Одной из важнейших проблем в области космических систем и технологий является создание новых перспективных систем теплоотвода от космических аппаратов. С точки зрения максимального теплоотвода особый интерес представляют радиационные капельные холодильники излучатели, в которых для отвода тепла от космического аппарата используются монодисперсные потоки капель специального теплоносителя. Капли выбрасываются в космическое пространство в виде регулярной структуры (капельной пелены), излучают тепло, охлаждаются и собираются в сборнике капель. Такие теплообменники имеют следующие преимущества перед другими радиационными теплообменниками: высокую метеоритную безопасность; простой вывод и развёртывание в космосе; управляемый и стабильный теплоотвод; длительное время непрерывной работы. По величине теплоотвода и отношению полезного веса системы теплоотвода к излучаемой тепловой мощности капельные теплообменники превосходят все известные космические теплообменники. Особенно эффективно их использование в тех случаях, когда мощность теплоотвода превышает 100-500 кВт.
Несмотря на перспективность использования КХИ для отвода тепла от космических аппаратов, экспериментальных работ по исследованию теплофизических и конструкционных проблем подобных систем крайне мало. Вызвано это сложностью самого объекта исследования и большими финансовыми затратами, необходимыми для создания экспериментального оборудования и проведения экспериментов в условиях, имитирующих космическое пространство. Всё ещё остаётся не решённой проблема создания полномасштабных действующих моделей и получение надёжных экспериментальных результатов по исследованию теплофизических и конструкционных проблем КХИ в условиях максимально близких к условиям реального космоса.
В настоящее время экспериментальные исследования по созданию КХИ ведутся во всех странах, развивающих космические технологии: США, Германии, Японии, России и Китае. Наиболее широкомасштабные работы проводятся в России.
В России работы по изучению общих проблем создания КХИ и отработка отдельных элементов были начаты ещё в конце прошлого века. В настоящее время в этих работах принимают участие следующие организации: Ракетно-космическая корпорация «Энергия», ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», МАИ и МЭИ. Задачей первых трёх организаций является оценка всех возможных схемных вариантов КХИ и разработка наиболее эффективного коллектора для сбора капельной пелены. Задача МЭИ — разработка генераторов монодисперсных капель с минимальным относительным разбросом капель по скоростям для разных теплоносителей и исследование проблем, связанных с метрологией и транспортировкой капельного потока на большие расстояния.
Для исследования теплофизических и конструкционных проблем получения стабильных капельных потоков из вязких жидкостей на кафедре низких температур МЭИ создана экспериментальная установка – макет КХИ. Установка состоит из следующих систем: вакуумной системы, системы подачи теплоносителя, системы генерации монодисперсных капель и измерительной системы.
К настоящему моменту в МЭИ разработан многоструйный генератор капельных потоков, эффективно работающий при высоких температурах. Отработана технология изготовления насадок с максимальной соосностью выходных сопел. На исследовательском стенде отработана методика определения основных характеристик распада, и проведены исследования влияния вязкости на эти характеристики, а также влияния давления окружающей среды на устойчивость капельных потоков.
Впервые с помощью разработанного генератора монодисперсных капель были получены потоки большой плотности с малым угловым отклонением осей струй друг от друга. Максимально плотный поток состоял из 208 струй диаметром Dj =200 мкм с угловым отклонением осей струй друг от друга, не превышающим 0,0005 рад.
Экспериментальная установка использовалась для исследования в широком диапазоне изменения динамической вязкости жидкости (0,004 Па∙с < η <0,3 Па∙с) теплофизических проблем получения стабильных капельных потоков: влияния вязкости рабочей жидкости на характеристики режима перехода от капельного к струйному; влияния вязкости нарост амплитуды возмущения и на оптимальную частоту распада; влияния давления окружающей среды на поперечную и продольную неустойчивость капельных потоков.
На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы:
– при капиллярном распаде вязких струй можно выделить два основных процесса, приводящих к распаду струй вязких жидкостей. Для первого процесса характерен монотонный рост амплитуды возмущения. Длина нераспавшейся части струи Lj определяется моментом достижения волной возмущения амплитуды равной радиусу струи. Влияние вязкости на инкремент неустойчивости γ и на максимальное волновое число km соответствует теории Рэлея-Вебера. Второй процесс связан с наличием в вязких жидкостях сил, препятствующих распаду струи на капли. С увеличением вязкости рост амплитуды возмущениястановится немонотонным. После достижения длины Lj капли не отрываются от струи, а образуют длинную цепочку капель, связанных перешейками. Распад не соответствует теории Рэлея-Вебера.
– при малой вязкости жидкости η < 0,04 Па∙с наиболее быстро волна возмущения начинает расти с 0,6Lj . В этой области для реализации монодисперсного распада необходимо определённое сочетание параметров начального возмущения и волнового числа. Для случая, когда k << km , распад возможен только при больших значениях начальной амплитуды δ0/Rj >0,015. Чем ближе значение волнового числа к максимальному числу km, тем больше скорость роста волны возмущения. Распад возможен даже при малых начальных амплитудах δ0/Rj ≈0,0005. Волна возмущения растёт монотонно, и для описания распада можно использовать линейную теорию Рэлея-Вебера.
– при большой вязкости жидкости η > 0,04 Па∙с скорость роста волны возмущения замедляется. Чем больше вязкость, тем больше волна возмущения становится нелинейной, причём начало нелинейных эффектов приближается к месту истечения струи. Рост волны возмущения перестаёт быть монотонным и не может быть описан в рамках линейной теории Рэлея-Вебера.
– в результате обработки всей совокупности экспериментальных данных по исследованию влияния вязкости на оптимальную частоту распада получена эмпирическая формула, связывающая оптимальное волновое число km с числами Re и Oh-1 . Среднеквадратичное отклонение экспериментальных результатов от результатов по эмпирической формуле не превышает ± 10%.
– в результате обработки всей совокупности экспериментальных данных в диапазоне внешних давлений от 0 бар до 1 бар, с получены эмпирические формулы, связывающие относительное среднеквадратичное поперечное отклонение по скорости и относительное среднеквадратичное продольное отклонение с величиной внешнего давления.
– установлено, что развитие и продольной, и поперечной неустойчивости капельного потока происходит из-за того, что у капель, образующихся при монодисперсном распаде струй, имеется очень малый начальный разброс по скорости и размерам (предельная степень монодисперсности). Экспериментально получено, что минимальные относительные среднеквадратичные поперечное и продольное отклонения имеют следующие значения: σ0Y≈ σ0X ≈ 1∙10-5.
К настоящему моменту Россия является единственной страной, которой удалось провести два успешных эксперимента по испытанию макета КХИ («Пелена-2» и Капля-2) в условиях микрогравитации и глубокого вакуума. Ниже представлено подробное описание самих экспериментов и использованного в них оборудования. На основе анализа полученных результатов даны рекомендации для последующих экспериментов.
Эксперимент «Пелена 2»
Эксперимент «Пелена 2» был проведён с 25.05 по 28.05. 2000 г. на борту орбитального комплекса «Мир». Изучалось влияние невесомости на генерацию капельных потоков и их устойчивый сбор с помощью пассивного коллектора плёночного типа. Для проведения эксперимента был разработан специальный модуль КХИ. Модуль КХИ был разработан и изготовлен в результате совместных работ Центра Келдыша и Ракетно-космической корпорации «Энергия». При разработке элементов конструкции аппаратуры были использованы результаты исследований по созданию потоков монодисперсных капель и их сбору, полученные в ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» и ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт».
Аппаратура прошла полный цикл наземных исследований и испытаний, принятых для изделий, поставляемых на борт орбитального комплекса «Мир».
28 мая 2000 г. на орбитальном комплексе «Мир» космонавтами С. Залетиным и А. Калери был проведён эксперимент на модели КХИ. Исследовалось: процесс генерации потока монодисперсных капель, их движения и сбора применительно к созданию капельного холодильника-излучателя для космической энергетической установки. Такой эксперимент ставился впервые в мировой практике.
В процессе эксперимента были воспроизведены все основные элементы, рабочего процесса в капельном холодильнике-излучателе.
С помощью цифровых видеокамер в вакуумной камере удалось зарегистрировать:
- начало образования несущей плёнки рабочего тела на стенке коллектора капель через две секунды после открытия соответствующего электрогидроклапана;
- стабилизацию несущей плёнки на стенке коллектора и устойчивое взаимодействие капельного потока от однорядного генератора с несущей плёнкой на установившемся режиме;
- упорядоченный поток капель от многорядного генератора после выхода на стационарный режим по давлению рабочего тела.
Эксперимент «Капля 2»
Эксперимент «Капля 2» проводился на Российском сегменте Международной Космической Станции, в модуле «Рассвет» с 14.01 по 01.04 2014 г. космонавтом Тюриным М.В.
Для проведения эксперимента был разработан специальный модуль КХИ. Модуль КХИ был разработан и изготовлен в результате совместных работ Центра Келдыша и Ракетно-космической корпорации «Энергия». При разработке элементов конструкции аппаратуры были использованы результаты исследований по созданию потоков монодисперсных капель и их сбору, полученные в ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» и ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт».
Состав научной аппаратуры и общая схема эксперимента примерно соответствовали составу и схеме эксперимента «Пелена-2». Масса не заправленного модуля КХИ составляла 125 кг. В качестве рабочего тела использовалось вакуумное масло ВМ-1. Объём заправленного рабочего тела 8,8л.
Принципиальные отличия эксперимента «Капля-2» от эксперимента «Пелена-2» состояли в следующем:
- введение в конструкцию КХИ активного коллектора капель;
- изменённой конструкции генераторов капель, уменьшающей возможность образования «толстых» плёнок рабочего тела при запуске и останове;
- возможность работы со струями меньшего диаметра (диаметр выходных каналов сопловых насадок составлял 200 мкм);
- включение в состав пневмогидравлической схемы струйного предварительного насоса, который совместно с активным коллектором капель должен был создавать начальное давление на входе в основной шестерёнчатый насос;
- двух гидронакопителей, минимизирующих потери рабочей жидкости
Основными задачами эксперимента являлось: подтверждение работоспособности активного коллектора в условиях микрогравитации и вакуума, и экспериментальная демонстрация работы замкнутого гидравлического контура с генерацией капельного потока в условиях микрогравитации и вакуума.
Аппаратура прошла полный цикл наземных исследований и испытаний, принятых для изделий, поставляемых на борт Международной Космической Станции.
1 апреля 2014 г. космонавтом Тюриным М.В. на Российском сегменте Международной Космической Станции, в модуле «Рассвет» был проведён эксперимент на модели КХИ.
Несмотря на ограниченное время эксперимента видеосъёмка рабочего процесса в вакуумной камере позволила зарегистрировать следующие важные характеристики исследуемого процесса:
- упорядоченный поток капель на выходе однорядного и многорядного генераторов после выхода давления на стационарный режим внутри генераторов капель;
- генераторы капель обеспечивали устойчивый капельный поток рабочего тела при параллельном течении струй;
- начало образования несущей плёнки рабочего тела на вращающейся поверхности коллектора капель через несколько секунд после начала работы коллектора, что может свидетельствовать о принципиальной возможности сбора капельного потока с помощью активного коллектора.
На основании анализа результатов экспериментов с модулями КХИ на орбитальных космических станциях «Мир» и «МКС» в условиях микрогравитации и глубокого вакуума можно сделать следующие выводы:
– подтверждена возможность получения устойчивого капельного потока рабочего тела при параллельном течении струй на выходе однорядного и многорядного генераторов после выхода давления на стационарный режим внутри генераторов капель;
– подтверждена работоспособность элементов пассивного коллектора капель.
– сбор капель на движущуюся плёнку рабочего тела проходил без нарушения ее сплошности;
Таким образом, разработанные для эксперимента «Капля-2» система генерации капельного потока и система активного сбора капель могут быть рекомендованы для использования при проектировании КХИ для энергетических систем космического назначения.
Автор публикации: Бухаров Александр Васильевич
#НИУМЭИ #МЭИ #ПервыйЭнергетический #энергетика #невесомость #космос #эксперимент
