Г.В. Конюхов, А.В. Бухаров
Капельные холодильники-излучатели
в космической энергетике

Конюхов Г.В., Бухаров А.В. Капельные холодильники-излучатели в космической энергетике. —
М.: Янус-К, 2021 — 232 с.

Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 21-18-00039

Информация об авторах: Бухаров А.В., д.т.н., профессор

Системно представлены результаты исследований монодисперсных капельных потоков, разработки и создания экспериментальных модулей капельного холодильника-излучателя для наземных испытаний и испытаний в условиях микрогравитации и глубокого вакуума. Разработаны модели процессов и соответствующие методы расчетов, корректность которых подтверждается результатами выполненных экспериментальных исследований. Приводятся результаты испытаний экспериментальных модулей капельного холодильника-излучателя на борту орбитальной станции «Мир» и Международной космической станции. Рассмотрены перспективы использования капельных холодильников-излучателей в космической энергетике. Для научных работников, инженеров, аспирантов, исследующих проблемные задачи теплофизики и конкретные задачи теплофизики при разработке энергетических систем космических аппаратов.

Оглавление

Предисловие
Введение
Глава 1. Тенденции развития космической энергетики и систем отвода низкопотенциального тепла от космических энергоустановок
1.1. Тенденции развития космической энергетики
1.2. Холодильники-излучатели для отвода низкопотенциального тепла
1.2.1. Основные типы холодильников-излучателей системы отвода низкопотенциального тепла в замкнутых термодинамических циклах космических энергоустановок
1.2.2. Массовые характеристики холодильников-излучателей
1.2.3. Ядерные энергетические установки с капельным холодильником-излучателем

Глава 2. Проблемы генерации потока капель и теплообмена в капельных холодильниках-излучателях (КХИ)
2.1. Анализ процессов генерации капель и теплообмена в КХИ
2.1.1. Капиллярный распад струй теплоносителя
2.1.2. Проблемы теплообмена для капельной пелены
2.1.3. Теплоносители для капельных холодильников-излучателей

Глава З. Система сбора потока капель для замыкания цикла в контуре теплоносителя КХИ
3.1. Пассивный заборник капель
3.2. Активный заборник капель
3.3. Некоторые схемы насоса КХИ
3.4. Системы тепловой стабилизации КХИ

Глава 4. Результаты исследования рабочего процесса в капельном холодильнике-излучателе на орбитальных станциях
4.1. Эксперимент «Пелена-2» на орбитальной станции «Мир»
4.2. Эксперимент «Капля-2» на МКС

Глава 5. Экспериментальные установки и методика исследовании
5.1. Экспериментальные установки
5.2. Методология определения характеристик капельных потоков...
5.2.1. Методы определения скорости и размера капель
5.2.2. Методика автоматизированной прецизионной диагностики характеристик капельных потоков
5.2.3. Методика определения параллельности струй
5.2.4. Методика определения формы и диаметра струи

Глава 6. Генерация потока монодисперсных капель
6.1. Требования к системе генерации монодисперсных капель
6.2. Конструкция и основные элементы системы генерации монодисперсных капельных потоков
6.2.1. Основные элементы генераторов монодисперсных капель
6.2.2. Выходные насадки генераторов ВКРС
6.3. Тестирование основных элементов системы генерации монодисперсных капельных потоков

Глава 7. Рабочий процесс в наземных условиях
7.1. Факторы, влияющие на изменение первоначальной структуры капельного потока
7.2. Экспериментальное исследование влияния на устойчивость капельных потоков давления окружающей среды и разброса капель по размерам и скорости
7.3. Влияние электризации на устойчивость капельных потоков при их движении в условиях космического пространства

Глава 8. Перспективы использования капельных холодильников-излучателей в космической энергетике
8.1. Перспективы использования КХИ на энергоемких околоземных орбитах
8.2. Перспективы использования КХИ для решения задач, требующих высокого уровня энергодвигательного обеспечения
8.3. Перспективы использования КХИ в задачах для дальнего космоса

Заключение
Список литературы
Список сокращений н условных обозначений

Предисловие

Исследование и освоение космического пространства, ближайших планет и небесных тел, защиты Земли в условиях кометно-астероидной опасности делает необходимым увеличение мощности энергетических систем космических аппаратов и напланетных станций.

В настоящее время реальным представляется создание таких систем на основе использования ядерной энергии. Первые разработки ядерных ракетных двигателей (ЯРД) были начаты ещё в 60-х годах двадцатого века в СССР и США. Однако, первыми концепцию создания ЯРД на основе использования гетерогенного ядерного реактора, удалось реализовать только учёным Советского Союза. Одним из инициаторов и научным руководителем создания ЯРД в Советском Союзе был член-корреспондент АН СССР В.М. Иевлев - выдающийся ученый, специалист в области гидродинамики, магнитной гидродинамики, высокотемпературной теплофизики и ракетного двигателестроения. ЯРД в СССР был разработан и создан в КБХА -генеральный конструктор А.Д. Конопатов.

В дальнейшем работы по ЯРД - это разработки ядерных энергетических (ЯЭУ) и энергодвигательных установок (ЯЭДУ) на основе реакторов с непосредственным преобразованием ядерной энергии и с использованием газотурбинных циклов преобразования энергии. Так кпд цикла Брайтона может составлять - 30%, т.е. значительная часть тепловой мощности реактора должна отводиться в космос. Традиционный способ отвода тепла от ЯЭУ и ЯЭДУ в космос - эта вынесенные на внешнюю часть корабля панельные радиаторы. Внутри радиаторов циркулирует жидкий теплоноситель, и в результате лишнее тепло излучается в космос. С увеличением сбрасываемой тепловой мощности масса радиатора быстро возрастает, уменьшая полезную нагрузку. Это связано как с увеличением поверхности радиатора, так и с необходимостью дополнительной защиты поверхности радиатора от метеоритного пробоя.

Более перспективными по сравнению с традиционными теплообменниками являются теплообменники нового типа -капельные холодильники излучатели (КХИ). В этих теплообменниках для отвода тепла используются монодисперсные потоки капель специального теплоносителя. Преимущества такой системы теплоотвода - простота конструкции, непосредственное излучение тепла в окружающее пространство, отсутствие громоздких металлических элементов, простой вывод и развёртывание в космосе, управляемый и стабильный теплоотвод, минимум массы защиты в условиях метеоритной опасности. В результате, можно значительно уменьшить массу системы теплоотвода и обеспечить надежную метеоритную защиту По значению теплоотвода и соотношению массы системы теплоотвода к излучаемой тепловой мощности КХИ превосходят все известные космические теплообменники. При тепловой мощности энергодвигательной установки космического назначения 100 КВт отвод тепла целесообразно осуществлять с помощью КХИ, а при мощностях 10 МВт и выше в настоящее время альтернатива КХИ не известна.

Книга посвящена обобщению основных результатов, полученных за последние годы по исследованию теплофизических и конструкционных проблем КХИ и по разработке основных элементов рабочего процесса - генерации стабильного потока монодисперсных капель и их сбору.

В результате выполненных в нашей стране теоретических и экспериментальных исследований была разработана и создана конструкция модуля КХИ, который прошел наземную отработку и исследования в условиях микрогравитации и глубокого вакуума на орбитальной станции «Мир» и Международной космической станции.

Введение

В последние десятилетия возрос интерес к использованию дисперсных систем в различных технологических процессах. В результате появились новые технологии, основу которых составляют монодисперсные потоки сферических частиц размером от нескольких микрон до одного миллиметра с разбросом по размерам и скорости, не превышающим 0,1%.

В настоящее время монодисперсные технологии широко используются в энергетике, машиностроении, химической промышленности, металлургии, медицине, биотехнологиях и т.д. Перспективным является использование монодисперсных капельных потоков при создании холодильников-излучателей для отвода низкопотенциального тепла от энергетических установок космических аппаратов. Теплообменники на основе таких потоков получили название - капельные холодильники излучатели (КХИ).

В отличие от традиционных теплообменников схема работы КХИ выглядит следующим образом. Двигаясь по замкнутому контуру, теплоноситель нагревается низкопотенциальным теплом, отводимым от космического аппарата. Затем теплоноситель через выходную насадку генератора капель выбрасывается в космическое пространство в виде потока монодисперсных капель, так называемой капельной пелены. Двигаясь в пространстве, капельная пелена за счёт излучения отдаёт тепло, остывает и собирается в коллекторе (заборнике) капель. Из коллектора остывший теплоноситель поступает в насосный агрегат и контур замыкается. Преимущества такой системы теплоотвода - простота конструкции, непосредственное излучение тепла в окружающее пространство, отсутствие громоздких металлических элементов, простой вывод и развёртывание в космосе, управляемый и стабильный теплоотвод, длительное время непрерывной работы. В результате, можно значительно уменьшить массу системы теплоотвода.

Исследования теплофизических и конструкционных проблем КХИ ведутся во всех странах, развивающих космические технологии. В России такие исследования выполняются в НИЦ «Центр Келдыша, НИУ МЭИ, НПО «Энергия» и других институтах и конструкторских бюро.

К настоящему времени Россия является единственной страной, которой удалось провести два успешных эксперимента по испытанию модуля КХИ («Пелена-2» и «Капля-2») в космическом пространстве в условиях микрогравитации и глубокого вакуума.

Монография состоит из восьми глав. В первой главе для перспективных задач космонавтики рассмотрены возможные решения по энергетическим системам космических комплексов и использованию капельных холодильников-излучателей. Во второй главе представлены результаты исследований процессов генерации и теплообмена капельных потоков. В главе три рассмотрены конструктивные схемы систем для замыкания цикла в контуре теплоносителя КХИ, представлены результаты разработки и изготовления активного заборника капель для модуля КХИ. В главе четыре представлены основные результаты испытаний модулей КХИ на орбитальных станциях «Мир» и МКС. Главы пять, шесть и семь посвящены описанию экспериментального оборудования, методик исследования и результатам отработки генерации и теплообмена капельных потоков. задачи освоения ближнего и дальнего космоса и использования капельного холодильника-излучателя для решения этих задач представлены в главе восемь.

Авторы надеются, что содержание будет представлять интерес для специалистов в области теплофизики и космической энергетики, для аспирантов и студентов энергетических специальностей вузов.