Введение к работе
Состояние вопроса
Разработка любого устройства, в особенности бортового устройства космического назначения, сталкивается с большими трудностями, которые связаны с ограничением массы и габаритов, обеспечением теплового режима, выбором системы терморегулирования и т.д., а также отсутствием достоверных методик анализа эксплуатационных режимов.
Проектирование устройств космического назначения связано со сложностью обеспечения нормального теплового режима в условиях как внешних (окружающая среда), так и внутренних (тепловыделения в электрорадиоэлементах (ЭРЭ)) тепловых воздействий. Нормальный тепловой режим таких устройств это такой, при котором температура каждого из элементов устройства не превышает допустимую, а общая надежность его будет не ниже заданной.
Наиболее теплонагруженными устройствами на борту космического аппарата (КА) являются комплексы автоматики и стабилизации (КАС), а также блоки автоматики и стабилизации (БАС) системы электроснабжения, управляющие потоками электрической энергии между источником (солнечными батареями), накопителем (аккумуляторами) и нагрузкой (бортовой аппаратурой). В состав КАС входят элементы и устройства вычислительной техники, силовые энергопреобразующие устройства, системы экстремального регулирования мощности солнечных батарей и стабилизации напряжения питания бортовой аппаратуры.
Характерной особенностью работы КАС на борту КА является работа в динамических режимах, когда в зависимости от орбитального положения КА (в тени Земли или на освещенном участке орбиты) попеременно работают зарядные или разрядные силовые энергопреобразующие устройства. Соответственно изменяется мощность тепловыделения и температурные поля в узлах и блоках КАС.
Наличие в узлах и блоках КАС большого количества тепловыделяющих ЭРЭ, а также конструктивных элементов, выполненных из материалов с разными теплофизическими характеристиками, приводит к усложнению системы дифференциальных уравнений, которой описывается его теплофизическая модель. Кроме этого, необходимо моделировать и согласовывать начальные и граничные условия на границах неоднородностей теплофизических характеристик элементов конструкции.
В исследовании стационарных и динамических тепловых режимов устройств широкое применение получили численные методы решения дифференциальных уравнений «плппрпппдпплтц
' . ?*?№
Решение системы таких уравнений представляет собой сложную теплофизическую и математическую задачу, которую необходимо сформулировать и решить для частного конструкторско-технологического исполнения того или иного узла, конструктива, блока и прибора в целом.
Имеющиеся в настоящее время пакеты прикладных программ (ППП), такие как Ansys, Nastran, Flow3D, не позволяют с заданной точностью проводить исследования тепловых режимов и температурных полей по конструкции и элементам устройств космического назначения и требуют создания математических моделей. Для создания математических моделей необходима классификация конструктивных решений размещения и крепления тепловыделяющих ЭРЭ к элементам конструкции, а также количественных характеристик теплопроводности среды, которая воспринимает тепло от силовых блоков БАС и передает суммарный тепловой поток на излучатель системы терморегулирования.
Актуальность работы
С повышением требований к надежности, долговечности, увеличению удельных мощностей приборов, работающих в динамическом режиме, к массогабаритным параметрам (с учетом применения новых материалов) и экономическим показателям космических устройств возникла- необходимость детальной проработки вопросов, связанных со схемотехническими и конструкторскими решениями на различных этапах проектирования.
Тепловыделение КАС задано в технических требованиях и подлежит постоянному уточнению по мере получения новой информации в процессе разработки, вплоть до установления значений, измеренных по результатам испытаний конкретного образца КАС.
В ходе проектирования КАС должны быть проведены тепловые анализы отдельных узлов, блоков и КАС в целом с выпуском соответствующих документов.
В настоящее время развитие ЭВМ позволяет проводить расчет тепловых режимов и температурных полей по конструкции устройства с учетом различных воздействующих факторов с наименьшими трудозатратами.
Имеющиеся численные методы расчета тепловых режимов и температурных полей по конструкции не учитывают особенности устройств космического назначения.
Поэтому одной из важных задач исследования, обеспечивающих ускорение научно-технического прогресса при проектировании устройств космического назначения любого конструктивного исполнения, является, пррработка вопроса обеспечения требуемой надежности, раз-
5 работка научного подхода и эффективной методики, позволяющей проводить анализ конструкций устройства на соответствие нормальному тепловому режиму.
Цель работы
Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ анализа теплового режима элементов и устройств систем управления ботового электроснабжения с целью улучшения их качественных и эксплуатационных показателей.
Для достижения поставленной цели решены следующее задачи:
-
Проведен анализ и классификация существующих методов исследования тепловых режимов элементов и устройств с учетом их современного состояния и тенденций развития.
-
Разработаны алгоритмы программ и методики расчета теплового режима устройства, основанные на методе электротепловой аналогии.
-
Доработан метод электротепловой аналогии введением в классическую электротепловую модель теплоиндуктивности.
-
Синтезированы математические модели для описания реальных тепловых процессов элементов с учетом особенностей космических устройств.
-
Разработаны компьютерные программы расчета теплового режима элементов и устройств космического назначения.
Научная новизна
-
Разработана классификация типовых конструктивных решений по характеристикам теплопроводности от тепловыделяющих ЭРЭ для кондуктивного способа отвода тепла в бортовой аппаратуре космического аппарата.
-
Впервые предложено использовать математический аппарат программ схемотехнического моделирования (MicroCAP, Electronics Workbench, OrCad) для расчета тепловых режимов элементов и устройств систем управления космического назначения.
-
Разработана методика для исследования тепловых режимов элементов и устройств космического назначения с применением метода электротепловой аналогии.
-
Впервые предложена интегрированная электротепловая схема, в которой учитываются тепло физические свойства конструкции и способы теплообмена.
-
Впервые введено понятие "теплоиндуктивности" для совершенствования теоретической базы алгоритмов и программ анализа тепловых режимов элементов систем управления бортового электроснабжения методом электротепловой аналогии.
Достоверность результатов
Теоретические исследования подтверждены экспериментальными исследованиями температурных полей конкретных образцов аппаратуры в условиях пониженного атмосферного давления до 104ммрт. ст.
Практическая ценность работы
Разработана методика исследования тепловых процессов, которая позволяет проводить расчет и анализ температурных полей узлов и блоков аппаратуры космического аппарата, размещенной как в герметичном контейнере и охлаждаемой газом, так и внегермоконтеинера с использованием кондуктивиого способа отвода тепла. Использование пакетов прикладных программ при анализе тепловых режимов позволило существенно снизить трудоемкость теплового моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Применение метода электротепловой аналогии в сочетании с использованием пакетов схемотехнического моделирования позволяет рассчитывать нестационарные тепловые режимы элементов и устройств космического назначения с учетом неоднородности теплофизи-ческих параметров элементов конструкции.
-
Метод электротепловой аналогии, дополненный понятием «те-плоиндуктивности», позволяет учесть инерционность элементов тепловой системы и проводить анализ динамических нестационарных тепловых режимов энергопреобразующей аппаратуры.
-
Применение интегрированных электротепловых схем в исследовании тепловых режимов элементов и устройств космического назначения позволяет реализовать системный подход к проектированию аппаратуры.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены в НПЦ «Полюс» (Росавиакосмос) при создании тепловых моделей и проведении тепловых анализов комплекса автоматики и стабилизации системы электроснабжения (СЭС) КА «Глонасс-М» и блока автоматики и стабилизации СЭС КА «Гонец-М».
Теоретические результаты использованы на кафедре конструирования и производства радиоаппаратуры Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники в соответствующих лекционных курсах. Разработанные алгоритмы и программы, применены в лабораторном практикуме по конструированию радиоэлектронных средств.
Апробация работы
Основные результаты доложены на: городской научно-технической конференции по приборостроению, посвященной сорокалетию полета Гагарина Ю.А. в космос (Томск, ТПУ, 2001 г.); технологическом конгрессе «Современные технологии при. создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2001 г.); международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи» (Томск, ТПУ, 2001 г.); 7-й международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-7-2001)» (Барнаул, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 40-летию ТУСУРа (Томск, ТУСУР, 2002 г.); VIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «СТТ'2002» на русском и английском языках (Томск, ТПУ, 2002 г.); Международной научно-практической конференции «САКС 2002» (Красноярск, 2002 г.).
Публикации
10 работ, в 5, депони-
По материалам диссертационной темы опубликовано том числе полных текстов докладов - 3 , тезисов докладов рованных статей - 2.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 148 страниц основного текста с рисунками, 2 страницы приложений, список литературы из 78 источников.
