Типы тепловых труб и принципы их работы

Помимо ЭВТИ важным элементом системы обеспечения теплового режима КА являются тепловые трубы – устройства, обладающие очень высокой теплопроводностью. Тепловая труба состоит из участка испарения и участка конденсации. Труба может иметь и еще одну зону – адиабатный участок, разделяющий испаритель и конденсатор.

Тепловая труба по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки и конденсат возврашается в испаритель под действием капилярных сил. В тепловой трубе на расположение испарителя не накладываются ограничения, и она может работать при любой ориентации. Конечно, если испаритель тепловой трубы окажется в нижней точке , гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными. А вообще, для обеспечения работы тепловой трубы необходимо, чтобы максимальный капиллярный напор ( превышал полное давление в трубе. Это падение давления складывается из трех составляющих :

1) перепада давления , необходимого для возврата жидкости из конденсатора в испаритель; 2) перепада давления , требуемого для обеспечения перетекания пара из испарителя в конденсатор; 3) гравитационной составляющей , которая может быть положительной и отрицательной, а также равняться нулю. Таким образом , должно выполняться соотношение . Если это условие не будет соблюдено, то произойдет высыхание фитиля в зоне испарения и труба не будет работать.

Эффективность тепловой трубы часто определяется с помощью понятия “ эквивалентная теплопроводность” [ ]. В качестве примера можно отметить, что тепловая труба, в которой в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 С , будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Теплопередающая способность тепловой трубы может быть очень большой ; в тепловых трубах на литии при температуре 1500 С в осевом направлении может быть передан тепловой поток плотностью .

Цилиндрические тепловые трубы применимы во многих случаях, но для удовлетворения специальных требований могут быть созданы трубы других конфигураций.

Тепловая труба помимо высокой эффективной теплопроводности характеризуется изотермичностью поверхности при низком термическом сопротивлении. Поверхность конденсации тепловой трубы в этом случае работает практически при постоянной температуре. Если на некотором участке возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом месте пара увеличивается и за счет этого температура поддерживается на прежнем уровне.

Имеются специальные тепловые трубы, которые обладают переменным термическим сопротивлением (тепловые трубы с изменяющейся проводимостью) . Такой тип тепловой трубы, известный как газорегулируемая тепловая труба, поддерживает температуру теплового источника почти на одном уровне при изменении подвода теплоты в широких пределах. Это можно достигнуть, поддерживая постоянным давление в трубе и в то же время изменяя площадь поверхности конденсации в соответствии с изменением подвода теплоты. Тепловая труба присоединяется к резервуару, имеющему объем значительно больший, чем труба. Резервуар заполняется инертным газом под давлением, соответствующим давлению насыщения рабочей жидкости в трубе. При нормальной работе пар в тепловой трубе будет оттеснять инертный газ обратно в резервуар , и поверхность раздела между паром и газом будет находиться в некоторой границе участка конденсации. Допустим, что подвод теплоты несколько возрос. Температура насыщенного пара увеличивается, и вследствие этого увеличивается давление насыщения. Давление пара возрастает очень резко при малом возрастании температуры. Небольшое увеличение давления вызовет оттеснение поверхности раздела между паром и инертным газом и вследствие этого поверхность конденсации увеличится. Так как объем резервуара значительно болше по сравнению с объемом трубы, небольшое изменение давления приведет к значительному смещению поверхности раздела. Следует заметить, что температура, которая регулируется в большинстве простых газорегулируемых тепловых трубах, как и в тепловых трубах других типов, представляет собой температуру пара в трубе. При прохождении теплоты через стенку корпуса на участках испарения и конденсации будут наблюдаться обычные перепады температур.

Дальнейшее улучшение характеристик трубы достигается использование контура обратной связи. Давление газа в резервуаре изменяется с помощью электронагревателя, который регулируется по сигналу чувствительного элемента, установленного у источника теплоты

Радиационно-оптические покрытия поверхности КА и их реакция на воздействие коротковолнового электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца.

Как уже отмечалось на предыдущей лекции в состав СОТР входят и средства пассивного терморегулирования. Эти средства, включая и ЭВТИ, предназначены для придания определенных теплофизических свойств конструкции и оборудованию КА. Они позволяют интенсифицировать процессы кондуктивного и лучистого теплообмена, увеличить тепловую инерцию тех или иных элементов. Применение теплоизоляционных материалов, покрытий и обработки поверхностей с целью получения определенных радиационно-оптических характеристик позволяет, в первую очередь, уменьшить и ограничить пределы изменения нагрузок на СТР, что, естественно, позволяет упростить систему и улучшить ее массовые и энергетические показатели. Средства пассивного терморегулирования являются очень эффективным средством повышения стабильности температурного состояния КА в условиях переменных внешних воздействий, например, на его корпус. Однако использование материалов и покрытий в качестве пассивных регуляторов интенсивности внешнего теплообмена КА сопряжено с одним неблагоприятным обстоятельством , связанным с тем, что многие материалы , подвергаясь воздействию коротковолнового электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца, изменяют со временем свои радиационно-оптические характеристики, т.е. поглощательные, отражательные, пропускательные и излучательные свойства. Изменение отмеченных характеристик является результатом так называемых радиационных повреждений материалов, которые происходят в основном вследствие ионизации, электронных возбуждений, смещения атомов вещества, диссоциации химических связей в молекулах при поглощении фотонов больших энергий и взаимодействии с высокоэнергетическими заряженными частицами солнечного и галактического происхождения [ 8 , 9 ].

В металлах электромагнитное солнечное излучение не может вызвать радиационные повреждения, так как металлические материалы не подвержены влиянию ионизации и возбуждения, а для смещения атомов энергии испускаемых Солнцем фотонов ( ) оказывается недостаточно, поскольку минимальная энергия, необходимая для смещения атомов вещества, оценивается величиной [ 8 ], где -атомный вес вещества.

У неметаллических материалов энергия химических связей и величина потенциала ионизации невелики ( единицы- десятки ), поэтому поглощение фотонов коротковолнового излучения , в первую очередь ультрафиолетового ( ), у этих материалов может сопровождаться физико-химическими превращениями - деградацией, которая проявляется , главным образом, через изменения поглощательных и отражательных свойств поверхности материала. Деградация материалов создает трудности решения задачи обеспечения теплового режима КА, особенно в связи с увеличением коэффициента белых покрытий, наносимых на подверженные воздействию солнечного излучения поверхности для снижения уровня их температур. Деградация покрытий ухудшает характеристики холодильников-излучателей, применяемых в активных системах терморегулирования , и повышает общий уровень температур при использовании пассивных средств обеспечения тепловых режимов. Радиационным повреждениям подвержены применяемые в оптических и других устройствах прозрачные или полупрозрачные в каких-то спектральных диапазонах диэлектрики, вследствие чего их пропкскательная способность уменьшается.

Механизмы повреждения выяснены недостаточно. С гипотезами, касающимися этих механизмов, можно ознакомиться в [ 8 , 9 ]. В отмеченных работах приводятся и данные о результатах исследования радиационно-оптических характеристик, в первую очередь , ряда терморегулирующих покрытий в натурных (летных) и лабораторных (наземных) экспериментах. Результаты исследований одних и тех же покрытий и материалов в натурных и лабораторных условиях не идентичны . Причины расхождения разнообразны. Например, отсутствие комплексных облучений при получении большей части экспериментальных данных ; недостаточно точное воспроизведение характерных энергетических спектров моделируемых корпускулярного и электромагнитного излучений; возможность загрязнения облучаемых покрытий в экспериментальных установках и др. То есть причины расхождения заключаются в несовершенстве методов лабораторного моделирования воздействия различных факторов космического пространства на терморегулирующие покрытия.

Лабораторные эксперименты пока еще не позволяют надежно прогнозировать изменение характеристик терморегулирующих покрытий в условиях космического полета. Требуется проведение натурных испытаний. Однако для изучения механизма деградации, определения тенденций изменения свойств материалов под воздействием тех или иных факторов космического пространства, проверки эффективности каких-то мероприятий по поддержанию стабильности радиационно-оптических характеристик, а также для проверки радиационной стойкости новых покрытий лабораторные эксперименты необходимы. Некоторое представление о характере изменения по времени для нескольких известных терморегулирующих покрытий и материалов в условиях космического полета можно получить из рассмотрения приведенного ниже рисунка, заимствованного из [ 9 ] . На этом рисунке представлена зависимость от времени пребывания в космосе в условиях облучения потоком солнечного излучения образцов покрытий, установленных на КА “Маринер”. [ ]=месяцы. Кривая 1 на рисунке соответствует белой эмали, 2 - полированному алюминию, 3 - краске на основе алюминиевого порошка ( пигмента) и силиконового связующего , 4 - черной краске.