Системы теромостатирования на основе тепловых труб

Начиная с 1970-х годов НПО «Красная Звезда» были развернуты работы по созданию специальных установок, предназначенных для термостатирования чувствительных элементов электронной аппаратуры космических аппаратов. Передача тепла в таких условиях осуществлялась с помощью тепловых труб, работающих в условиях невесомости без энергетических затрат при отсутствии каких-либо механических средств прокачки теплоносителей (насосов, вентиляторов).

В период 1970-1974 гг. в НПО «Красная Звезда» была развернута работа по созданию низкотемпературных теплопередающих устройств, способных работать в диапазоне температур от 163 до 308 К (от -110 °С до +35 °С). На основании конструкторских разработок и значительных исследовательских работ для этой цели были созданы конструкции тепловых труб с фреоном-22 в качестве теплоносителя, на основе которых были разработаны конструкции и изготовлены излучатель и теплопровод с аккумулятором тепла (термобуфером). Была разработана оригинальная методика расчета и испытания низкотемпературных тепловых труб, позволяющих подтвердить в наземном эксперименте работоспособность тепловой трубы в штатных (на борту КА) условиях.

В 1974 г. был изготовлен экспериментальный теплопровод, предназначенный для исследования теплового режима термостатируемого объема в космическом полете и оценки эффективности работы теплопровода. Экспериментальный теплопровод был запущен в 1974 г. на борту искусственного спутника Луны.

Анализ телеметрических данных показал соответствие проектных характеристик теплопровода и характеристик, полученных в процессе эксперимента.

В 1973 г. подтвердило свои характеристики при использовании в составе космического аппарата на околоземной орбите изделие 21E, созданное в результате большого объема экспериментальных, конструкторских и расчетных работ. Мощность отводимого теплового потока составляла 8Вт при уровне температуры 188 К (-85 °С). Ресурс изделия составил 1,5 года. Его изготовление и наземные испытания осуществлялись на заводе электромеханического оборудования (г. Протвино).

В 1975 г. поставка этих изделий была включена в народно-хозяйственный план страны. Для уменьшения обратного теплового потока от Солнца по новому техническому заданию было разработано и создано изделие 21ЕМ, в котором были применены тепловые трубы с односторонней проводимостью (диоды). Эксплуатация этой системы осуществляется с 1980 г. Наибольший ресурс работы, подтвержденный в процессе эксплуатации, составляет 5,5 лет, при этом отводимая тепловая мощность может повышаться до 20 Вт. Отказов системы в процессе эксплуатации не зафиксировано. Работа отмечена Государственной премией и наградами.

В развитие работ по термостабилизации космической аппаратуры были разработаны еще два изделия - 91 и 91У, которые отличались от изделия 21 ЕМ тем, что охлаждали два прибора. При этом путем кольцевой компоновки радиаторов и диодных теплопроводов было в два раза увеличено время охлаждения приборов (12 ч в сутки). Работы были закончены проведением доводочных и предварительных испытаний, а также поставкой заказчику двух опытных образцов изделий для стендовых и летных испытаний.

В 1980 г. НПО «Красная Звезда» приступило к разработке принципиально новой системы, необходимой для охлаждения фотоэлектронного устройства с обеспечением сканирования последнего на угол ±2°3'. Была разработана серия изделий 87Г6, 87Г6М и 87Г6У с диапазоном рабочих температур от 183 К (-90 °С) до 123 К (-150 °С) и отводом тепловых потоков величиной от 20 до 8 Вт. Техническое задание на теплопровод, стыкуемый с фотоэлектронным устройством, выпустило НПО «Орион». Гарантированный ресурс системы составил 3 года. Изготовителем и испытателем узлов изделия является завод электромеханического оборудования.

Первый запуск изделия 87Г6 был осуществлен в феврале 1991 г., система функционировала без замечаний в течение 4,5 лет. В настоящее время эксплуатация изделий продолжается.

В процессе перспективных научно-исследовательских разработок в 1985-1995 гг. коллективом НПО «Красная Звезда» были созданы тепловые трубы, работающие на уровне температур 80 К (рабочее тело - кислород), а также стенд для их испытаний, термосифоны на аммиаке, предназначенные для захолаживания воды и грунта от естественного холода. Кроме этого, была осуществлена разработка устройства, осуществляющего прекращение передачи теплового потока при достижении определенной температуры на заданном узле.

Современная техника, в частности космическая, выдвигает требование согласования тепловых потоков от источника тепла к устройству его потребления, что связывалось с возможностью трансформации тепловых потоков. Важным свойством теплопередающего устройства является его способность выравнивать температурное поле в зоне теплосъема. Это часто требуется в целом ряде технологических процессов, успешно протекающих только при некоторой постоянной температуре.

Тепловые трубы (ТТ), обладая уникальными возможностями в широком диапазоне температур от -193 °С до +700 °С, позволяют оптимально решать многие задачи, связанные с передачей тепла с минимальными потерями, с охлаждением и термостатированием различных объектов, находящихся как на земле, так и в космическом пространстве. Высокая эффективная теплопроводность этих труб обеспечила их незаменимость в системах теплоотвода, когда иным способом эту задачу было решить невозможно.

Тепловые трубы, работающие в качестве основных элементов в конструкции холодильника-излучателя ЯЭУ второго поколения, используют в качестве теплоносителя калий или натрий. Возможно также и использование эвтектики калий-натрий.

Следует упомянуть и о возможности использования так называемых газонаполненных тепловых труб. В них наряду с теплоносителем в виде жидкого металла используется какой-либо инертный газ, например, аргон, не вступающий в химическую реакцию с применяемым теплоносителем, а лишь заполняющий свободный объем тепловой трубы, играя роль стабилизатора температуры при изменении величины теплоподвода. В ЯЭУ второго поколения могут быть использованы тепловые трубы теплоподвода и на литии, с большими рабочими температурами. Выбор теплоносителей в ТТ зависит от значений используемых температур (от криогенных до 3000 °С). Для каждого температурного диапазона можно подобрать наиболее оптимальный теплоноситель.

Теплопередающие устройства для охлаждения чувствительных элементов приборов
космических аппаратов серии «Космос»
(различные компоновочные варианты устройств, разработанных АО «Красная Звезда»)

На спутниках серии «Космос» успешно использовались в конструкции систем термостабилизации диодные тепловые трубы. Для них характерна различная теплопроводность в прямом и обратном (против потока пара рабочего тела) направлениях. Тепловые трубы, в которых использовались капиллярные силы, в невесомости показывали стабильные характеристики. Идеи ТТ нашли свое воплощение в различных областях техники: в термоядерных устройствах, лазерах, электронике и других областях, где надо снять большие тепловые нагрузки, передав наиболее эффективным путем значительные тепловые потоки в системы теплоотвода. Их можно использовать на космических аппаратах не только в составе ЯЭУ, но и в устройствах защиты при возвращении на Землю. Нами было предложено много возможных областей применения тепловых труб, таких как охлаждение полупроводниковых приборов, охлаждение хилатных форм, заморозка грунта, поддержание необходимых условий в овощехранилище и других.