Отдел Информационно-вычислительного моделирования

Для обеспечения работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) большой мощности, работающей на космическом аппарате (КА) в прерывистом и периодическом режиме, требуется излучающий радиатор, соответствующий пиковой нагрузке. Если пиковая нагрузка значительно превышает среднюю за период обращения по орбите, то большие размеры и вес радиатора, соответствующие пиковой нагрузке, приведут к значительному увеличению общей стоимости выведения спутника на орбиту. Размеры и вес радиатора КА могут быть уменьшены при применении теплового аккумулятора (ТА), использующего плавящиеся рабочие вещества, обладающие относительно большой теплотой фазовых превращений и позволяющих многократно их использовать при воздействии пиковых тепловых нагрузок. В таком случае ТА перераспределяет пиковую, сосредоточенную во времени теплоту, выделяемую РЭА, на весь период полета по орбите, осуществляя отвод поглощенной рабочим веществом теплоты в перерывах между включениями блоков РЭА. Это позволяет стабилизировать температуру и поддерживать оптимальный тепловой режим приборов не только в периоды пикового тепловыделения, но также предотвратить резкое уменьшения температуры, когда тепловыделение отсутствует.

Внешний вид экспериментального образца теплового аккумулятора с гипертеплопроводящими пластинами

Радиолокационные изображения земной поверхности, получаемые из космоса с помощью современных радиолокаторов, по своей детальности и информативности не уступают лучшим оптическим изображениям. Космические радиолокационные системы являются эффективным средством дистанционного зондирования, позволяющим проводить наблюдения территорий Земли независимо от погодных условий и времени суток. Применение космических радиолокаторов в мировой практике дистанционного зондирования Земли за последние годы показало их высокую эффективность в решении широкого круга прикладных задач. Активные фазированные антенные решетки (АФАР) являются наиболее перспективным примером РЭА большой мощности и кратковременного действия. При использовании АФАР важнейшей проблемой является отвод тепловой мощности. Коэффициент полезного действия приемо-передающего модуля не превышает 45%, поэтому AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть отведена, чтобы предохранить чипы передатчика от перегрева. Перегрев негативно сказываются на параметрах прибора, в частности на частотных характеристиках и на значениях выходной мощности, а также на надежности устройства в целом. Применение систем терморегулирования с ТА является перспективным направлением оптимизации тепловых режимов АФАР.

Для эффективного применения теплоаккумулирующего вещества (ТАВ), использующего скрытую теплоту фазового превращения в чередующихся циклах накопления и выделения теплоты, оно должно удовлетворять особым теплофизическим свойствам. Критериями для выбора оптимального ТАВ являются: соответствие температуры изменения фазы рабочему диапазону РЭА, высокая скрытая теплота, хорошая теплопроводность жидкой и твердой фаз, небольшая разница между плотностями двух фаз. Кроме того, ТАВ должно плавиться конгруэнтно с минимальным переохлаждением и быть химически стабильными, иметь малую степень переохлаждения, отсутствие реакций с материалом контейнера и небольшие изменения объема при фазовых превращениях.

Сравнение и анализ характеристик ТАВ показали, что для блоков РЭА в качестве ТАВ оптимальным является использование органических веществ. Это практически полностью снимает вопросы коррозионного разрушения контейнера, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, оптимальный диапазон температур плавления, неплохие экономические показатели. Основной их недостаток — сравнительно низкая теплопроводность, и его преодоление требует специальных технических решений, позволяющих увеличить площадь и эффективность теплообмена. В данной разработке в качестве ТАВ рассматривается органическое соединение октадекан с 18 атомами углерода ($C_{18}H_{38}$). У октадекана температура изменения фаз соответствует диапазону «максимальная – минимальная» рабочая температура электронных компонентов, и он имеет высокую скрытую теплоту. Кроме того, октадекан является химически стабильными по отношению к металлам и имеет малую разницу в плотностях твердой и жидкой фаз. Температура изменение фазы октадекана 28,2°C, его скрытая теплота фазового перехода $q_ф$ = 244 кДж/кг, удельная теплоемкость 2,3 кДж/(кг·К) и плотность $\rho$ = 814 кг/м³. В жидкой фазе, плотность уменьшается примерно на 5%. Теплопроводность октадекана составляет в среднем $\lambda$ = 0,25 Вт/(м·К), как для жидкой, так и твердой фаз.

Рис. 1. Схема конструкции системы охлаждения с тепловым аккумулятором (ТА): 1 – прибор РЭА, 2 – теплоотводящее основание ТА, 3 – ребра ТА, 4 – ТАВ, 5 – каналы охлаждения ТА, 6 – излучающий радиатор

Из-за низкой теплопроводности октадекана процесс теплопередачи в его объеме затруднен. Поэтому для применения октадекана в ТА необходимым условием является интенсификация теплообмена за счет развития площади контакта с ТАВ, чтобы теплота передавалась и проникала во весь его объем. Эффективным методом для развития площади контакта в ТА является применение оребрения. Один из возможных вариантов конструкции системы охлаждения представлен на рис. 1. Прибор РЭА (1), выделяющий тепловую мощность Q, устанавливается на теплоотводящее основание ТА (2). Между ребрами ТА (2) находится теплоаккумулирующее вещество (4), которое плавится при постоянной температуре, поглощая выделяемую прибором теплоту. По окончании работы РЭА тепловой аккумулятор охлаждается теплоносителем, протекающим по каналам охлаждения ТА (5) и внешнего радиатора (6). Отведенная теплота излучается с поверхности радиатора в окружающее пространство.

Рис. 2. Схема расчета системы терморегулирования с тепловым аккумулятором (ТА) 1 – блок РЭА, 2 – теплоподводящее основание, 3 – теплоотводящее основание, 4 – теплоаккумулирующий материал, 5 – ребра

Значительное увеличение площади теплообмена возможно при тонких ребрах, имеющих большую высоту. Однако, возможности развития площади теплообмена ограничены тем, что в результате бокового теплообмена температура по высоте ребра снижается и с определенного момента дальнейшее развитие поверхности не приводит к заметному повышению эффективности теплообмена. Возможность многократного увеличения площади и интенсификации теплообмена дает техническое решение, которое заключается в применение в качестве ребер гипертеплопроводящих (ГТП) пластин. ГТП пластины по своей сути являются плоскими тепловыми трубами, в которых высокая эффективность теплопередачи обеспечивается за счет фазовых превращений теплоносителя при движении в пористой среде. Эффективная теплопроводность ГТП пластин в 10 и более раз превышает теплопроводность меди. Для исследования динамики процесса теплообмена, протекающего в объеме ТА (рис. 2), использована математическая модель, основанная на численном решении уравнения теплопроводности.

a) $\Delta t$ = 1 ч, $\Delta T$ = 1°C

б) $\Delta t$ = 2 ч, $\Delta T$ = 0,1°C

в) $\Delta t$ = 5 ч, $\Delta T$ = 0,1°C

г) $\Delta t$ = 10 ч, $\Delta T$ = 0,5°C

Рис.3. Распределение температуры в объеме ТА с ребрами на основе ГТП пластин

На основе математической модели проведены расчеты температурного поля в объеме ТА с ребрами из меди и ГТП пластин (рис. 3). Зависимость средней температуры $T(t)$ внешней поверхности основания ТА с ГТП ребрами приведена на рис. 4.

Рис. 4. Временные зависимости средней температуры внешней поверхности ТПО для ТА с ребрами на основе ГТП пластин

Амплитуда температурных колебаний равна примерно 15°C, что вдвое ниже, чем для ТА с медными ребрами. Меньшая амплитуда колебаний обусловлена тем, что при однородном распределении температуры ребра обеспечивается равномерный подвод теплоты, соответственно, за счет этого снижается интегральное термическое сопротивление слоя ТАМ между ТПО и фронтом плавления. Проведен сравнительный анализ температурных полей и временных зависимостей средней температуры посадочного места РЭА для ТА с ребрами из меди и ГТП пластин. Результаты расчетов показали, что увеличение теплопередающей способности ребра за счет применения ГТП пластин позволяет повысить равномерность подвода теплоты к ТАМ и значительно уменьшить амплитуду температурных колебаний посадочного места РЭА. Таким образом, ТА с ребрами на основе ГТП пластин является перспективной пассивной системой обеспечения тепловых режимов бортовой РЭА периодического и кратковременного действия.

•   Е. Н. Васильев, В. А. Деревянко.
  Динамика фазовых превращений в тепловом аккумуляторе системы терморегулирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры // Теплофизика и аэромеханика. — 2018. — Т. 25, № 3. — С. 481–488. (скачать)