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»)