СПОСОБ РАБОТЫ КАПЕЛЬНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК B64G1/50 F28D21/00 

Изобретение относится к области космической техники, а конкретнее к способам и устройствам отвода низкопотенциального тепла от энергетических систем космических аппаратов (КА).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Капельный холодильник-излучатель» (КХИ) по патенту РФ №2401778 (опубл. 20.10.2010 г.), в котором теплоноситель, нагретый в энергетической системе КА, направляют в генератор капель с элементом возбуждения акустических колебаний и выходной решеткой, где происходит преобразование жидкого теплоносителя в поток монодисперсных капель, направляемый в пассивный коллектор капель со щелевыми каналами. Далее охлажденный теплоноситель, собранный коллектором, с помощью перекачивающего насоса возвращают в энергетическую систему КА. Задача повышения надежности и эффективности работы КХИ достигается за счет обеспечения длительной устойчивой работы коллектора капель.

Однако при эксплуатации КХИ в реальных космических условиях (например, при прохождении радиационных поясов Земли) капли теплоносителя под воздействием потока электронов радиационных поясов будут приобретать отрицательный электрический заряд. В результате возникнет электрическое поле пространственного заряда потока заряженных капель, которое приведет к искривлению траектории их движения. Это явится причиной неполного сбора теплоносителя коллектором и в конечном итоге - к безвозвратным потерям теплоносителя и нарушению функционирования КХИ.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и эффективности работы КХИ. Технический результат изобретения состоит в обеспечении минимального отклонения заряженных капель от прямолинейных траекторий, что предотвращает потери теплоносителя, обеспечивает более эффективную работу коллектора капель и, следовательно, КХИ в целом.

Для достижения этого технического результата предлагается четыре варианта способа работы капельного холодильника-излучателя.

Первый вариант заключается в том, что в способе работы КХИ, включающем нагрев теплоносителя КХИ в энергетической системе КА, преобразование жидкого теплоносителя в поток капель, их охлаждение излучением в космическом пространстве, сбор капель и подачу образовавшегося конденсата в энергетическую систему, на поток капель воздействуют внешним электрическим полем, при этом параметры электрического поля изменяют по траектории полета КА.

Поток одноименных заряженных капель является источником электрического поля. В отсутствие электрического поля траектории движения капель будут прямолинейными. При его возникновении траектории капель искривляются. Это приводит к расширению потока, максимальная величина которого достигается в непосредственной близости от коллектора капель. При воздействии на поток капель внешним электрическим полем, параметры и конфигурация которого выбираются такими, что оно компенсирует с требуемой точностью электрическое поле пространственного заряда потока заряженных капель, искривление траекторий становится незначительным. Поскольку поток электронов радиационных поясов Земли в каждой точке переменный, то параметры электрического поля необходимо изменять по траектории полета КА. В результате воздействия внешним электрическим полем обеспечивается минимальное отклонение капель от прямолинейных траекторий. Тем самым решается поставленная техническая задача предотвращения потерь теплоносителя и, как следствие, более эффективная работа коллектора капель и КХИ в целом.

Второй вариант способа работы КХИ отличается от первого варианта тем, что на поток капель воздействуют потоком заряженных частиц, при этом параметры этого потока изменяют по траектории полета КА.

Эффективность воздействия на поток капель потоком заряженных частиц обусловлена нейтрализацией положительно заряженными частицами отрицательного заряда капель и частично потока электронов вблизи КА. Вследствие различия масс капель и положительно заряженных частиц на 13-14 порядков кулоновское взаимодействие капель и заряженных частиц никак не скажется на траектории капель - они останутся прямолинейными. Для генерации потока заряженных частиц могут использоваться источники плазмы или положительно заряженных ионов различных газов. Параметры потока заряженных частиц (в частности, плотность) выбирают так, чтобы нейтрализовать отрицательный заряд капель до уровня, при котором влияние электрического поля пространственного заряда потока заряженных капель на траекторию капель будет мало. То есть и второй вариант способа позволяет решить поставленную техническую задачу.

В третьем варианте способа работы КХИ в поток капель вблизи их сбора впрыскивают газ с низкой электрической прочностью через интервалы времени, соответствующие времени накопления заряда на капле, при этом частоту впрыскивания газа изменяют по траектории полета КА.

Электрическая прочность, то есть напряженность электрического поля, при превышении которой в газе возникает электрический разряд, является функцией давления, характерной длины разрядного промежутка и вида газа. Известны три газа, имеющих по сравнению с азотом (воздухом) относительную электрическую прочность 0,15-0,2: неон, аргон, гелий. Время формирования электрического разряда составляет порядка 10^-6 с, и за время, соизмеримое с этой величиной, капли за счет электрического разряда потеряют свой заряд. При этом нет необходимости в непрерывной подаче газа: возможен импульсный впрыск через интервал времени, соответствующий времени накопления заряда на капле до заданного уровня, в свою очередь зависящего от местоположения КА на орбите. Поскольку максимальный заряд капли приобретают в конце полета, то впрыск газа целесообразно осуществлять в непосредственной близости от коллектора капель. Согласно имеющимся экспериментальным данным при величинах разрядного промежутка от нескольких мм до 20 см (так называемым кривым Пашена) электрическая прочность перечисленных газов имеет минимум при давлениях существенно ниже атмосферного - порядка 10-10² Па. Это обстоятельство позволяет ограничиться сравнительно малым расходом газа. Нейтрализация заряда капель таким способом также решает поставленную техническую задачу.

В четвертом варианте способа работы КХИ газ с низкой электрической прочностью растворяют в жидком теплоносителе до его преобразования в поток капель и далее полученную смесь преобразовывают в поток капель, поступающий в космический вакуум, при этом газ выходит из капель, образуя в непосредственной близости от их поверхности газовую оболочку. Когда заряд капель достигнет значений, при которых напряженность электрического поля у поверхности капли превысит электрическую прочность газа, произойдет электрический разряд и заряд капли существенно снизится. Таким образом, заряды капель автоматически будут поддерживаться на приемлемом уровне. То есть и четвертый вариант способа позволяет решить поставленную техническую задачу.

Предлагаемые варианты способа работы КХИ поясняются представленными Фиг.1-6.

На Фиг.1 приведена схема КХИ для осуществления первого варианта заявленного способа, на Фиг.2 - схема КХИ второго варианта, на Фиг.3 - схема КХИ третьего варианта, на Фиг.4 - схема КХИ четвертого варианта.

На Фиг.5 показана одна из возможных форм капельного потока теплоносителя (капельной пелены).

На Фиг.6 приведены проекции траекторий капель на плоскость z=Const (см. Фиг.5) при воздействии внешнего электрического поля на заряженные капли.

Схема КХИ для осуществления первого варианта заявленного способа (Фиг.1) включает в себя энергетическую систему КА 1, соединительные трубопроводы 2, капельный поток теплоносителя 3, генератор капель 4 с элементом возбуждения акустических колебаний 5, инициирующих вынужденный капиллярный распад истекающих струй теплоносителя, коллектор капель 6, перекачивающий насос 7, электроды для создания внешнего электрического поля 8, источник электропитания 9, систему управления параметрами электрического поля 10.

Работа по первому варианту способа включает нагрев теплоносителя в энергетической системе КА 1, преобразование жидкого теплоносителя в поток капель в генераторе капель 4, их охлаждение излучением в космическом пространстве и получение капельного потока 3, сбор капель в коллекторе капель 6 и подачу образовавшегося конденсата перекачивающим насосом 7 в энергетическую систему 1. На поток капель воздействуют внешним электрическим полем, создаваемым электродами 8. Поскольку поток электронов радиационных поясов в данной точке зависит от ее координат, параметры электрического поля изменяют по траектории полета КА с помощью системы управления 10 регулированием величины подаваемого напряжения на электроды 8. Эффективность воздействия на заряженные капли внешним электрическим полем подтверждена совместным решением трехмерной краевой задачи для уравнения Пуассона и уравнения траектории движения капель для случая капельной пелены в форме прямоугольного параллелепипеда (Фиг.5). Направление движения капель - вдоль оси ох от плоскости x=0 к плоскости x=a. В расчетах принимались: масса капель 1,5·10^-11 кг, электрический заряд изменяется от 0 при x=0 до 1,2·10^-13 Кл при x=a. Результаты расчетов показывают, что, формируя внешнее электрическое поле таким образом, что на границах капельной пелены на плоскостях y=0, y=b и z=0, z=c электрический потенциал относительно плоскости x=0 линейно изменяется вдоль оси ох от 0 до значений U₀ и U₁ соответственно, можно компенсировать кулоновское расталкивание и искривление траекторий движения капель. На Фиг.6 приведены проекции траекторий капель на плоскость z=Const при следующих условиях: 1 - U₀=-100 В, U₁=-1 В, y=3,5 м, z=10^-4 м; 2 - U₀=-347 В, U₁=-3 В, y=0,01 м, z=0,03 м; 3 - U₀=-100 В, U₁=-1 B, y=0,01 м, z=10^-5 м; 4 - U₀=-100 В, U₁=-1 В, y=0,1 м, z=1^-5 м. То есть при соответствующем выборе значений потенциалов U₀, U₁ траектории капель, находящихся в непосредственной близости от внешних границ капельной пелены и подвергающихся наибольшему воздействию пространственного заряда пелены, остаются практически прямолинейными (кривая 4 на Фиг.6).

В схему КХИ для осуществления второго варианта заявленного способа (Фиг.2) введен источник заряженных частиц 11, параметры которого регулируются с помощью системы управления 10.

Работа по второму варианту способа отличается от работы по первому варианту только тем, что на поток капель воздействуют потоком заряженных частиц, испускаемым источником 11. Положительно заряженные частицы, поступающие из источника 11, нейтрализуют отрицательный заряд капель и частично потока электронов вблизи КА. Вследствие существенного различия масс капель и положительно заряженных частиц кулоновское взаимодействие капель и заряженных частиц никак не скажется на траектории капель - они останутся прямолинейными. Параметры источника заряженных частиц изменяют по траектории полета КА с помощью системы управления 10

В схеме КХИ для осуществления третьего варианта заявленного способа (Фиг.3) используется система подачи газа с низкой электрической прочностью 12, установленная на коллекторе капель 6, и баллон с газом с низкой электрической прочностью 13. Для регулирования подачи газа используют систему управления 10.

В этом способе в поток капель впрыскивают газ с низкой электрической прочностью с помощью системы подачи 12 из баллона 13. Применение системы подачи газа с низкой электрической прочностью для впрыска газа в капельную пелену позволяет снизить заряд капель до приемлемого уровня. Даже кратковременное наличие такого газа явится причиной электроразрядных процессов, что приведет к снижению напряженности электрического поля в пелене и устранению разлета капель. Время включения и выключения, частота срабатывания системы подачи 12 регулируются с помощью системы управления 10.

В схему КХИ для осуществления четвертого варианта заявленного способа (Фиг.4) введена система растворения газа с низкой электрической прочностью в теплоносителе 14.

При работе по четвертому варианту способа по сигналу от системы управления 10 газ с низкой электрической прочностью подают из баллона 13 в систему растворения газа в теплоносителе 14. При вылете капель из генератора капель 4 газ постепенно покидает капли, вызывая вблизи поверхности капли электроразрядные процессы, что приводит к снижению напряженности электрического поля в пелене и устранению разлета капель. Этот вариант способа может использоваться совместно с третьим вариантом с тем, чтобы увеличить длину зоны КХИ в направлении полета капель, в которой будут возможны электроразрядные процессы. Время включения и выключения системы растворения регулируется с помощью системы управления 10.

Выбор вариантов способа работы КХИ зависит от назначения КА и параметров КХИ. При значительных ресурсе и геометрических размерах КХИ потребуется большой расход газа. В этом случае целесообразнее применить «безрасходные» первый или второй вариант в зависимости от параметров энергетической системы 1 (Фиг.1, 2). В экстремальных условиях, когда плотность потока электронов резко возрастает (при пересечении геомагнитного экватора, в моменты магнитных бурь и суббурь) возможно использование любой комбинации из двух или трех перечисленных вариантов способа одновременно, а также всех четырех перечисленных вариантов способа.

Группа изобретений относится к способам отвода низкопотенциального тепла от энергетических систем космических аппаратов (КА). Способ работы капельного холодильника-излучателя (КХИ) включает нагрев теплоносителя, его преобразование в поток капель, охлаждающихся излучением в космическом пространстве, сбор капель и подачу конденсата в энергетическую систему. В первом варианте на поток капель воздействуют внешним электрическим полем, параметры которого изменяют по траектории полета КА. Во втором варианте на поток капель воздействуют потоком заряженных частиц, параметры которого изменяют по траектории полета КА. В третьем варианте в поток капель вблизи их сбора впрыскивают газ с низкой электрической прочностью. Интервалы впрыска соответствуют времени накопления заряда на капле, а частоту впрыска изменяют по траектории полета КА. В четвертом варианте газ с низкой электрической прочностью растворяют в жидком теплоносителе КХИ. В зависимости от назначения КА и параметров КХИ возможно использование каждого из предложенных способов работы КХИ или любой их комбинации. Техническим результатом группы изобретений является уменьшение отклонения капель от прямолинейных траекторий и снижение тем самым потерь теплоносителя с обеспечением более эффективной и надежной работы КХИ. 4 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ работы капельного холодильника-излучателя космического аппарата, включающий нагрев теплоносителя капельного холодильника-излучателя в энергетической системе космического аппарата, преобразование жидкого теплоносителя в поток капель, их охлаждение излучением в космическом пространстве, сбор капель и подачу образовавшегося конденсата в энергетическую систему, отличающийся тем, что на поток капель воздействуют внешним электрическим полем, при этом параметры электрического поля изменяют по траектории полета космического аппарата.

2. Способ работы капельного холодильника-излучателя космического аппарата, включающий нагрев теплоносителя капельного холодильника-излучателя в энергетической системе космического аппарата, преобразование жидкого теплоносителя в поток капель, их охлаждение излучением в космическом пространстве, сбор капель и подачу образовавшегося конденсата в энергетическую систему, отличающийся тем, что на поток капель воздействуют потоком заряженных частиц, при этом параметры этого потока изменяют по траектории полета космического аппарата.

3. Способ работы капельного холодильника-излучателя космического аппарата, включающий нагрев теплоносителя капельного холодильника-излучателя в энергетической системе космического аппарата, преобразование жидкого теплоносителя в поток капель, их охлаждение излучением в космическом пространстве, сбор капель и подачу образовавшегося конденсата в энергетическую систему, отличающийся тем, что в поток капель вблизи их сбора впрыскивают газ с низкой электрической прочностью через интервалы времени, соответствующие времени накопления заряда на капле, при этом частоту впрыскивания газа изменяют по траектории полета космического аппарата.

4. Способ работы капельного холодильника-излучателя космического аппарата, включающий нагрев теплоносителя капельного холодильника-излучателя в энергетической системе космического аппарата, преобразование жидкого теплоносителя в поток капель, их охлаждение излучением в космическом пространстве, сбор капель и подачу образовавшегося конденсата в энергетическую систему, отличающийся тем, что в жидком теплоносителе растворяют газ с низкой электрической прочностью.