Ретроспективный обзор разработок двухфазных контуров теплопереноса с насосной прокачкой теплоносителя для систем обеспечения теплового режима космических аппаратов

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.04.027
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 24, № 4, 2021 (декабрь)
Страницы 27–37

 

Авторы

Г. А. Горбенко, Центр технической физики «ЦТФ» (61070, Украина, г. Харьков, ул. Чкалова, 17), e-mail: gennadiy.gorbenko@ctph.com.ua

П. Г. Гакал, Национальный аэрокосмический университет «Харьковский  авиационный институт» им. Н. Е. Жуковского (61070, Украина, г. Харьков, ул. Чкалова, 17), e-mail: p.gakal@khai.edu, ORCID: 0000-0003-3043-2448

Р. Ю. Турна, Центр технической физики «ЦТФ» (61070, Украина, г. Харьков, ул. Чкалова, 17), e-mail: rustem.turna@ctph.com.ua, ORCID: 0000-0001-5773-1400

А. М. Годунов, Национальный аэрокосмический университет «Харьковский  авиационный институт» им. Н. Е. Жуковского (61070, Украина, г. Харьков, ул. Чкалова, 17), e-mail: artem.hodunov@ctph.com.ua, ORCID: 0000-0001-8850-8367

 

Аннотация

Основные вопросы, связанные с разработкой двухфазных контуров теплопереноса с механической прокачкой теплоносителя для систем обеспечения теплового режима космических аппаратов с большой энерговооруженностью, сформулированы еще в начале 80х. Они имеют неоспоримые преимущества по сравнению с однофазными контурами с механической прокачкой и двухфазными контурами с капиллярной прокачкой при мощности более 6 кВт и расстоянии теплопереноса более 10 м. Интенсивные исследования и разработки таких систем начаты в США совместно с европейскими, канадскими и японскими специалистами в связи с планами создания новых космических аппаратов большой мощности и проектом орбитальной станции Freedom. В 90-е годы в РКК «Энергия» имени С. П. Королёва (Россия) велись работы по созданию двухфазного контура теплопереноса с механической прокачкой теплоносителя для российского сегмента Международной космической станции (МКС) мощностью 20–30 кВт. Для этого были задействованы ведущие исследовательские организации бывшего СССР. Интерес к двухфазным контурам в последние два десятилетия существенно вырос в связи с проектами мощных стационарных космических платформ и различных лунных и марсианских миссий. В статье представлен ретроспективный обзор мировых разработок двухфазных контуров теплопереноса с механической прокачкой теплоносителя для систем обеспечения теплового режима космических аппаратов с большой энерговооруженностью с начала 80-х годов до настоящего времени. Рассмотрено участие в разработках ученых и инженеров Национального аэрокосмического университета «ХАИ» и Центра технической физики (Харьков, Украина). Освещены основные направления исследований, результаты разработок и научно-технические проблемы на пути практической реализации двухфазной системы. Несмотря на большой объем выполненных поисковых и опытно-конструкторских работ, до недавнего времени не было практически реализованных проектов космических аппаратов с двухфазным контуром теплопереноса большой мощности. Первым мощным стационарным спутником с двухфазным контуром теплопереноса стал спутник SES-17 на платформе NEOSAT компании Thales Alenia Space – France. Спутник выведен на орбиту 24 октября 2021 года ракетой Ariane-5 с космодрома Куру, Французская Гвиана.

 

Ключевые слова: космический аппарат; система терморегулирования; двухфазный контур теплопереноса с механической прокачкой теплоносителя.

 

Литература

  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.

 

Поступила в редакцию 18.10.2021