СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2009 года по МПК B64G1/50 F28D15/02 

Изобретение, созданное авторами в порядке выполнения служебного задания, относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования приборов телекоммуникационного спутника.

В настоящее время для термостатирования посадочных мест приборов спутника широко используются тепловые трубы (см., например, книги: Чи С. Тепловые трубы: Теория и практика / Перевод с английского В.Я. Сидорова - М.: Машиностроение, 1981, стр.65, 74, 177, 180 [1]; Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы / Перевод с английского - М.: Энергия, 1997 г, стр.104, 105, 154-156 [2]) с небольшим диаметром парового канала (например, (6-10) мм) различной длины (например, (0,5-3) м) с допустимыми минимальными рабочими температурами участка конденсации от минус 50 до минус 20°С и максимальными рабочими температурами участка испарения от 30 до 50°С (т.е. тепловые трубы работоспособны в диапазоне изменения температур конструкции от минус 50 до 50°С).

Согласно [1], [2] тепловые трубы заправляются теплоносителем с некоторым избытком.

В процессе изготовления таких конкретных тепловых труб одним из основных испытаний является опытное определение значений температурных перепадов между участками испарения и конденсации в диапазоне изменения их рабочих температур при подводе к участку испарения тепловой трубы одинаковой требуемой тепловой мощности при различных дозах заправленного во внутреннюю полость корпуса с фитилем в виде продольных канавок на внутренней поверхности его теплоносителя с избытком.

На основе результатов этих испытаний должна определяться максимально допустимая величина дозы заправки теплоносителем последующих (предназначенных для использования на борту космического аппарата) тепловых труб, обеспечивающая в условиях эксплуатации температурный перепад между участками испарения и конденсации не более допустимого (например, не более 5°С).

В результате анализа опытных данных отработочных испытаний конкретной тепловой трубы с диаметром парового канала ≈6 мм и общей длиной ≈1200 мм (из которой длина транспортного участка ≈600 мм) авторами установлено (см. фиг.2), что, например, при температуре испарительной зоны 40°С (поз.1) перепады температур между участками испарения и конденсации (Δt_ТТ) существенно меньше соответствующих перепадов температур между участками испарения и конденсации при минимальной рабочей температуре участка конденсации, равной минус 40°С (поз.2), что противоречит данным эксплуатации аналогичных тепловых труб на орбите (поз.3): перепад температур между участками испарения и конденсации при температуре участка испарения 40°С должен быть больше перепада температур между вышеуказанными участками при температуре участка конденсации минус 40°С при одной и той же заданной дозе заправки теплоносителем с избытком, например, при

m_{з.д.изб.1} (т.е. должно выполняться условие: для более высокой температуры участка испарения должен соответствовать более больший перепад температур между участками испарения и конденсации).

Это объясняется тем, что при наземных условиях при минимально возможной рабочей температуре участка конденсации (испарения) избыток теплоносителя в результате преобладания инерционных сил потока пара над силами поверхностного натяжения жидкой фазы и силами тяготения собирается в концевой части участка конденсации и уменьшает эффективную длину участка конденсации, тем самым увеличив перепад температур между участками испарения и конденсации аналогично условиям эксплуатации тепловой трубы на орбите.

А при максимальной рабочей температуре участка испарения (конденсации) при наземных условиях силы поверхностного натяжения жидкой фазы и силы тяготения преобладают над инерционными силами потока пара (инерционные силы в этом случае в несколько раз меньше инерционных сил, действующих при минимально возможной рабочей температуре пара) и избыток жидкости располагается по длине тепловой трубы в донной части (в основном после участка испарения) - на транспортном участке и участке конденсации и это выводит из нормальной работы 2-3 канавки из более 30 канавок и практически не сказывается на характеристиках тепловой трубы. В результате этого при этом (как показал анализ, при температуре от 20 до 50°С) эффективная длина участка конденсации практически не изменяется и реализуется температурный перепад между зонами испарения и конденсации уменьшенной величины.

А при эксплуатации на орбите силы тяготения практически отсутствуют и силы инерции потока пара превышают над силами поверхностного натяжения жидкой фазы и избыток теплоносителя при максимальной рабочей температуре, как и при минимальной температуре участка испарения, концентрируется в концевой части участка конденсации: т.к. при этом из-за температурного расширения объем избыточной жидкой фазы больше, чем в первом случае, жидкостная пробка занимает более длинный участок и эффективная длина участка конденсации более короче, чем в первом случае, и перепад температур между участками на орбите имеет более высокое значение по сравнению с первым случаем.

Таким образом, известные способы испытаний тепловых труб по определению значений перепадов температур между участками испарения и конденсации при одних и тех же дозах заправки их теплоносителем с избытком не обеспечивают достоверными данными о перепадах температур применительно к условиям эксплуатации на орбите и максимально допустимая доза заправки теплоносителем также получается недостоверной (см. фиг.2, где Δt_ТТ - перепад температур между участками испарения и конденсации, °С; m_зап - доза заправляемого во внутреннюю полость корпуса теплоносителя с избытком, г; m_зап1, m_зап2 - величины доз теплоносителя, заправленного во внутреннюю полость корпуса без избытка, г; m_зап0 - величина дозы теплоносителя, заправленной во внутреннюю полость корпуса с максимально допустимым возможным недостатком, г; 1, 2, 3 - изменения значений перепадов температур Δt_ТТ в зависимости от различных доз заправки теплоносителем m_зап внутренней полости корпуса соответственно: 1 - при максимальной рабочей температуре участка испарения (40°С) по результатам наземных испытаний, 2 - при минимальной рабочей температуре участка конденсации (минус 40°С) по результатам наземных испытаний, 3 - при максимальной рабочей температуре участка испарения на основе данных эксплуатации на орбите аналогичной тепловой трубы).

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является способ испытания тепловой трубы согласно [1].

По известному техническому решению тепловую трубу испытывают следующим образом (см. фиг.2):

1) изготавливают тепловую трубу;

2) заправляют тепловую трубу с избытком теплоносителя, превышающим оптимальную (расчетную) дозу, например, на 30%, m_{зап.нач}=m_{з.д.изб.1}=13,7 г;

3) подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, при температуре испарительной зоны, равной максимально допустимой рабочей температуре, например 40°С (такую температуру участка испарения обеспечивают, поддержав соответствующую температуру участка конденсации) и определяют величину температурного перепада между участками испарения и конденсации (≈2°С - см. фиг.2);

4) подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, при температуре участка конденсации, равной минимально допустимой рабочей температуре, например минус 40°С (такую температуру участка конденсации обеспечивают, поддержав соответствующую температуру участка испарения) и определяют величину температурного перепада между участками испарения и конденсации (6,5°С - см. фиг.2);

5) выполняют операции пп.3) и 4) при других дозах заправки теплоносителем m_зап.i<m_{зап.нач.} (например, при m_{з.д.изб.2}=11,5 г, m_зап.2, m_зап.1;

6) по данным испытаний строят график зависимости значений перепада температур между участками испарения и конденсации (Δt_ТТ) от величины дозы заправки теплоносителем (m_зап) для различных температур участка испарения (участка конденсации);

7) из графика определяют величину максимально допустимой дозы теплоносителя, например, m_{з.д.изб.2}=11,5 г, при которой температурный перепад между участками испарения и конденсации не превышает требуемого перепада (например, не более 5°С).

Как было показано выше, такая величина максимально допустимой дозы теплоносителя обеспечивает требуемый перепад температур между участками испарения и конденсации только при наземных условиях эксплуатации, и тепловая труба, заправленная вышеуказанной дозой m_{з.д.изб.2}, в условиях эксплуатации на орбите обеспечит температурный перепад (7°С - см. фиг.2) между участками испарения и конденсации, превышающий значение допустимого перепада температур между вышеназванными участками (не более 5°С), и для обеспечения требуемого перепада температур между участками испарения и конденсации тепловая труба должна быть заправлена дозой теплоносителя, меньшей m_{з.д.изб.2} (см. фиг.2).

Таким образом, при испытании тепловой трубы согласно известному техническому решению определяются недостаточно достоверные данные по величинам перепадов температур между участками испарения и конденсации и максимально допустимой заправляемой дозе теплоносителя применительно к эксплуатации тепловой трубы на орбите.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что значения перепадов температур между участками испарения и конденсации определяют для максимальной рабочей температуры участка испарения для заданных доз заправляемого теплоносителя с избытком при минимально допустимой рабочей температуре участка конденсации при дозах заправленного теплоносителя с избытком, удовлетворяющих условию:

где m_{зап.изб.i} - доза заправленного во внутреннюю полость корпуса тепловой трубы теплоносителя с избытком при определении значения температурного перепада между участками испарения и конденсации для максимальной рабочей температуры участка испарения для заданной дозы заправляемого теплоносителя с избытком, г;

m_{з.д.изб.i} - заданная доза заправляемого во внутреннюю полость корпуса теплоносителя с избытком для определения значений перепадов температур между участками испарения и конденсации во всем диапазоне изменения рабочих температур участка испарения, г;

t_р.мин - минимальное значение рабочей температуры участка конденсации, °С;

t_р.макс - максимальное значение рабочей температуры участка испарения, °С;

ρ_tp.макс, ρ_tp.мин - плотность теплоносителя при максимальном и минимальном значениях рабочей температуры участков испарения и конденсации, г/см³,

что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

Согласно предложенному авторами техническому решению испытание тепловой трубы осуществляют следующим образом (см. фиг.1):

1) изготавливают тепловую трубу;

2) заправляют тепловую трубу с избытком теплоносителя, превышающим оптимальную (расчетную) дозу, например, на 30%, m_{з.д.изб.1}=13,7 г;

3) подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, при температуре участка конденсации, равной минимально допустимой рабочей температуре, например минус 40°С (такую температуру участка конденсации обеспечивают, поддержав соответствующую температуру участка испарения), и определяют (измеряют) величину температурного перепада между участками испарения и конденсации (6,5°С - см. фиг.1);

4) заправляют тепловую трубу дозой теплоносителя с избытком, удовлетворяющей условию:

где m_{зап.изб.1} - доза заправленного во внутреннюю полость корпуса тепловой трубы теплоносителя с избытком при определении значения температурного перепада между участками испарения и конденсации для максимальной рабочей температуры участка испарения, например, t_р.макс=40°С, для заданной дозы заправляемого теплоносителя с избытком - m_{з.д.изб.1}, г;

m_{з.д.изб.1} - заданная доза заправляемого во внутреннюю полость корпуса теплоносителя с избытком для определения значений перепадов температур между участками испарения и конденсации во всем диапазоне изменения рабочих температур участка испарения, г, например m_{з.д.изб.1}=13,7 г;

t_р.мин - минимальное значение рабочей температуры участка конденсации, °С, например t_р.мин=-40°С;

t_р.макс - максимальное значение рабочей температуры участка испарения, °С, например t_р.макс=40°С;

ρ_tp.макс, ρ_tp.мин - плотность теплоносителя при максимальном и минимальном значениях рабочей температуры участков испарения и конденсации, °С, например, плотность аммиака при t_р.мин=-40°С равна 0,6902 г/см³.

Подводят к испарительной зоне требуемую тепловую мощность, например 50 Вт, и определяют (измеряют) значение перепада температур между участками испарения и конденсации при минимально допустимой рабочей температуре участка конденсации: определяют точку ординаты Δt_ТТ=9°С (см. фиг.1) для абсциссы m_{з.д.изб.1}=13,7 г.

В результате заправки тепловой трубы таким образом имитируется ее работа на орбите при максимальной рабочей температуре участка испарения (т.к. объем жидкой фазы теплоносителя практически соответствует этой температуре и избыточный объем теплоносителя в результате испытания при минимальной рабочей температуре сконцентрируется вблизи торцевой части участка конденсации) - определяется перепад температур между участками испарения и конденсации в условиях работы на орбите (Δt_ТТ=9°С - см. фиг.1);

5) Выполняют операции п.4 при других выбранных m_{з.д.изб.i}, находящихся в диапазоне от m_зап.2 до, например, m_{з.д.изб.2}=11,5 г;

6) Определяют перепады температур между участками испарения и конденсации при дозах заправки от m_зап.0 до m_зап.2;

7) По данным испытаний строят график фиг.1: график зависимости значений перепада температур между участками испарения и конденсации (Δt_ТТ) от величины дозы заправки теплоносителем (m_зап) для различных температур участка испарения (участка конденсации);

8) определяют величину максимально допустимой дозы теплоносителя, при которой температурный перепад между участками испарения и конденсации не превышает требуемого перепада (например, не более 5°С): m_{з.д.изб.3}=9,5 г согласно фиг.1.

Проведенный анализ показывает, что значения перепадов температур между участками испарения и конденсации, определенные согласно вышеуказанному предложенному способу для максимальной рабочей температуры испарителя, имеют максимальные значения и в пределах погрешностей измерений стыкуются с данными эксплуатации на орбите аналогичных тепловых труб и, следовательно, по результатам испытания определяется достоверное значение максимально допустимой дозы заправки теплоносителем, обеспечивающее в условиях работы тепловой трубы на орбите перепад температур между участками испарения и конденсации, не превышающий допустимого значения (не более 5°С).

Таким образом, предложенное авторами техническое решение обеспечивает в процессе наземного испытания тепловых труб получение достоверных данных по значениям перепадов температур между участками испарения и конденсации и максимально допустимой дозе заправки теплоносителем применительно к условиям работы тепловой трубы на орбите, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на отработочный образец тепловой трубы, проведены предварительные испытания ее и результаты испытаний подтверждают достижение целей изобретения в полном объеме.

Изобретение относится к области создания и эксплуатации элементов систем терморегулирования, в частности, приборов телекоммуникационного спутника. Способ включает определение значений температурных перепадов в тепловой трубе (ТТ) между ее участками испарения и конденсации в диапазоне изменения рабочих температур данных участков. При этом к участку испарения подводится одна и та же требуемая тепловая мощность для различных доз теплоносителя, заправленного с избытком во внутреннюю полость корпуса ТТ. В этой полости выполнен фитиль в виде продольных канавок на внутренней поверхности корпуса. Значения перепадов температур между указанными участками испарения и конденсации ТТ, при максимальной рабочей температуре участка испарения и для заданных доз заправляемого с избытком теплоносителя, определяют при минимально допустимой рабочей температуре участка конденсации. При этом дозы заправленного с избытком теплоносителя удовлетворяют определенному условию, выражающему зависимость этих доз от плотностей теплоносителя при максимальной и минимально допустимой рабочих температурах участков испарения и конденсации. Техническим результатом изобретения является достоверное определение при наземном испытании ТТ перепадов температур между ее участками испарения и конденсации, а также максимально допустимой дозы заправки теплоносителя с избытком, при котором во всех условиях эксплуатации ТТ на орбите гарантированно обеспечиваются указанные перепады температур. 2 ил.

Способ испытания тепловой трубы космического аппарата, включающий определение значений температурных перепадов между ее участками испарения и конденсации в диапазоне изменения рабочих температур данных участков при подводе к участку испарения одинаковой требуемой тепловой мощности для различных доз теплоносителя, заправленного с избытком во внутреннюю полость корпуса с фитилем в виде продольных канавок на внутренней поверхности корпуса, отличающийся тем, что значения перепадов температур между указанными участками испарения и конденсации при максимальной рабочей температуре участка испарения и для заданных доз заправляемого с избытком теплоносителя определяют при минимально допустимой рабочей температуре участка конденсации для доз заправленного с избытком теплоносителя, удовлетворяющих условию:

где m_{зап.изб.i} - доза заправленного с избытком во внутреннюю полость корпуса тепловой трубы теплоносителя при определении значения температурного перепада между участками испарения и конденсации при максимальной рабочей температуре участка испарения для заданной дозы заправляемого с избытком теплоносителя, г;
m_{з.д.изб.i} - заданная доза заправляемого с избытком во внутреннюю полость корпуса тепловой трубы теплоносителя при определении значений перепадов температур между участками испарения и конденсации во всем диапазоне изменения рабочих температур участка испарения, г;
t_p.мин - минимально допустимая рабочая температура участка конденсации, °С;
t_p.макс - максимальная рабочая температура участка испарения, °С;
ρ_tp.макс, ρ_tp.мин - плотность теплоносителя при указанных максимальной и минимально допустимой рабочих температурах участков испарения и конденсации, г/см³.