Multipurpose hybrid thermal control system of lunar lander based on a pumped fluid loop.pdf На сегодняшний день только три страны - СССР, США и КНР осуществили мягкую посадку автоматических долгоживущих космических аппаратов (КА) на поверхность Луны. При этом технические специалисты, создававшие эти аппараты, по-разному решили задачу обеспечения теплового режима, установленного на них оборудования. В советских самоходных лабораториях Луноход, которые по сей день держат первенство по длительности пребывания на Луне, для стабилизации температуры приборного отсека использовался азотный газовый циркуляционный контур [1]. Движение газа по контуру осуществлялось с помощью вентилятора таким образом, чтобы газ мог нагреваться от имеющегося на борту радиоизотопного источника тепла (РИТ) либо охлаждаться, циркулируя через регулируемый тепловой отсек (РТО). Регулируемая заслонка нужным образом изменяла маршрут движения газового потока. Ночью, длящейся около 14 земных дней, циркулирующий поток направлялся к РИТ, а РТО и солнечная батарея (СБ) складывались заблаговременно рабочими сторонами вместе, минимизируя теплообмен приборного отсека с окружающей средой (СБ, в ночное время, выполняла роль «крышки» для РТО). Дежурный режим работы вентилятора обеспечивался лунной ночью с помощью аккумуляторной батареи (АБ). Таким образом, РТО, СБ, а также все оборудование приборного отсека предохранялись в советских аппаратах от переохлаждения и перегрева. В американских автоматических посадочных аппаратах Surveyour наиболее чувствительное к внешним воздействиям оборудование было размещено в двух теплоизолированных (негерметичных) приборных контейнерах (ПК), тепло из которых отводилось с помощью пассивных тепловых ключей (thermal switches) к небольшим РТО [2]. При охлаждении ПК ниже заданного температурного предела тепловые ключи размыкались и отключали РТО, что позволяло значительно снизить темп остывания оборудования в контейнерах лунной ночью. Характеристики аккумуляторных батарей КА Surveyour не позволяли обеспечить продолжительный обогрев ПК, а автономные источники тепла, подобные РИТ, в данных аппаратах не были предусмотрены. Это приводило к глубокому охлаждению оборудования, размещенного в контейнерах, в течение лунной ночи, в результате аппараты выходили из строя через 2-3 лунных суток. Посадочный комплекс КНР, состоящий из стационарной платформы и небольшого самоходного аппарата (Change-3 и Yutu), был посажен на поверхность Луны спустя 30 лет после завершения лунных программ США и СССР. В распоряжении китайских специалистов имелись более современные и эффективные технические средства: агрегаты, приборы, материалы и технологии. Сообщается [3], что в китайском посадочном модуле применяется РИТЭГ, а самоходный аппарат снабжен несколькими РИТ, кроме того, СОТР содержит двухфазные тепло-передающие устройства, возможно, контурные тепловые трубы (КнТТ) и/или тепловые трубы (ТТ). В настоящее время аппараты КНР продолжают функционировать на Луне и, по-видимому, могут создать наиболее длительный прецедент работы на ее поверхности. В целом, разрозненные и скупые описания китайской миссии рисуют концепцию, схожую с находящимися в стадии проектирования российскими автоматическими посадочными модулями (ПсМ) «Луна-Ресурс» и «Луна-Глоб» [4]. Литературные источники, в которых описывалось бы применение ЖК в составе автоматического посадочного лунного модуля, авторам неизвестны, однако, применительно к КА на орбите ИСЗ, идея похожей гибридной СОТР на базе КнТТ и ЖК была описана в [5]. Рассмотрим предлагаемую здесь СОТР применительно к ПсМ «Луна-Глоб», подразумевая, что приборный отсек данного модуля можно доработать для инсталляции ЖК в некоторой перспективе. На рис. 1 показана платформа (8) с установленными приборами и оборудованием (7). В составе оборудования, в частности, предусмотрен РИТЭГ (6), обеспечивающий постоянный подогрев платформы и дежурное электропитание. С помощью насоса (!) обеспечивается циркуляция жидкого теплоносителя через трубопроводы, проходящие внутри платформы и через другие элементы СОТР, что способствует «выравниванию» температуры между ними. (Трубопроводы ЖК показаны на рис. 1 темной толстой линией.) Для минимизации воздействия окружающей среды платформа, трубопроводы ЖК и четыре теплообменника (4) ЖК закрыты теплоизоляцией (9). Сброс излишков тепла от системы в окружающее Рис. 1. Схема гибридной СТР на базе жидкостного контура и контурных тепловых труб пространство осуществляется с помощью четырех РТО (2), в каждом из которых встроен конденсатор КнТТ. Испарители (3) КнТТ контактируют с теплообменниками ЖК, что позволяет отбирать тепло от жидкого теплоносителя и передавать его к РТО. (Элементы КнТТ схематично изображены серой толстой линией.) Таким образом, представленная СОТР располагает четырьмя параллельными теплоотводящими трактами, каждый из которых содержит последовательно соединенные: теплообменник ЖК, регулируемую КнТТ и РТО. Функции РТО в данной системе выполняют адаптированные для этой цели панели СБ. Решение о конструктивном совмещении СБ и РТО посредством инсталляции в панели СБ конденсаторов КнТТ было предложено в [4] и предусматривает поочередное использование панелей в качестве РТО, либо в качестве СБ, а также работу КнТТ в режиме термодиодов. Взаимная ориентация панелей СБ в ПсМ выполнена таким образом, что в любой момент 2-3 из них будут иметь температуры ниже температуры платформы и, следовательно, могут выполнять функции РТО. Для того чтобы не переохладить платформу ниже заданной температуры КнТТ снабжены пассивными регуляторами температуры (5), способными «перепускать» двухфазный теплоноситель через байпас. Благодаря таким регуляторам [6], при снижении температуры испарителя до установленного предела регулирования (определенного по аналогии с КА «Луна-Глоб» значением 6 ± 3 °С) КнТТ перестает передавать тепловой поток от платформы к РТО. При повышении температуры испарителя выше указанного предела КнТТ вновь начинает отводить тепло к РТО. На схеме рис. 1 все четыре теплообменника и прочие элементы ЖК соединены (по теплоносителю) строго последовательно. Такое решение повышает надежность системы, поскольку позволяет исключить «самозапирание» отдельных параллельных секций ЖК или предотвратить недопустимое снижение расхода в них. Возникновение подобных нежелательных эффектов наиболее вероятно в случаях, когда параллельные секции ЖК несимметрично теплонагружены или существует несимметричный сток тепла. Дополнительную иллюстрацию теплового соединения теплообменников ЖК с КнТТ дает рис. 2. Здесь показано, что контактные основания испарителей устанавливаются на металлические теплопроводные пластины, имеющие мелкие каналы (канавки) для жидкого теплоносителя. Проводимость такого соединения в составе предлагаемой СОТР оценивается значением 15 Вт/К, которое далее будет использовано в тепловой модели. Линии тока жидкого теплоносителя Теплообменник ЖК Рис. 2. Пример соединения теплообменника ЖК с испарителем КнТТ Максимальная тепловая проводимость между паром в испарителе и излучающей поверхностью РТО, по аналогии с штатными РТО «Луна-Глоб» (в режиме, когда КнТТ работает как обычная, нерегулируемая), принята равной 45 Вт/К. Данное значение учитывает то, что покрытие рабочей поверхности РТО элементами фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) снижает его эффективность. Применительно к актуальным геометрическим размерам КА «Луна-Глоб» замена штатных РТО на совмещенные РТО - СБ приводит к росту площади излучающей поверхности с 1,3 до 3,6 м2, что в значительной мере компенсирует указанную потерю эффективности. Платформа, несущая приборы и оборудование как элемент ЖК, также представляет собой контактный теплообменник, который образован набором последовательно соединенных профилированных алюминиевых труб, закрытых с двух сторон плоскими алюминиевыми листами-обечайками. Имеющиеся внутри платформы пустоты, так же как и в ТСП на базе ТТ, при необходимости могут быть заполнены сотовым наполнителем. Устанавливаемое оборудование можно крепить к платформе с двух сторон подобно тому, как это делается на штатной ТСП «Луна-Глоб» [4]. Суммарная проводимость, выражающая качество теплового соединения между обечайками, на которые инсталлируется оборудование, и теплоносителем, циркулирующим внутри встроенных в платформу алюминиевых профилей, определена, для дальнейшего анализа, величиной 80 Вт/К. Важным решением, применяемым в СОТР на рис. 1, является то, что насос в ЖК работает постоянно, а циркуляция теплоносителя происходит без какой-либо корректировки расхода. Стабилизацию нижней температурной границы такого (нерегулируемого) ЖК обеспечивают регулируемые КнТТ, которые необходимым образом увеличивают термическое сопротивление между ЖК и РТО. КнТТ, планируемые к использованию, заправлены пропиленом, поэтому их конденсаторы, интегрированные в РТО, можно охлаждать до очень низких температур (минус 190 °С), а это крайне важно в условиях «лунного климата». Все элементы СОТР находятся в неизменном тепловом контакте с постоянно циркулирующей однофазной жидкостью. Поскольку эта жидкость непрерывно подогревается от РИТЭГ, а регуляторы КнТТ не дают охлаждаться испарителям ниже 3 °С, диапазон рабочих температур теплоносителя ЖК может лежать, ориентировочно, внутри интервала 0-50 °С (температуру «сверху» ограничивает допустимый диапазон температур установленного на платформе оборудования). Сказанное означает, что в качестве теплоносителя ЖК можно применять многие жидкости, в том числе и теплоноситель вода - этиленгликоль, эффективно используемый в большинстве бытовых и промышленных систем охлаждения3. В результате применения ЖК, а также за счет совмещения РТО и СБ, предлагаемая СОТР обретает ряд преимуществ. Во-первых, верхнюю часть КА можно освободить для установки научных и служебных приборов, а также расширить обзор для уже установленных приборов и оборудования. Во-вторых, СОТР ПсМ становится нечувствительной к наклонам КА относительно вектора земной и лунной гравитации (в отличие от СОТР на базе ТТ). В-третьих, единичные приборы можно охлаждать вне общей панели, снабдив их теплообменниками («cold plates»), подобными показанному на рис. 2. Без изменения схемы СОТР можно увеличить и количество панелей, несущих оборудование, то есть общим количеством теплообменников можно варьировать и, при необходимости, можно отказаться от идеи «единой платформы». В-четвертых, хладопроизводительность системы можно наращивать, поскольку ЖК позволяет устанавливать дополнительные РТО, в том числе и на удалении от платформы. Традиционным недостатком СОТР на базе ЖК принято считать необходимость длительного непрерывного применения механического насоса с электроприводом. Ресурс работы таких устройств ныне исчисляется годами, однако, на практике, насосы принято дублировать. Принимая во внимание лунную аппликацию технологии ЖК, важно учесть в числе недостатков и то, что ночная (двухнедельная в земной шкале) работа насоса потребует расхода (ночной) электроэнергии при ее очевидном дефиците. Если принять, что для поддержки ночного режима может быть использован РИТЭГ, а также некоторая часть емкости аккумуляторной батареи - дежурное энергопотребление насоса можно без риска довести до 6-7 Вт (при этом логично переводить насос в режим ограниченного электропотребления). Рассмотрим разработанную в рамках настоящей работы упрощенную тепловую математическую модель, с помощью которой ниже будет анализироваться применение ЖК на поверхности Луны. Модель построена с помощью РС-ESA-TAN [7] и представлена следующими узлами: • 10 - насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости; • 20, 40, 60, 80 - платформа несущая оборудование и приборы; • 30, 50, 70, 90 - узлы, имитирующие 4 «сборки» испарителей КнТТ с теплообменниками ЖК (см. рис. 2); • 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91 - замкнутый жидкостной контур, осуществляющий циркуляцию через узлы с 10 по 90; • 190, 170, 150, 130 - радиаторы (совмещенные с панелями СБ); • 998 - граничный узел «Космос»; • 999 - граничный узел «Поверхность Луны». Применяемую расчетную схему демонстрирует рис._3. Представленная схема была сгенерирована утилитой TERMNV пакета РС-ESATAN автоматически. Линейные, нелинейные, а также адвективные связи между узлами показаны разными цветами. Адвективными связями соединены узлы ЖК 11-21-31-41-51-61-71-81-9111, образуя замкнутый контур, а нелинейные связи между узлами 190, 170, 150, 130 и граничными узлами 998, 999 моделируют работу РТО-СБ, излучающих 998 190 90 91 11 Рис. 3. Расчетная схема тепловой модели СОТР на базе ЖК (TERMNV/ESATAN) в космос и на поверхность Луны. Для сохранения наглядности схемы в ней не показаны узлы, имитирующие экранно-вакуумную изоляцию (ЭВТИ), которой закрыта платформа с приборами, однако, при выполнении расчетов наличие ЭВТИ учитывалось. Для анализа работы ЖК в составе ПсМ дополнительно к параметрам, которые были определены выше, применялись следующие допущения и условия: - установленный в системе насос имеет тепловыделение порядка 10 Вт и обеспечивает постоянный объемный расход теплоносителя 0,7 л/мин (по аналогии с характеристиками насосного блока в проектах MPF, MER и MSL [8]); - теплоносителем в ЖК является вода с содержанием этиленгликоля 20 % (принимается, что внутренние поверхности ЖК защищены от коррозии); - поскольку все элементы ЖК работают в относительно узком температурном диапазоне и соединены последовательно, массовый расход в контуре задан директивно постоянным значением (т.е. учет гидравлических характеристик циркуляционного контура в тепловой модели не обеспечивается); - РТО ПсМ расположены вертикально и излучают к граничным узлам № 998 и № 999 в равных долях, выраженных с помощью угловых коэффициентов (в соответствии с компоновкой СБ на КА «Луна-Глоб»); - солнечные потоки, падающие на панели СБ, имеют циклический характер и также соответствуют штатной ориентации КА Луна-Глоб в точке посадки (потоки на РТО рассчитаны заранее и применяются в разработанной модели в виде циклограмм); - точка посадки КА лежит в полярной зоне Луны с географической широтой 80° («Луна-Глоб»/« Луна-Ресурс»). Многообразие рабочих циклограмм оборудования, а также некоторая неопределенность в части их наложения друг на друга делают формальное представление работы ПсМ на поверхности Луны затруднительным. Выбор наиболее теп-лонапряженных режимов в таких задачах зачастую неочевиден. В связи с этим, для проведения анализа были сформированы два упрощенных универсальных расчетных сценария (традиционно, «холодный» и «горячий»). Оба сценария охватывают лунные сутки целиком. Учитывая то, что на Луне нет атмосферы, а сезонные явления, присущие Земле, здесь практически отсутствуют, характер изменения и значения температуры поверхности планеты и падающих внешних потоков в месте посадки для обоих сценариев приняты одинаковыми. Циклограмму изменения температуры поверхности Луны в точке посадки иллюстрирует рис. 4. Отличие двух сценариев выражено лишь величинами тепловыделения оборудования, установленного на платформе, которые также отражены в виде циклограмм на рис. 4. В «холодном режиме» дежурное тепловыделение от оборудования к платформе выражено постоянными значениями 150 Вт в течение дня и 0 Вт в течение ночи. В «горячем режиме», трижды за лунный день, дополнительно к дежурному тепловыделению включается оборудование, дающее плавное увеличение мощности на 150 Вт, т.е. доводит теплонагружение платформы до 300 Вт. Продолжительность единичного теплонагружения величиной 300 Вт составляет 42 часа (см. рис. 4). На ночь в горячем режиме все оборудование также выключается, но заметно позднее, чем в холодном режиме, с задержкой на 100 ч. Независимо от циклограмм, показанных на рис. 4, на платформе непрерывно (круглосуточно) работает РИТЭГ. Его тепловая мощность равна 145 Вт в горячем режиме и 120 Вт в холодном. Тепловая мощность, определяемая циклограммами по рис. 4, распределена равномерно между узлами № 20, 40 и 60, мощность РИ-ТЭГ приложена к узлу № 80. 400 н m ,е О и й Я Н а =з § Я мо

Скачать электронную версию публикации