Ретроспективний огляд розробок двофазних контурів теплопереносу з насосним прокачуванням теплоносія для систем забезпечення теплового режиму космічних апаратів

DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.04.027
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 24, № 4, 2021 (грудень)
Сторінки 27–37

 

Автори

Г. О. Горбенко, Центр технічної фізики «ЦТФ» (61070, Україна, м. Харків, вул. Чкалова, 17), e-mail: gennadiy.gorbenko@ctph.com.ua

П. Г. Гакал, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» (61070, Україна, м. Харків, вул. Чкалова, 17), e-mail: p.gakal@khai.edu, ORCID: 0000-0003-3043-2448

Р. Ю. Турна, Центр технічної фізики «ЦТФ» (61070, Україна, м. Харків, вул. Чкалова, 17), e-mail: rustem.turna@ctph.com.ua, ORCID: 0000-0001-5773-1400

А. М. Годунов, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» (61070, Україна, м. Харків, вул. Чкалова, 17), e-mail: artem.hodunov@ctph.com.ua, ORCID: 0000-0001-8850-8367

 

Анотація

Основні питання, пов’язані з розробкою двофазних контурів теплопереносу з механічним прокачуванням теплоносія для систем забезпечення теплового режиму космічних апаратів з великою енергоозброєністю сформульовані ще на початку 80-х. Вони мають незаперечні переваги порівняно з однофазними контурами з механічним прокачуванням і двофазними контурами з капілярним прокачуванням за потужності понад 6 кВт і відстані теплопереносу понад 10 м. Інтенсивні дослідження і розробки таких систем розпочаті в США спільно з європейськими, канадськими і японськими фахівцями у зв’язку з планами створення нових космічних апаратів великої потужності і проєктом орбітальної станції Freedom. У 90-ті роки в РКК «Енергія» імені С. П. Корольова (Росія) велися роботи зі створення двофазного контуру теплопереносу з механічним прокачуванням теплоносія для російського сегменту Міжнародної космічної станції (МКС) потужністю 20–30 кВт. Для цього були задіяні провідні дослідницькі організації колишнього СРСР. Інтерес до двофазних контурів в останні два десятиліття істотно зріс через проекти потужних стаціонарних космічних платформ та різних місячних і марсіанських місій. У статті поданий ретроспективний огляд світових розробок двофазних контурів теплопереносу з механічним прокачуванням теплоносія для систем забезпечення теплового режиму космічних апаратів з великою енергоозброєністю з початку 80-х років дотепер. Розглянуто участь у розробках вчених та інженерів Національного аерокосмічного університету «ХАІ» та Центру технічної фізики (Харків, Україна). Висвітлено основні напрями досліджень, результати розробок та науково-технічні проблеми на шляху практичної реалізації двофазної системи. Незважаючи на великий обсяг виконаних пошукових і дослідно-конструкторських робіт, до недавнього часу не було практично реалізованих проектів космічних апаратів з двофазним контуром теплопереносу великої потужності. Першим потужним стаціонарним супутником з двофазним контуром теплопереносу став супутник SES-17 на платформі NEOSAT компанії Thales Alenia Space-France. Супутник виведений на орбіту 24 жовтня 2021 року ракетою Ariane-5 з космодрому Куру, Французька Гвіана.

 

Ключові слова: космічний апарат; система терморегулювання; двофазний контур теплопереносу з механічним прокачуванням теплоносія.

 

Література

  1. Ollendorf S. Recent and planned developments at the Goddard Space Flight Center in thermal control technology. Proc. Intern. Symposium on Environmental and Thermal Systems of Space Vehicles, Toulouse, France. 1983. P. 45–51.
  2. Delil A. A. M. Some considerations concerning two-phase flow thermal bus systems for spacecraft: Report. National Aerospace Laboratory NLR, NLR Memorandum RL-84-028 U. http://resolver.tudelft.nl/uuid:7ca02b9b-faee-4a38-8a91-050583530e1e.
  3. Raetz J., Dominick J. Space station external thermal control system design and operational overview. Proc. Intern. Conf. on Environmental Systems. SAE International. 1992. https://doi.org/10.4271/921106.
  4. Brady T. K. Space station thermal test bed status and plans. Proc. Intersociety Conf. on Environmental Systems. SAE International. 1988. https://doi.org/10.4271/881068.
  5. Banaszynski K., Hill D. G., Nguyen D. C. A pump module for the space station freedom active thermal control system. Proc. Intern. Conf. on Environmental Systems. SAE International. 1992. https://doi.org/10.4271/921108.
  6. Bland T. J., Downing R. S., Rogers D. P. A two-phase thermal management system for large space platforms. Proc. 19th Thermophysics Conf. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 1984. https://doi.org/10.2514/6.1984-1758.
  7. Hill D. G., Hsu K., Parish R., Dominick J. Reduced gravity and ground testing of a two-phase thermal management system for large spacecraft. Proc. Intersociety Conf. on Environmental Systems. SAE International. 1988. https://doi.org/10.4271/881084.
  8. Chambliss J. The evolution of the space station freedom thermal control system. Proc. Intern. Conf. on Environmental Systems. SAE International. 1992. https://doi.org/10.4271/921105.
  9. Kreeb H., Möller P., Wulz H. G. Development of a two-phase thermal cycle for European platforms. Deutsche Gesellschaft für Luftund Raumfahrt, Int. Symp. Towards COLUMBUS and Space Station, Bonn – Bad Godesberg. 1985.
  10. Никонов А. А., Горбенко Г. А., Блинков В. Н. Теплообменные контуры с двухфазным теплоносителем для систем терморегулирования космических аппаратов. М.: Центр НТИ «Поиск», 1991. 302 с.
  11. Романов С. Ю., Семенцов А. Н., Горбенко Г. А., Гакал П. Г., Епифанов К. С. Анализ работоспособности двухфазного контура теплопереноса в условиях невесомости. Тр. Третьей Рос. нац. конф. по тепломассообмену. Т. 5. Двухфазные течения. Дисперсные потоки и пористые среды. М.: Моск. энерг. ин-т, 2002. С. 102–105.
  12. Goncharov K., Maidanik Yu., Fershtater Yu. Capillary pumped loop for the systems of thermal regulation of spacecraft. Proc. 4th ICES. Florence, Oct. 21–24, 1991. P. 125–129.
  13. Горбенко Г. А., Ганжа Е. П., Малухин К. А., Прокопенков А. А., Цихоцкий В. М., Семенцов А. Н., Линькова И. Ю. Двухфазный контур теплопереноса Центральной системы теплоотвода российского сегмента Международной космической станции «АЛЬФА». Авиац.-косм. техника и технология: Сб. науч. тр. Харьков: Харьк. авиац. ин-т им. Н. Е. Жуковского, 1996. С. 136–147.
  14. Grigoriev Y. I., Cykhotsky V. M., Prokhorov Y. M., Surguchev O. V., Gorbenko G. A., Blinkov V. N., Teniakov I. E., Malukhin C. A. Two-phase heat transfer loop of central thermal control system of the International Space Station ALPHA Russian Segment. Proc. National Heat Transfer Conf. Houston, Texas, USA. 1996. P. 9–18.
  15. Семенцов А. Н. Моделирование двухфазного контура теплопереноса централизованной системы теплоотвода российского сегмента международной космической станции в условиях космического полета: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.07.03 / Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королёва, М., 2003.
  16. Cykhotsky V. M., Sementsov A. N., Grigoriev Y. I., Prokhorov Y. M., Gorbenko G. A., Malukhin C. A., Ganja E. P. Development and analysis of control methods of the International Space Station “ALPHA” Russian Segment Central Two-Phase Thermal Control System parameters. AIP Conf. Proc. 1999. Vol. 458. P. 848–853. https://doi.org/10.1063/1.57706.
  17. Цихоцкий В. М., Прохоров Ю. М., Семенцов А. Н., Линькова И. Ю., Горбенко Г. А., Епифанов К. С., Беднов С. М., Беднов П. Д., Вежневец П. Д., Голиков А. Н., Десятов А. В., Лукьянов Ю. М. Летная экспериментальная установка – модель двухфазного контура теплопереноса российского сегмента Международной космической станции. Авиац.–косм. техника и технология: Сб. науч. тр. Харьков: Харьк. авиац. ин-т им. Н. Е. Жуковского, 1999. Вып. 13. С. 41–49.
  18. Єпіфанов К. С. Параметрична ідентифікація робочих процесів енергетичних установок з двофазним теплоносієм для космічних апаратів: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.07.05 / Нац. аерокосм. ун-т ім. М. Є. Жуковського «Харк. авіац. ін-т». Харків, 2004. 33 с.
  19. Храмов С. М. Экспериментальные и расчетные исследования перспективных двухфазных систем обеспечения теплового режима космических аппаратов и их элементов: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.07.05 / Исследовательский центр имени М.В. Келдыша, М., 2003. 23 с.
  20. Басов А. А., Лексин М. А., Прохоров Ю. М. Двухфазный контур системы обеспечения теплового режима научно-энергетического модуля. Численное моделирование гидравлических характеристик. Косм. техника и технологии. 2017. № 2. С. 80–89.
  21.  Satellite Industry Association. State of the Satellite Industry Report: 2021. https://sia.org/news-resources/state-of-the-satellite-industry-report/.
  22. Merino A.-S., Hugon J., Cailloce Y., Michard F., Tjiptahardia T., Larue de Tournemine A., Laporte C. Development of a two-phase mechanically pumped loop (2ФMPDL) for the thermal dissipation management of an active antenna. Proc. 40th Intern. Conf. on Environmental Systems. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2010. https://doi.org/10.2514/6.2010-6032.
  23. Гакал П. Г., Рузайкин В. И., Турна Р. Ю., Чайка Д. В., Тимощенко В. М., Иваненко Н. И. Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических процессов в системе терморегулирования телекоммуникационного спутника. Авиац.-косм. техника и технология. 2011. № 5. С. 21–30.
  24. Gorbenko G., Koval P., Yepifanov K., Gakal P., Turna R. Mathematical model of heat-controlled accumulator (HCA) for microgravity conditions. SAE Intern. J. Aerospace. 2020. Vol. 13. Iss. 1. P. 5–23. https://doi.org/10.4271/01-13-01-0001.
  25. Hugon J., Larue de Tournemine A. Development of a two-phase mechanically pumped loop (2ΦMPL) for the thermal control of telecommunication satellites. Proc. Intern. Two-Phase Thermal Control Technology Workshop, ESTEC, The Netherlands. 2008.
  26. Chaix A., Hugon J., Hugonnot P., Delmas A. Development of a two-phase mechanically pumped loop (2ΦMPL) for the thermal dissipation management of spacecraft: Simulation and test results. Proc. 44th Intern. Conf. on Environmental Systems. Tucson, Arizona. 2014. http://hdl.handle.net/2346/59598.
  27. van Es J., van Gerner H. J., van Benthem R. C., Lapensée S., Schwaller D. Component developments in europe for mechanically pumped loop systems (MPLs) for cooling applications in space. Proc. 46th Intern. Conf. on Environmental Systems, Vienna, Austria, 2016. 14 p. https://ttu-ir.tdl.org/bitstream/handle/2346/67589/ICES_2016_196.pdf?sequence=1.
  28. SES-17 Successfully Launched on Ariane 5. SES: official site. https://www.ses.com/press-release/ses-17-successfully-launched-ariane-5.
  29. Ponnappan R., Donovan B., Chow L. High-power thermal management issues in space-based systems. AIP Conf. Proc. 2002. Vol. 608. Iss. 1. https://doi.org/10.1063/1.1449709.
  30. Bhandari P., Birur G. C., Bame D., Mastropietro A. J., Karlmann P., Liu Y., Miller J. Performance of the mechanically pumped fluid loop rover heat rejection system used for thermal control of the Mars science laboratory curiosity rover on the surface of Mars. Proc. 43rd Intern. Conf. on Environmental Systems. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2013. https://doi.org/10.2514/6.2013-3323.
  31. Sunada E. A two-phase mechanically pumped fluid loop for thermal control of deep space science missions. Proc. 46th Intern. Conf. on Environmental Systems. 2016. http://hdl.handle.net/2346/67545.
  32. Furst B., Sunada E., Cappucci S., Bhandari P., Daimaru T., Nagai H. A comparison of system architectures for a mechanically pumped two-phase thermal control system. Proc. 47th Intern. Conf. on Environmental Systems. 2017. http://hdl.handle.net/2014/46384.
  33. NASA Technology Roadmaps, TA 14: Thermal Management Systems:Report. NASA, Washington D.C. 2015. 97 p. https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/2015_nasa_technology_roadmaps_ta_14_thermal_management_final.pdf.
  34. Ellis M. C., Kurwitz R. C. Development of a pumped two-phase system for spacecraft thermal control. Proc. 46th Intern. Conf. on Environmental Systems, Vienna, Austria. 2016. P. 1–16.
  35. Advanced Cooling Technologies Inc., Multi-phase pump system and method of pumping a two-phase fluid stream: Pat. US20140246095A1. USA, 2013.
  36. Bugby D. Multi-evaporator hybrid two-phase loop cooling system for small satellites. Proc. 21st Annual AIAA/USU Conf. on Small Satellites, Logan, Utah. 2007. https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1501&context=smallsat.
  37. Hoang T. T., Baldauff R. W., Cheung K. H. Hybrid two-phase mechanical / capillary pumped loop for high-capacity heat transport. Proc. Intern. Conf. on Environmental Systems. SAE International. 2007. https://doi.org/10.4271/2007-01-3198.
  38. Lee S. H., Mudawar I., Hasan M. M. Thermal analysis of hybrid single-phase, two-phase and heat pump thermal control system (TCS) for future spacecraft. Appl. Thermal Eng. 2016. Vol. 100. P. 190–214. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.01.018.
  39. Delil A. A. M., Heemskerk J. F., Mastenbroek O., Dubois M., van Oost S., Coesel M. J. N., Supper W., Aceti R. TPX for in-orbit demonstration of two-phase heat transport technology-evaluation of flight & post-flight experiment results. Proc. Intern. Conf. on Environmental Systems. SAE International. 1995. https://doi.org/10.4271/951510.
  40. van Es J., Pauw A., van Donk G., van Gerner H. J., Laudi E., He Z., Gargiulo C., Verlaat B. AMS02 tracker thermal control cooling system commissioning and operational results. Proc. 43rd Intern. Conf. on Environmental Systems. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2013. https://doi.org/10.2514/6.2013-3389.
  41. Alberti G., Alvino A., Ambrosi G., Bardet M., Battison R., Borsini R., Cao S., Cao J., Chen Y., Es J., Gargiulo C., Guo K., Guo L., Zhenhui H., Zhencheng H., Koutsenko V., Laudi E., Lebedev A., Lee S., Li T., Zwartbol T. Development of a thermal control system with mechanically pumped CO2 two phase loops for the AMS-02 tracker on the ISS: Research Paper. Cornell University. 2013. https://doi.org/10.1109/MAES.2013.130187.
  42. Liu J., He Y. F., Zhou E. Z., Zhao W. J. Experimental investigation on the accumulator liquid distribution of mechanically pumped cooling system. Appl. Mech. and Materials. 2011. Vol. 84–85. P. 254–258. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.84-85.254.
  43. Wang Z. R., Zhang X. B., Wen S. Z., Huang Z. C., Mo D. C., Xue Y. Q., He Z. H. Design and performance of a mechanically pumped two-phase loop to support the evaporation-condensation experiments on the TZ1. Case Studies in Thermal Eng. 2017. Vol. 10. P. 650–655. https://doi.org/10.1016/j.csite.2017.11.008.
  44. Zhang Z., Sun X. H., Tong G. N., Huang Z. C., He Z. H., Pauw A., van Es J., Battiston R., Borsini S., Laudi E., Verlaat B., Gargiulo C. Stable and self-adaptive performance of mechanically pumped CO2 two-phase loops for AMS-02 tracker thermal control in vacuum. Appl. Thermal Eng. 2011. Vol. 31. Iss. 17–18. P. 3783–3791. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.07.015.
  45. Delil A. A. M. Two-phase developments for the international space station ISS: – AMS-2 TTCS, a mechanically pumped two-phase CO2 cooling loop for the alpha magnetic spectrometer tracker experiment-CIMEX-3, versatile two-phase loop for the fluid science laboratory. Texas Acad. Sci. 2002. No. 48. P. 107–118. https://doi.org/10.1063/1.1541281.
  46. Meng Q., Zhao Z., Zhang T., van Es J., Pauw A., Zhang H., Yan Y. Experimental study on the transient behaviors of mechanically pumped two-phase loop with a novel accumulator for thermal control of space camera payload. Appl. Thermal Eng. 2020. Vol. 179. Article ID 115714. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115714.
  47. Турна Р. Ю., Годунов А. М. Состояние разработок двухфазных систем терморегулирования космических аппаратов. Авиац.-косм. техника и технология. 2021. № 2. С. 36–51.
  48. Турна Р. Ю. Разработка концепции двухфазной системы теплоотвода спутника. Авиац.-косм. техника и технология. 2021. № 1. С. 31–46.
  49. SES-17 to launch on 22 October. SES: official site. https://www.ses.com/press-release/ses-17-launch-22-october.

 

Надійшла до редакції 18.10.2021