Холодильник-излучатель космического аппарата Российский патент 2022 года по МПК B64G1/50 

Изобретение предназначено для использования в космических аппаратах (КА), снабженных системой обеспечения теплового режима для функционирования находящейся в них электронной аппаратуры.

Известен ряд конструкций систем обеспечения теплового режима, в которых требуемая для функционирования электронной аппаратуры температура достигается путем отвода тепла в космическое пространство тепло-излучающими панелями холодильника излучателя. [Романов А.В. «Теория комплексной оптимизации проектирования космических аппаратов с ядерными термоэмиссионными энергетическими установками»/ Под ред. Б.И. Полетаева, А.П. Ковалева -СПб,: ООО «НПО «Профессионал», 2010.-255 с].

Наиболее близким техническим решением, к заявленному, является система обеспечения теплового режима космической ядерной энергетической установки, выполненная в виде панелей холодильника-излучателя (ХИ), представляющих собой металлический коллектор c поперечным сечением эллиптической формы, по которому протекает теплоноситель. В коллектор вставлены с двух сторон в шахматном порядке тепловые трубы с припаянными к ним медными пластинами. Для прочности, в центре коллектора на всю его длину вварена пластина, препятствующая деформации сечения коллектора при его нагреве до рабочей температуры ~ 600°С. [«Космические ядерные энергоустановки и электроракетные двигатели. Конструкция и расчет деталей»: Учебное пособие / П.В. Андреев, А.С. Демидов, Н.И. Ежов и др. - М.: Изд-во МАИ, 2014. - 166-170с.].

Недостатком такой конструкции является значительная масса панелей холодильника излучателя, которая составляет более 10 кг/м² из-за применения в качестве излучающей поверхности медных пластин и относительно толстостенного коллектора более 2 мм с внутренней пластиной.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение - снижение массы ХИ системы обеспечения теплового режима КА.

Этот результат достигается тем, что ХИ системы обеспечения теплового режима КА выполнен в виде коллектора, на который, между вставленных в него тепловых труб, намотано углеродное волокно, а на каждую тепловую трубу, установленную в коллектор с протекающим по нему теплоносителем, надета оболочка из теплопроводного углеродного пекового волокна, к которой через слой высокотемпературного компаунда на основе каменоугольного пека прикреплено теплопроводное углеродное полотно, образующее теплоизлучающую поверхность холодильника излучателя.

На фигуре 1 представлена конструктивная схема ХИ системы обеспечения теплового режима КА.

ХИ системы обеспечения теплового режима КА состоит из панелей, представляющих собой тонкостенный, толщиной стенки ~ 1 мм металлический коллектор 1 c поперечным сечением эллиптической формы и вставленных в него с двух сторон в шахматном порядке тепловых труб 2. На коллектор между тепловыми трубами намотан слой углеродного волокна 3 с карбонизированным связующим. На тепловые трубы 2 надеты тонкостенные оболочки 4, выполненные из теплопроводного, пекового углеродного волокна (с теплопроводностью более 500 Вт/м К). К оболочке через слой углеродного высокотемпературного компаунда на основе каменоугольного пека 5 прикреплено теплопроводное углеродное полотно 6 (с теплопроводностью более 500 Вт/м К) и плотностью 1,7 г\см³), образующее теплоизлучающую поверхность холодильника излучателя.

Представленная конструкция функционирует следующим образом. Тонкостенный металлический коллектор 1 является своеобразным лейнером, обеспечивающим герметичность системы теплоотвода, а намотанный на него слой углеродного волокна 3 повышает его прочность при нагреве, препятствуя его деформации из-за внутреннего давления теплоносителя. Тем самым, исключается из конструкции коллектора продольная пластина, которая вваривается в центре коллектора на всю его длину, что приводит к уменьшению толщины коллектора. Оболочка 4 из теплопроводного углеродного композиционного материала, надетая на тепловую трубу 2 при нагреве позволяет трубе расширяться и удлиняться относительно углеродной теплопроводной оболочки, и увеличивая свой диаметр соединяться с углеродной теплопроводной оболочкой 4, расширяющейся менее интенсивно ввиду меньшего коэффициента теплового расширения, по сравнению с коэффициентом теплового расширения тепловой трубы, выполненной из стали. В результате обеспечивается тепловой контакт между теплопроводной оболочкой 4 и тепловой трубой 2. Необходимый зазор для теплового контакта тепловой трубы и теплопроводной оболочки обеспечивается технологическим методом намотки на приспособление, имитирующее тепловую трубу. Прикрепленное через слой углеродного высокотемпературного компаунда на основе каменноугольного пека 5 теплопроводное углеродное полотно 6 к каждой покрытой углеродной оболочкой тепловой трубе 2 образует теплоизлучающую поверхность холодильника излучателя.

В результате предложенная конструкция ХИ обеспечивает снижение массы. Это является следствием:

- намотки углеродного волокна на коллектор, что позволяет снизить толщину оболочки коллектора с 2…2,5 мм до 1мм без потери прочности;

- исключения из конструкции коллектора продольной пластины, препятствующей его деформации;

- применением теплопроводного углеродного композиционного материала теплопроводностью выше (более 500Вт/м К), чем у меди, что позволяет либо уменьшить количество тепловых труб в панели, либо повысить температуру излучающей поверхности и, соответственно, уменьшить площади ХИ;

- меньшей плотности материала излучающей поверхности (медь - 8,9 г/см³, углеродное теплопроводное волокно - 1,7 г/см³ ).

Все вместе взятое обеспечивает снижение массы ХИ до 7 кг/м².

Устройство предназначено для обеспечения отвода тепла от аппаратуры космического аппарата. Холодильник-излучатель, представляющий собой панель, состоит из коллектора с намотанным между вставленных в него тепловых труб слоем углеродного волокна, а на каждую тепловую трубу, установленную в коллектор с протекающим по нему теплоносителем, надета оболочка из теплопроводного углеродного пекового волокна, к которой через слой высокотемпературного компаунда на основе каменноугольного пека прикреплено теплопроводное углеродное полотно, образующее теплоизлучающую поверхность холодильника-излучателя. Снижается масса холодильника-излучателя системы обеспечения теплового режима КА при увеличении эффективного сброса тепла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Холодильник-излучатель, представляющий собой панель, состоящую из коллектора с протекающим внутри него теплоносителем, в коллектор вставлены тепловые трубы с припаянными к ним излучающими медными пластинами, отличающийся тем, что на каждую тепловую трубу, установленную в коллектор, надета оболочка из теплопроводного углеродного пекового волокна, к которой через слой высокотемпературного компаунда на основе каменноугольного пека прикреплено теплопроводное углеродное полотно, образующее теплоизлучающую поверхность холодильника-излучателя, при этом на коллектор между вставленных в него тепловых труб намотано углеродное волокно.