реализация осуществима при высоких значениях отводимой тепловой мощности (более 100 кВт). Сочетание вакуума и отсутствия гравитационных сил позволяет надеяться на возможность использования значительного количества сформированных капельных струек, обеспечивающих эффективное охлаждение рабочего тела без каких-либо ограничений по взаимной ориентации генератора и гидросборника.

Российская Федерация входит в число мировых лидеров в области создания и отработок бескаркасных систем отвода низкопотенциального тепла в космосе. Исследования начали проводиться приблизительно в одно время в России и США. Были полу-

Масса, %

100 I———

80

60

40

20

0

100 200 300 400 500

т, °с

Рис. 3. Термогравиметрические кривые исследованных соединений (в атмосфере аргона)

чены результаты, подтверждающие высокий уровень востребованности, конкурентоспособности, научной и практической значимости разработок.

Основные результаты исследований КХИ изложены в работах [1—6]. В [7] охарактеризованы основные задачи для практического создания открытых излучательных систем в космосе:

— синтез теплоносителя, пригодного для работы в открытом космосе в заданном диапазоне изменения температур;

— обеспечение диспергирования теплоносителя и формирования пелены с требуемыми размерами капель;

— реализация заданных траекторий движения капель, заряженных вследствие воздействия факторов космического пространства;

— использование оптимальной геометрии и структуры пелены;

— организация эффективного сбора остывших капель в условиях микрогравитации и глубокого вакуума.

Далее применительно к каждой из перечисленных задач рассматриваются достигнутые к настоящему времени успехи, анализируются причины, которые не позволяют считать их полностью решенными, и приводятся соображения, направленные на поиск путей преодоления возникших трудностей.

Синтез новых теплоносителей, пригодных для работы в открытом космосе

Очень низкое значение давления насыщенных паров, обусловливающее минимальную испаряемость рабочего тела, радиационная стойкость и приемлемые значения коэффициента динамической вязкости в рабочем диапазоне температур — три основных требования к теплоносителям КХИ. Для наиболее проработанных излучателей низкотемпературного диапазона (300—458 К) определяющими можно считать следующие показатели:

— максимальная эксплуатационная температура не менее 185°С;

— температура плавления не более 9°С;

— плотность 750—1350 кг/м3;

— коэффициент кинематической вязкости: при 25°С не более 300 сСт; при 77°С не более 30 сСт;

— теплоемкость в рабочем диапазоне температур (1000—2500) кДж/(кгК);

— коэффициент теплопроводности не менее 0,1 Вт/(мК);

— давление насыщенных паров при максимальной эксплуатационной температуре не более 10-9 мм рт. ст.;

т, мг

218

214

210

— 150°С

170

180

160

0 50 100 150 200 250 300

Г, мин

Рис. 4. Изменение массы образцов ИЖ в вакууме при различных температурах при испарении с площади

— интегральная степень черноты не менее 0,7.

До последнего времени считалось [7], что в наибольшей степени комплексу специфических требований соответствуют жидкости,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»