Отчет ИВМ СО РАН за 2012 год

Федеральные программы

• Федеральная целевая программа «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012–2020 годы»
• Федеральная целевая программа «Развитие электронной компонентной базы и электроники на 2008–2015 годы»
• Федеральная целевая программа «Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на 2011–2020 годы»
• Федеральная целевая программа «Федеральная космическая программа России на 2006–2015 годы»
• Тема «Термодинамический анализ СТР с двухфазным контуром с пассивной циркуляцией теплоносителя»
• Тема «Разработка теплофизических моделей гипертеплопроводящих пористых структур и автоматизированных рабочих мест испытаний»
• Федеральная целевая программа «Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2012 года»
• Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы

Федеральная целевая программа «Федеральная космическая программа России на 2006–2015 годы»

Руководитель: к.ф.-м.н. В. А. Деревянко

Работы выполняются в рамках государственного контракта № 307–5703/11 от 18.04.2011 г. между ОАО «ИСС» им. акад. М. Ф. Решетнева и Федеральным космическим агентством.

Этап 1. Разработка термодинамической модели СТР с двухфазным контуром (ДФК-СТР) с пассивной циркуляцией теплоносителя.

Разработаны термодинамическая модель двухфазного теплового контура системы терморегулирования (СТР) с пассивной циркуляцией теплоносителя и вычислительный алгоритм для моделирования работы контура. Схема контура показана на рис. II.4. Модель позволяет рассчитывать зависимость температуры и давления элементов контура от времени при различных внешних условиях: подаваемой мощности к капиллярному насосу (КН), мощности нагрева гидроаккумулятора (ГА) и интенсивности охлаждения конденсатора. В качестве параметров модели должны быть заданы геометрические характеристики элементов контура, характеристики пористой структуры капиллярного насоса, условия охлаждения конденсатора и теплофизические характеристики теплоносителя. Использование предложенной модели позволяет определять характеристики двухфазных тепловых контуров с капиллярным насосом, а также разработать алгоритм терморегулирования и стабилизации температуры области подвода тепла.

Рис. II.4. Схема двухфазного теплового контура с капиллярным насосом

Рис. II.5. Установившиеся значения температуры пара Tv в области испарения в пористой структуре в зависимости от мощности Q при различных QГА

Руководитель: к.ф.-м.н. В. А. Деревянко

Работы выполняются в рамках государственного контракта № 307-Т515/11 от 24.06.2011 г. между ОАО «ИСС» им. акад. М. Ф. Решетнева и Федеральным космическим агентством.

Этап 2. Испытания экспериментальных образцов ГТПС.

Проведены эксперименты по исследованию теплофизических характеристик ГТПС из меди с теплоносителем водой на стенде РМ-ГТПС. На рис. II.6 приведена термограмма, полученная в эксперименте.

В результате проведения экспериментов получены следующие результаты:

1. Образцы обеспечивают передачу тепла 50 Вт, однако при температуре основания 20 °С перепад температуры превышает 2 °С.

2. Исследованы возможности ГТПС при локальном подводе тепла. Проведена серия экспериментов с источниками тепла малой площади ≈ 2 см². Результаты показали, что ГТПС обеспечивает отвод тепла при локальной плотности мощности не менее 7.5 Вт/см².

3. Измерены капиллярные ограничения исследуемой ГТПС при продольной и поперечной передаче тепла, что позволяет провести корректировку математической модели и осуществлять расчеты тепловых режимов со сложными распределениями потока тепла на поверхности.

Рис. II.6. Характерная термограмма эксперимента по локальному отводу тепла от источника в центре ГТПС (Q = 36.9 Вт)

4. Показано, что сила тяжести может значительно влиять на работу ГТПС. При вертикальной ориентации (источники тепла выше стока тепла) максимальная передаваемая мощность меньше.

Этап 3. Построение математической модели, расчет теплового поля и границ допустимых мощностей для макета бортовой РЭА с опытными образцами ГТПС на основе тепловакуумных испытаний образцов ГТПС.

Разработана математическая модель и выполнен расчет теплового поля и границ допустимых мощностей бортовой радиоэлектронной аппаратуры с опытными образцами гипертеплопроводящих структур (ГТПС) на основе тепловакуумных испытаний образцов ГТПС.

Расчет капиллярной нагрузки и температуры блоков РЭА со встроенными ГТПС проводился с учетом свойств теплоносителя, параметров капиллярной структуры и теплофизических характеристик материала ГПТС.

Ряд характеристик ГТПС, ответственных за эффективность движения теплоносителя в капиллярной структуре в различных направлениях и необходимых для проведения расчетов, был получен из экспериментов путем обработки термограмм, полученных с помощью тепловизора (рис. II.7).

Рис. II.7. Термограммы образца ГТПС для мощностей: а) 13.2 Вт, б) 15.2 Вт, в) 23.3 Вт

На рис. II.8 показано рассчитанное с помощью математической модели распределение капиллярной нагрузки для ГТПС блока. Значение капиллярной нагрузки в некоторых местах превышает 100 % (белые области), что означает возможность осушения фитиля и перегрева этих областей.

Рис. II.8. Распределение капиллярной нагрузки блока РЭА для ГТПС с структурой исследованного образца, шкала в %

На рис. II.9 приведено распределение температуры блока и температуры источников тепла. В области ГТПС, где теплоноситель циркулирует удовлетворительно (где капиллярная нагрузка меньше 100%), температура поверхности остается в пределах 25 °С, а температуры источников тепла в зависимости от их мощности лежат в диапазоне 25-40 °C. Температуры источников тепла в области осушения фитиля превышают 60 °С.

Рис. II.9. Распределение температуры поверхности блока РЭА и источников тепла. Шкала приведена в °C

Основные публикации:

1. Derevyanko V., Nesterov D., Suntsov S.
   Experimental investigation of flat heat pipes to remove high heat fluxes // Proc. of the 16-th Int. Heat Pipe Conf. Lyon, France, 2012. — С. 20-24.

2. Косенко В. Е., Звонарь В. Д., Сунцов С. Б., Деревянко В. А., Васильев Е. Н., Нестеров Д. А.
   Применение гипертеплопроводящих структур при разработке негерметичных космических аппаратов повышенной мощности и ресурса // Сб. тез. докл. «Системный анализ, управление и навигация». — Крым, Евпатория. — М.: МАИ, 2012. — С. 20-22.

3. Патент РФ № 2457417. Металлическая тепловая труба плоского типа / Буров А. Е., Деревянко В. А., Иванов О. А., Карамышев В. Г., Косенко В. Е., Косяков А. А., Матренин В. И., Стихин А. С., Сунцов С. Б.
   — Бюл. 18. — 2012. — Патентообладатель: ОАО «Уральский электрохимический комбинат».

(Отдел вычислительной математики)