Отдел Информационно-вычислительного моделирования

Разработка новых космических аппаратов (КА) с увеличенной мощностью и сроком активного существования требует совершенствования систем отвода тепла от бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Для решения задачи обеспечения теплового режима энергонасыщенной бортовой РЭА в новых КА применяются теплоотводящие конструкции с использованием встроенных плоских тепловых труб – гипертеплопроводящих секций (ГТПС). Передача тепла в тепловых трубах осуществляется за счет энергии фазового перехода, что обеспечивает эффективную теплопроводность в 10–100 раз превышающую теплопроводностью алюминия. Плоские тепловые трубы встраиваются в алюминиевые рамки, на которые наклеиваются платы с радиоэлементами.

На рис. 1а показана фотография образца плоской тепловой трубы Т-образного вида, на рис. 1б представлена конструкция блока РЭА с двумя встроенными тепловыми трубами. Разработка и исследование ГТПС была проведена кооперацией трех организаций: Института вычислительного моделирования СО РАН (г. Красноярск), АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» (г. Железногорск) и АО «Уральский электротехнический комбинат» (г. Новоуральск). Использование ГТПС позволяет снизить перепад температуры между электронными радиоэлементами (ЭРИ) и областью отвода тепла, увеличить плотность монтажа и мощность используемых схем.

Рис. 1. Образец плоской тепловой трубы – ГТПС (а), блок РЭА со встроенными ГТПС (б)

Внедрение в производство блоков РЭА с использованием ГТПС потребовало изменения методов теплового проектирования. Используемые ранее программные продукты для моделирования теплообмена в бортовой РЭА (в АО «ИСС») не позволяют учитывать физические явления, определяющие перенос тепла в ГТПС. Внутри тепловой трубы в местах подвода тепла жидкий теплоноситель испаряется и движется по паровым каналам к области охлаждения, где пар конденсируется и движется обратно по фитилю за счет капиллярных сил. Кроме того эффективная работа тепловой трубы требует выполнения определенных условий, связанных с расположением и плотностью мощности источников тепла, с теплофизическими характеристиками теплоносителя, температурой теплоотвода, структурой фитиля и паровых каналов. Эти условия зависят от множества взаимосвязанных параметров и должны быть рассчитаны и учтены на стадии проектирования. Поэтому создание бортовых систем с применением ГТПС потребовало разработки программного комплекса для проведения тепловых расчетов РЭА с использованием моделей, учитывающих работу плоских тепловых труб.

В ИВМ СО РАН по заказу АО «ИСС» был разработан программный комплекс моделирования бортовой РЭА, который обеспечивает полный тепловой расчет прибора РЭА, содержащего в своем составе блоки со встроенными плоскими тепловыми трубами. Входными данными являются геометрические и теплофизические характеристики узлов прибора, расположение и мощность тепловыделяющих элементов, параметры тепловых контактов, характеристики для учета теплообмена за счет излучения и теплообмена с окружающей средой. При использовании ГТПС учитываются характеристики теплоносителя и материалов фитиля и корпуса тепловой трубы, параметры и геометрия пористой структуры. Предусмотрены различные варианты внешних условий и теплоотвода, соответствующие условиям испытаний РЭА при отработке или функционировании в составе КА на орбите: испытания отдельного блока или прибора в сборе, наличие атмосферы или вакуум, наличие гравитации. В качестве теплоотвода учитываются различные варианты: заданная температура основания, сотовая панель с охлаждающими магистралями, пластина с жидкостными каналами.

Выходными данными программного комплекса являются температуры элементов, тепловые поля конструкций блоков и стенок прибора, распределение температур поверхности теплоотводящего основания, изменение температуры жидкости по длине охлаждающих магистралей. При наличии ГТПС определяются распределения давлений и скоростей паровой и жидкостной фаз теплоносителя, наличие зон осушения или замерзания теплоносителя.

Расчетный модуль программного комплекса использует в работе набор различных математических моделей для решения тепловой задачи. Моделирование теплопередачи в конструкциях блока и прибора без ГТПС сводится к совместному итерационному решению стационарных уравнений теплопроводности и уравнений лучистого теплообмена (при учете излучения). Для плоских тепловых труб были разработаны более сложные модели и алгоритмы, основанные на совместном решении двухмерных уравнений теплопроводности, уравнений сохранения массы жидкости и пара, дополненных уравнениями Дарси. В модели используются усредненные характеристики, которые отражают проницаемость внутренней структуры плоской тепловой трубы для пара и жидкости. Система уравнений в области плоской тепловой трубы имеет вид:

где $T(x, y)$ – распределение температуры; $d\lambda$ – произведение толщины и эффективной теплопроводности конструкции тепловой трубы (при отсутствии циркуляции теплоносителя); $g(x, y)$ и $f(x, y)$ – коэффициенты, учитывающие внешние потоки тепла (тепловыделение ЭРИ, сток тепла, слагаемые для радиационных потоков тепла и пр.); $q_{ev}(x, y)$ – поглощаемое испаряющимся теплоносителем в тепловой трубе тепло (Вт/м2); $Pl(x, y)$ и $Pv(x, y)$ – давления в жидкостной и паровой фазах теплоносителя; $H_{ev}$ – скрытая теплота парообразования теплоносителя; $\mu$ и $\rho$ – вязкость и плотность фаз теплоносителя; $K_l$, $K_v$ – коэффициенты, определяющие проницаемость капиллярной структуры тепловой трубы для жидкости и пара. Для решения системы (1) – (3) дополнительно используется соотношение \[\nabla {P_v} = \frac{{\partial {P_v}}}{{\partial {T_v}}}\nabla T\] указывающее, что пар внутри тепловой трубы находится на линии насыщения. При этом зависимость производной давления насыщенного пара по температуре может задаваться как отдельная характеристика теплоносителя. Система уравнений (1) – (3) решается итерационно, при этом на каждой итерации после расчета распределения давлений жидкости и пара проверяется следующее условие: \[{P_v}(x,y) — {P_l}(x,y) < {P_c} \] \[{P_c} = 2\sigma \cos (\theta )/{r_c} \] где $r_c$ – радиус пор фитиля, $\sigma$ – коэффициент поверхностного натяжения, $\theta$ – предельный угол смачивания материала фитиля теплоносителем. В области, где условие (4) не выполняется, фитиль осушается, и поглощение тепла при испарении прекращается. Величина $q_{ev}$ в этой области принимается равной нулю для последующих итераций. Аналогично учитывается условие на замерзание теплоносителя: $T(x, y) > T_0$, где $T_0$ – температура замерзания.

Рис. 2. Окно программного комплекса с результатом теплового расчета прибора РЭА

Рис. 3. Температура поверхности блока РЭА и поле скоростей жидкости в фитиле ГТПС