Jump to content

Жидкостно-капельный радиатор

Жидкостно -капельный радиатор (LDR) или ранее называемый жидкокапельным струйным радиатором представляет собой предлагаемый легкий радиатор для рассеивания отработанного тепла, вырабатываемого электростанциями , двигательными установками или системами космических кораблей в космосе.

Передовая или будущая космическая миссия должна иметь источник энергии или двигательную установку, которая потребует отвода отработанного тепла. Необходимо учитывать возможность утилизации большого количества отработанного тепла, чтобы реализовать крупногабаритную космическую конструкцию (LSS), способную выдерживать большую мощность, такую ​​​​как ядерный реактор или космический спутник солнечной энергии (SPS) .

миссия [ 1 ] уровень мощности продолжительность
Будущая космическая станция 75–300 кВт 30 лет
Лазеры космического базирования 1–10 МВт 10 лет
Пучок частиц 1 МВт 10 лет
Космический радар 30–100 кВт 10 лет
Лунная база 100–300 кВт 30 лет
миссия на Марс 15 МВтэ 7 лет
миссия на Юпитер [ 2 ] 63 ГВт 285 д транзит
межзвездный [ № 1 ] солнечный парус [ 3 ]
5 × 10 6 кг
0,6 МВт 1433 года Альфе Центавра.
межзвездный [ № 1 ] ракета на антивеществе [ 4 ]
80.7 × 10 9 кг
122 650 ТВт 128,5 лет до 40 лет

Такие космические системы требуют передовых высокотемпературных систем терморегулирования . Жидкометаллические тепловые трубки с обычными радиаторами считаются идеально подходящими для таких применений. [ 5 ] Однако требуемая площадь поверхности радиатора огромна, следовательно, и масса системы очень велика. Жидкостно-капельный радиатор (ЖКР) имеет преимущество по соотношению отводимой тепловой мощности. Результаты исследований показывают, что при температурах отбраковки ниже примерно 700 К система LDR значительно легче по весу, чем другие передовые концепции радиаторов. LDR может быть в семь раз легче обычных радиаторов с тепловыми трубками аналогичного размера. [ 6 ] LDR более устойчив к ударам метеоритов из-за менее критической поверхности или парусности и требует меньшего объема хранения. Поэтому ЛДР привлек внимание как перспективный излучатель для мощных космических систем.

В 1978 году Джон М. Хеджепет предложил в книге «Сверхлегкие конструкции для космической энергетики» в книге «Преобразование энергии излучения в космосе», том. 61 книги «Прогресс в космонавтике и аэронавтике», К.В. Биллман, изд. (AIAA, Нью-Йорк, 1978), с. 126, использование пылевого радиатора для уменьшения веса радиатора спутников на солнечной энергии. Практические проблемы этой пылевой системы привели к появлению концепции LDR в 1979 году. [ 1 ] Компании, организации и университеты по всему миру провели многочисленные исследования.

Практические эксперименты проводились на примере СТС-77. [ 5 ] и на опускных шахтах в Японии: Японский центр микрогравитации (JAMIC) и Лаборатория микрогравитации Японии . [ 7 ]

Концепция

[ редактировать ]
общая концептуальная механика LDR

Система жидкокапельного радиатора (ЖКР) состоит из генератора капель, коллектора, теплообменника , рециркуляционного насоса и регулятора давления сильфонного типа ( аккумулятора ). Подвергаясь снижению давления, насыщенная жидкость распыляется в космос в виде последовательных потоков крошечных дискретных капель. Поток капель может представлять собой столб или слой капель жидкости, движущихся в пространстве от генератора капель к коллектору. Капли переносят отходящее тепло, вырабатываемое космической энергетической системой, и излучают это отходящее тепло непосредственно в космос во время полета путем переходной радиационной теплопередачи . Капли жидкости собираются при более низкой температуре, повторно нагреваются, перекачиваются в генератор капель и повторно используются для дальнейшего удаления отработанного тепла из термодинамического энергетического цикла.

Давление, при котором образуются капли жидкости, может широко варьироваться в разных применениях, но было обнаружено, что после установления потока капель для поддержания потока потоков капель необходимы существенно более низкие давления. [ 8 ]

Теплопередача

[ редактировать ]

Отработанное тепло космического корабля в конечном итоге отводится в космос поверхностями радиаторов. Радиаторы могут быть разных форм, например, структурные панели космического корабля, плоские радиаторы, установленные сбоку космического корабля, панели, развернутые после выхода космического корабля на орбиту, и капли. Все радиаторы отводят тепло посредством инфракрасного (ИК) излучения со своих поверхностей. Мощность излучения зависит от излучательной способности поверхности и температуры. Радиатор должен отводить как отходящее тепло космического корабля, так и любую лучистую тепловую нагрузку от окружающей среды или других поверхностей космического корабля. [ 9 ] Поэтому большинство радиаторов имеют поверхность с высоким коэффициентом ИК-излучения ( ε > 0,8) для максимального отвода тепла и низким поглощением солнечной энергии ( α < 0,2) для ограничения тепловой нагрузки от солнца. Высокотемпературные радиаторы предпочтительнее из соображений повышения эффективности и уменьшения размера, однако свойства жидкости и свойства капельного облака являются дополнительными факторами. Формирование размера капель и плотность капель определяют эмиссию и реабсорбцию . Капля меньшего размера необходима для получения эффективного излучения в излучателе капель жидкости. Было подсчитано, что капля диаметром 1 мкм охлаждается с 500 К до 252 К за две секунды. Плотное облако капельного слоя замедлит скорость охлаждения капель из-за обратного поглощения излучаемого света. [ 10 ]

Отдельная капля излучает тепло при движении в пространстве, и в любой момент времени эта потеря тепла определяется выражением: [ 6 ]

где постоянная Стефана–Больцмана , - скорость потери тепла каплей в космос (джоули/секунда), — радиус капли (метры), — средний коэффициент обзора серого тела для капли в центре потока (менее единицы), и — абсолютная температура капли в любой момент времени ( Кельвин ).

Это уравнение моделирует каплю как серое тело с постоянный средний коэффициент излучения. Мгновенное излучение скорость равна скорости потери энергии, приводящей к этому уравнение: [ 6 ]

где удельная теплоемкость , плотность капли (кг/м 3 ), – время прохождения капли (секунды).

Ограничения, проблемы и решения

[ редактировать ]

Рабочая среда - это не просто черный космос, а среда с солнечным излучением и рассеянным излучением, отраженным и испускаемым Солнцем (звездами), Землей, другими объектами и/или собственными двигателями космического корабля. Можно «ориентировать» край капельного листа на внешний источник тепла, но область листа все равно будет подвержена излучению от других источников. Большинство представленных решений уравнения переноса излучения представляют собой практические упрощения за счет введения допущений.

Для достижения высокой эффективности сбора необходимо свести к минимуму разбрызгивание капель на поверхности коллектора. Установлено, что каплеуловитель с углом падения 35 градусов способен предотвратить разбрызгивание однородного капельного потока диаметром 250 мкм и скоростью 16 м/с в условиях микрогравитации . [ 7 ] Другое решение — создать пленку жидкости на внутренней поверхности коллектора. Когда струи капель впитываются в эту пленку жидкости, не должно образовываться брызг. Коэффициент неправильного захвата поступающих капель должен был быть менее 10. −6 . Было установлено, что диаметр капли составляет менее 300 мкм, а скорость капли - менее 20 м/с. [ 11 ] Если феррожидкость, средства магнитной фокусировки могут эффективно подавлять разбрызгивание. используется [ 8 ]

Поскольку капельный слой находится в свободном падении, космический корабль, выполняющий маневр или угловое ускорение, потеряет охлаждающую жидкость. Даже магнитно-фокусированный LDR имеет очень ограниченный допуск менее 10 −3 г.

Генератор капель имеет примерно 10 5 – 10 6 отверстия (отверстия) на систему диаметром 50–20 мкм. [ 12 ] Эти отверстия более подвержены повреждениям, чем обычный твердый радиатор или тепловая трубка, что может повлиять на образование капель и направление потока капель, потенциально вызывая потерю жидкости.

Жидкости

[ редактировать ]

В качестве рабочих жидкостей предпочтительны жидкости с низким давлением паров, чтобы минимизировать потери на испарение из-за мгновенного испарения . [ 13 ] Было обнаружено, что жидкости, которые в диапазоне от 300 до 900 К имеют настолько низкое давление паров, что потери на испарение в течение обычного срока службы космической системы (возможно, целых 30 лет) составит лишь небольшую долю от общей массы радиатора. [ 14 ] На срок эксплуатации жидкости в среде ЛДР влияют термическая стабильность , окислительная стабильность и устойчивость к радиации . [ 15 ]

диапазон температур ( К ) тип охлаждающей жидкости пример
250 К – 350 К силиконовые масла
силоксан
Триметил-пентафенил-трисилоксан
370 К – 650 К жидкометаллическая эвтектика
500 К – 1000 К жидкое олово

Если в качестве теплоносителя используется жидкий металл, то для откачки жидкости может использоваться электромагнитное устройство. Устройство индуцирует в металле вихревые токи, которые создают силу Лоренца и связанные с ними магнитные поля. Результатом является перекачивание жидкого металла, что приводит к упрощению конструкции без движущихся частей. Это известно как МГД- накачка. [ 16 ] Например, было обнаружено, что простая смесь минерального масла и железных опилок на несколько секунд приближается к подходящей феррожидкости, прежде чем в присутствии магнитного поля наблюдалось разделение железных опилок и масла. При размерах капель примерно 200 мкм поверхностное натяжение будет удерживать два компонента при ускорениях примерно до 1 g. [ 8 ]

Если в качестве теплоносителя используется ионная жидкость , ее можно использовать для передачи импульса между космическими кораблями, движущимися с разными скоростями. Возможно синтез жидкости на месте. Например, БМИМ-БФ4 ([C 8 H 15 N 2 ] + БФ 4 ) содержит 42,5% углерода по массе. Лунный реголит обычно содержит несколько соединений с углеродом, и около 5% астероидов представляют собой углеродистые хондриты , богатые углеродом, а также металлами и водой. Возможно, удастся добыть на Луне углерод и соединить его с другими элементами для получения ионной жидкости. Еще одним хорошим источником углерода является Марса крупнейший спутник Фобос , захваченный астероид, который, как полагают, богат углеродом. [ 17 ]

Конфигурации конструкции LDR

[ редактировать ]
различные конфигурации LDR

Существует две различные схемы сбора капель: центробежный подход и линейная схема сбора. Линейный коллектор считается более простым, надежным и легким. [ 1 ]

Было предложено и оценено несколько различных конфигураций LDR. [ 1 ] [ 18 ]

  • В спиральном LDR используются генератор и коллектор, которые вращаются с одинаковой угловой скоростью. Эта концепция считалась более сложной из-за ненужного вращения коллектора. [ 18 ]
  • Прилагаемый диск LDR содержит в центре генератор капель для создания диска из капель. Вращается только коллектор. Весь радиатор закрыт прозрачным кожухом, который сводит к минимуму загрязнение космического корабля случайными каплями. Эта концепция считалась более сложной из-за ненужного вращения коллектора. [ 18 ]
  • В кольцевом LDR используется вращающийся коллектор для улавливания кольцевого слоя капель из кольцевого генератора. Кольцевой ЛДР имеет неэффективные радиационные характеристики – лист излучает сам на себя больше, чем капельные листы альтернативных конфигураций. [ 18 ]
  • Несколько предлагаемых вариантов LDR используют электрические поля для управления траекториями капель, как в струйном принтере . Электростатический тепловой (энергетический) излучатель (ЭФИР), по сути, является предлагаемой вариацией ЛДР. Капли заряжены, и в сочетании с зарядом на космическом корабле, противоположным заряду капли, капли будут двигаться по слегка эллиптической орбите. Эта замкнутая траектория уменьшит общий размер системы. Эта концепция вызывает беспокойство по поводу взаимодействия капли с плазмой. Далее на околоземной орбите космический корабль обретет собственный потенциал . [ 18 ]

Наиболее исследованы прямоугольные и треугольные варианты LDR.

  • В прямоугольном LDR используется линейный коллектор, ширина которого равна ширине генератора капель. Коллектор может быть двусторонним, когда два слоя капель, движущихся в противоположных направлениях, воздействуют на один коллектор. В альтернативном варианте будет использоваться односторонний коллектор только с одним генератором и капельным листом. В прямоугольном ЛДР фокусировка капельного листа отсутствует, а плотность капель остается постоянной вдоль траектории полета. Это простейшая конструкция LDR с наибольшей площадью излучения. [ 18 ]
  • В концепции треугольного LDR используется генератор капель для формирования массива (листа) сходящегося потока капель. Коллектор, расположенный в точке схождения капельного листа, использует центробежную силу для захвата капель. Треугольный LDR по своей сути менее массивен из-за меньшего коллектора. Системные исследования показали, что треугольный LDR может быть на 40 процентов менее массивным, чем прямоугольный LDR. Однако при любом сравнимом размере треугольный LDR имеет половину площади прямоугольного листа и, следовательно, отводит меньше тепла. В настоящее время использование датчиков с трубкой Пито заменило первоначальные сложные вращающиеся уплотнения. Столкновения в сфокусированном слое капель приводят к слиянию сталкивающихся капель. Треугольный LDR сейчас разрабатывается более широко. [ 1 ] [ 18 ]
  • Магнитно -фокусированный LDR использует магнитное поле для фокусировки потоков капель, направленных от генератора к коллектору, тем самым гарантируя захват практически всех капель, даже если некоторые потоки могут быть неправильно направлены при выходе из генератора. Средство магнитной фокусировки также эффективно подавляет разбрызгивание жидкости при попадании капель на коллектор. Магнитно-фокусированный LDR был исследован и запатентован Брукхейвенской национальной лабораторией (BNL) по гранту Министерства энергетики (Контракт DE-AC02-76CH00016). Магнитное средство может быть выполнено с помощью электромагнита тороидальной формы или постоянных магнитов. Поскольку только одна сторона листа капель будет фокусироваться одним постоянным магнитом, четное количество капель необходимо разместить друг напротив друга рядом с коллектором. Постоянный дипольный магнит имеет ограниченную напряженность поля, что ограничивает размер излучателя. Электромагниты или сверхпроводящие магниты (с криогенным охлаждением) обеспечивают более высокую напряженность поля, но могут иметь компромисс по массе. Главный вывод расчетов состоит в том, что космический корабль может маневрировать с ускорениями менее 10 −3 г. Более высокие ускорения требуют множества меньших LDR, которые в сумме будут более массивными, но с большей вероятностью выживут. [ 8 ]

Дальнейшие исследования

[ редактировать ]

LDR изучается как побочный продукт концепции использования потока жидкости для передачи импульса между приближающимся космическим кораблем и другим космическим кораблем, станцией или лунной базой. Этот метод может уменьшить массу космического корабля и одновременно повысить эффективность космического полета. [ 15 ]

Жидкостный листовой радиатор (LRS), адаптированный для планетарных поверхностей, по сути представляет собой фонтан, заключенный в прозрачную оболочку. Жидкость стекает внутрь этой оболочки. Концепция жидкостного листового радиатора исключительно стабильна и не требует специальной обработки отверстия для достижения своих характеристик. [ 19 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и Шломо Л. Пфайффер (октябрь 1989 г.). «Концептуальный проект эксперимента с жидкокапельным радиатором-челноком» (PDF) . Отчет НАСА по контракту 185164 .
  2. ^ Удовлетворение будущих потребностей в космической энергии Джек Л. Керреброк, 1987
  3. ^ «Применение электродинамического троса к межзвездным путешествиям» Грегори Л. Мэтлофф, Лесс Джонсон, февраль 2005 г.
  4. ^ Как построить ракету на антивеществе для межзвездных миссий: соображения системного уровня при проектировании транспортных средств с передовой двигательной технологией. Архивировано 2 мая 2015 г. в Wayback Machine. Роберт Х. Фрисби, AIAA Paper 2003–4696, 20–23 июля 2003 г.
  5. ^ Jump up to: а б Тимоти Дж. Дикинсон (1996). Анализ производительности эксперимента космического корабля с жидкометаллическими тепловыми трубками . Архивировано из оригинала 27 июля 2014 года.
  6. ^ Jump up to: а б с Джеральд Л. Бакнер (1987). «Жидкостно-капельный радиатор в космосе: параметрический подход» . Труды Пятого симпозиума по космическим ядерным энергетическим системам : 313. Бибкод : 1988snps.symp..313B . Архивировано из оригинала 27 июля 2014 года.
  7. ^ Jump up to: а б Т. Тотани; М. Итами; Х. Нагата; И. Кудо; А. Ивасаки; С. Хосокава (2002). «Работа генератора капель и коллектора капель в жидкостно-капельном радиаторе в условиях микрогравитации». Наука и технология микрогравитации . 13 (2): 42–45. Бибкод : 2002MicST..13...42T . дои : 10.1007/bf02872070 . S2CID   121175434 .
  8. ^ Jump up to: а б с д Срок действия патента США 4572285 истек , Томас Э. Боттс, Джеймс Р. Пауэлл, Роджер Ленард, «Магнитно-фокусированный жидкостно-капельный радиатор», опубликовано 25 февраля 1986 г., передано Министерству энергетики.  
  9. ^ П.Рочус, Л.Сальвадор (ноябрь 2011 г.). Тепловой контроль космического корабля (PDF) . Университет Льежа. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года . Проверено 21 июля 2014 г.
  10. ^ Кодзи Ота; Роберт Т. Граф; Хацуо Исида (январь 1988 г.). «Оценка характеристик космического излучателя путем моделирования инфракрасного излучения» . Прикладная спектроскопия . 42 (1): 114–120. Бибкод : 1988ApSpe..42..114O . дои : 10.1366/0003702884428635 . S2CID   98038533 .
  11. ^ Хосокава, Сюнсукэ; Кавада, Масакуни; Ивасаки, Акира; Кудо, Исао (1993). «Наблюдение за процессом сбора капель жидкости в жидкостном радиаторе » Японское общество аэронавтики и космических наук . 41 (474): 385–390. Бибкод : 1993JSASS..41..385H . дои : 10.2322/jjsass1969.41.385 .
  12. ^ Дэвид Б. Уоллес; Дональд Дж. Хейс; Дж. Майкл Буш (май 1991 г.). «Исследование технологий изготовления отверстий для жидкокапельного радиатора» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  13. ^ Тотани, Цуёси; Кодама, Такуя; Ватанабэ, Кенсуке; Нанбу, Кота; Нагата, Харунори; Кудо, Исао (июль 2006 г.). «Численные и экспериментальные исследования циркуляции рабочего тела в жидкокапельном радиаторе». Акта Астронавтика . 59 (1–5): 192. Бибкод : 2006AcAau..59..192T . дои : 10.1016/j.actastro.2006.02.034 . hdl : 2115/14525 .
  14. ^ Мэри Фэй Маккей; Дэвид С. Маккей; Майкл Б. Дьюк (1992). «Космические ресурсы: энергия, энергетика и транспорт» (PDF) . НАСА Sp-509 . 2 : 65–68.
  15. ^ Jump up to: а б Р.Р. Бух; А. Р. Охотница (январь 1986 г.). «Крганосилоксановые рабочие жидкости для жидкокапельных радиаторов» (PDF) . НАСА Cr-175033 .
  16. ^ Фатима Зохра Кадид; Рашид Абдессемед; Саид Дрид (2004). «Исследование потока жидкости в МГД-насосе путем расчета методом конечных элементов и конечного объема». Журнал электротехники . 55 (11–12): 301–305.
  17. ^ Томас Б. Джослин (2012). Передача импульса потока жидкости для высокоэффективного движения лунных и межпланетных космических кораблей (PDF) .
  18. ^ Jump up to: а б с д и ж г К. Алан Уайт (июль 1987 г.). «Состояние разработки жидкокапельного радиатора» (PDF) . Технический меморандум НАСА 89852 .
  19. ^ Генри В. Брандхорст-младший; Джули Анна Родик (июнь 1999 г.). «Жидколистовой радиатор для лунной энергосистемы Стирлинга» (PDF) . Журнал аэрокосмической техники (213): 399–406.

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б потребуется Межзвездному кораблю примерно 12 киловатт (12 139,7 Вт) на человека.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5182e86250c557c7297aac6a15a4c3a2__1715791920
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/51/a2/5182e86250c557c7297aac6a15a4c3a2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Liquid droplet radiator - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)