Орбитальные криогенные системы охлаждения фотоприемных устройств

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
АИСТОВ Игорь Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность».
ЧЕРНОВ Герман Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
КАТРИНА Марина Ивановна, магистрант группы ХТМ-513.
Адрес для переписки: yusha@omgtu. ru
Статья поступила в редакцию 17. 10. 2013 г.
© В. Л. Юша, И. П. Аистов, Г. И. Чернов, М. И. Катрина
УДК 621 591 В. И. КАРАГУСОВ
В. Д. ГАЛДИН
Омский государственный технический университет
ОРБИТАЛЬНЫЕ КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
К орбитальным космическим аппаратам предъявляются повышенные требования по времени активного существования, энергопотреблению и массогабаритным характеристикам. Термоакустические системы охлаждения обладают длительным ресурсом, высокой надежностью. Для своей работы такие системы могут использовать тепловую энергию вместо электрической. Применение аккумуляторов теплоты и холода позволяет обеспечить работу системы охлаждения на освещенной и на теневой участках орбиты.
Ключевые слова: космические аппараты, системы охлаждения, термоакустика, фотоприемные устройства.
Тенденции последних лет показывают, что к орбитальным космическим аппаратам (КА) стали предъявляться повышенные требования по времени активного существования и по насыщенности оптико-электронной аппаратурой, что накладывает серьезные ограничения на ее энергопотребление и массогабаритные характеристики. Применение систем охлаждения в космической технике позволяет значительно улучшить ее тактико-технические характеристики, а в целом ряде случаев без систем охлаждения невозможно выполнение поставленных задач [1]. Бортовые криогенные системы охлаждения (КСО) предназначены для обеспечения крио-статирования фотоприемных устройств (ФПУ).
Температурный уровень, холодопроизводитель-ность, ресурс, надежность, энергопотребление, КПД, габариты и масса — основные параметры, по которым осуществляется выбор КСО. Численные значения этих параметров выбираются как исходя из требований приборов, так и возможностей космической техники. Практически во всех космических применениях требования по габаритам, массе и энергопотреблению должны быть минимальными. В ряде случаев, кроме требований по мощности, лимитируется и суточное энергопотребление [2].
Существующие КСО зачастую не удовлетворяют как по отдельным требованиям, так и по всему их комплексу. Они имеют недостаточную термодинамическую эффективность и, как следствие, высокое энергопотребление [3].
В настоящее время на борту КА в КСО наиболее широко используются газовые криогенные машины (ГКМ) Стирлинга и охладители на базе пульсацион-ной трубы [4]. Теоретические и экспериментальные
исследования показали принципиальную возможность создания ГКМ Стирлинга и охладителей на базе пульсационной трубы с линейным приводом с ресурсом работы 40 000… 50 000 ч, достигаемым при помощи бесконтактного магнитного подвеса подвижных узлов. Использование редкоземельных материалов в качестве насадки регенератора ГКМ Стирлинга и охладителей на базе пульсационной трубы позволит улучшить энергетические и массогабаритные характеристики КСО на 20. 30% [5 — 8].
Схема бортовой КСО на базе ГКМ Стирлинга или пульсационной трубы приведена на рис. 1.
Система обеспечения теплового режима (СОТР) при помощи нагнетателя 7, пассивного радиатора-охладителя 8 и теплообменника 9 отводит теплоту сжатия от компрессора 4 за борт КА. Несмотря на развязку охладителя 3 от компрессора 4 через гибкую трубку 5 на чувствительные элементы ФПУ 2 передаются вибрации, что заметно ухудшает характеристики ФПУ 2 [2].
Уменьшить вибрации на ФПУ и энергопотребление позволяют магнитокалорические КСО, которые вырабатывают холод при помощи постоянного магнитного поля в твердых редкоземельных рабочих телах [9]. Бортовая КСО на базе магнитокалорического охладителя показана на рис. 2. В этой КСО холод вырабатывается в роторном магнитокалорическом охладителе 3, теплота намагничивания через теплообменник 9 отводится СОТР 6 в космическое пространство.
В ряде случаев для циркуляционных контуров роторных магнитокалорических ступеней КСО могут быть использованы не только механические, но и электростатические, электромагнитные нагнета-
Рис. 1. Бортовая КСО на базе ГКМ Стирлинга или пульсационной трубы: 1 — корпус КА- 2 — ФПУ- 3 — охладитель- 4 — компрессор-
5 — соединительная трубка- 6 — СОТР- 7 — нагнетатель СОТР-
8 — пассивный радиатор-охладитель СОТР-
9 — теплообменник охлаждения компрессора
Рис. 2. Бортовая КСО на базе магнитокалорического охладителя:
1 — корпус КА- 2 — ФПУ- 3 — роторный магнитокалорический охладитель- 4 — теплообменник нагрузки ФПУ-
5 — нагнетатель магнитокалорического охладителя-
6 — СОТР- 7 — нагнетатель СОТР-
8 — пассивный радиатор-охладитель СОТР- 9 — теплообменник отвода теплоты намагничивания
тели с длительным ресурсом работы и малым энергопотреблением [10, 11] (рис. 2).
На многих орбитальных КА наблюдается дефицит электроэнергии, причем не только в абсолютном выражении, но и в суточном энергопотреблении. Это связано с тем, что КА поочередно находится на освещенной и теневой участках орбиты [2].
Задачу дефицита электроэнергии наиболее эффективно, технически просто и надежно можно реализовать на термоакустическом эффекте, который заключается в том, что в прямом термодинамическом цикле тепловая энергия преобразуется в акустическую, а в обратном термодинамическом цикле акустическая энергия генерирует холод. Принцип действия термоакустических КСО описан в [12, 13].
Термоакустические КСО обладают рядом привлекательных для космической техники свойств: отсутствием механически подвижных деталей и узлов, что позволяет достичь длительного ресурса, высокой надежности и отсутствия вибраций- для своей работы они могут использовать не только электри-
ческую, но и тепловую энергию- такие КСО не требуют резервирования и обслуживания.
На рис. 3 приведена бортовая термоакустическая КСО с питанием от солнечной энергии с аккумуляторами теплоты и холода.
При движении КА по освещенной стороне орбиты теплота с солнечного концентратора 4 частично накапливается в аккумуляторе теплоты 10, а на теневой стороне — отдает теплоту термоакустическому охладителю, чем обеспечивает его работоспособность. Криогенный аккумулятор холода 11 запасает холод при работе термоакустической КСО на освещенной стороне и отдает запасы холодопроизво-дительности на теневой. Кроме того, криогенный аккумулятор холода 11 обеспечивает холодом переходные режимы и компенсирует нагрев ФПУ при нештатных засветках (рис. 3).
В заключение следует отметить, что термоакустические КСО могут работать практически от любого источника теплоты: изотопных источников, электрических нагревателей, работающих от сол-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Рис. 3. Бортовая термоакустическая КСО с питанием от солнечной энергии: 1 — корпус КА- 2 — ФПУ- 3 — термоакустический охладитель-
4 — солнечный концентратор- 5 — теплопровод- 6 — СОТР-
7 — нагнетатель СОТР- 8 — пассивный радиатор-охладитель СОТР-
9 — теплообменники охлаждения термоакустического охладителя-
10 — аккумулятор теплоты- 11 — криогенный аккумулятор холода
нечных батарей, а в ряде случаев от теплоты, отводимой от оборудования КА.
Библиографический список
1. Карагусов, В. И. Комбинированные системы охлаждения для орбитальных комплексов / В. И. Карагусов, В. И. Ляпин, А. В. Громов // Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения: сб. докл. Технол. конгр. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. — Ч. 1. — С. 204 — 206.
2. Исследование принципов построения бортовых криогенных систем охлаждения на базе газовых криогенных машин Стирлинга для аппаратуры инфракрасного наблюдения / В. И. Карагусов [и др.] // Сб. научно-технических статей по ракетно-космической тематике. — Самара: ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», 2001. — С. 72−84.
3. Karagusov, V. I. Two-stage Gifford-MacMahon microcryogenic system for operation at subhelium temperature / V. I. Karagusov, N. V. Tyatyushkin, E. E. Karagusova // Chemical and Petroleum Engineering. — Vol. 45. — № 1−2. — 2009. — P. 77−80.
4. Karagusov, V. I. Nanocryogenic engineering / V. I. Ka-ragusov // Chemical and Petroleum Engineering. — Vol. 39. -№ 7−8. — 2003. — P. 400−408.
5. Применение сплавов редкоземельных металлов в регенераторах установок Гиффорда-Мак-Магона / В. Б. Анкудинов [и др.] // Известия Академии наук. — Энергетика. — 2003. -№ 6. — С. 97−101.
6. Карагусов, В. И. Двухступенчатая микрокриогенная система Гиффорда-Мак-Магона для работы на субгелиевом температурном уровне / В. И. Карагусов, Н. В. Тятюшкин, Е. Е. Карагусова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2009. — № 2. — С. 19−20.
7. Карагусов, В. И. Применение редкоземельных материалов в микрокриогенных системах / В. И. Карагусов, Е. Е. Ка-рагусова // Современные технологии при создании продук-
ции военного и гражданского назначения: сб. докл. Технол. конгр. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. — Ч. 1. — С. 206−208.
8. Карагусов, В. И. Создание баз данных теплофизических свойств редкоземельных материалов / В. И. Карагусов, Е. Е. Карагусова // Вестник Международной академии холода. — 2000. — № 3. — С. 32−33.
9. Grezin A. K. Analisis of the regenerative cycles in miniature magnetocaloric cryogenic system / A. K. Grezin, V. I. Karagusov, Y. M. Gorovoy // Proceedings of the XVIII Internetional Congress of Refrigeration. — Canada. — Montreal. — 1991 — V. 1. -P. 185- 189.
10. А. с. 1 668 726, МКИ F 04 B 43/04. Нагнетатель / В. И. Карагусов. — № 4 718 000/29 — заявл. 11. 07. 89 — опубл. 07. 08. 91, Бюл. № 29. — 3 с.
11. А. с. 1 756 618, МКИ F 04 B 43/04. Реверсивный электростатический нагнетатель / В. И. Карагусов. — № 4 699 824/29 — заявл. 01. 07. 89 — опубл. 23. 08. 92, Бюл. № 31. — 3 с.
12. Карагусов, В. И. Бортовой термоакустический кондиционер на природном газе / В. И. Карагусов, П. С. Мальцев // Транспорт на альтернативном топливе. — 2011. — № 4. -С. 45−47.
13. Карагусов, В. И. Термоакустический ожижитель природного газа для заправки речных судов / В. И. Карагусов, В. Л. Юша, И. В. Карагусов // Транспорт на альтернативном топливе. — 2013. — № 2. — С. 66−68.
КАРАГУСОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология», академик РАЕН.
ГАЛДИН Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: karvi@mail. ru
Статья поступила в редакцию 14. 10. 2013 г.
© В. И. Карагусов, В. Д. Галдин

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой