Радиальный теплораспределитель для улучшения отвода тепла от радиоизотопного генератора Стирлинга

6 февраля 2017 г.

НАСА

Исследовательский центр Гленна НАСА разрабатывает следующее поколение радиоизотопных генераторов Стирлинга (SRG) для обеспечения научных миссий в дальний космос. Одним из потенциальных технологических пробелов является подход к отводу отходящего тепла для преобразователей Стирлинга большей мощности. В предыдущем усовершенствованном радиоизотопном генераторе Стирлинга (ASRG) мощностью 140 Вт использовался проводящий фланец из медного сплава для передачи тепла от преобразователя к поверхности радиатора корпуса генератора. Проводящий фланец приведет к существенному ухудшению массы и тепловых характеристик в более крупных системах Стирлинга. Радиальный распределитель тепла (RCHS) — это пассивное двухфазное устройство управления температурой, разработанное для решения этой проблемы за счет использования водяного пара вместо меди в качестве теплоносителя.

RCHS представляет собой полый титановый диск с ямочками, в котором используется кипящая и конденсирующаяся вода для радиальной передачи тепла от центра, где будет расположен преобразователь Стирлинга, к внешнему диаметру, где будет крепиться корпус генератора. Экспериментальная RCHS весит около 175 грамм и рассчитана на передачу 130 Вт (тепловой) от хаба на периметр. Он работает при номинальной температуре 90°C с полезным диапазоном от 50 до 150°C. Для испытаний преобразователь Стирлинга был заменен на электрический нагревательный элемент, а корпус генератора — на теплопоглотитель.

Две кампании параболических полетов и одно суборбитальное летное испытание предоставили необходимые данные в различных гравитационных средах для оценки тепловых характеристик RCHS. Параболические полеты проводились в 2013 и 2014 годах. Суборбитальный полет состоялся 7 июля 2015 года и включал в себя два блока РЧС: один параллельно и один перпендикулярно вектору запуска. Ракета Black Brant IX доставила полезную нагрузку RCHS на высоту 332 км в условиях микрогравитации более восьми минут. Целью этого эксперимента было определить, сможет ли RCHS функционировать на всех этапах миссии. Поскольку SRG заправляются и работают до запуска, крайне важно поддерживать надлежащий температурный режим во время наземного обслуживания с перегрузкой 1g, запуска в условиях гиперперегрузки и космических микроперегрузок. Результаты испытаний подтвердили, что RCHS может выдерживать гравитационные переходные процессы на протяжении всего суборбитального полета, передавая при этом тепловую энергию, необходимую для поддержания преобразователя Стирлинга в предписанных температурных пределах.

Прошедший летные испытания RCHS составляет одну четверть массы современного медного проводящего фланца ASRG и обеспечивает улучшенную теплопередачу для минимизации термического сопротивления. По мере увеличения уровня мощности преобразователя Стирлинга экономия массы и преимущества передачи тепла, обеспечиваемые RCHS, существенно возрастут. Летные испытания зондирующей ракеты доказали, что РЧС может поддерживать надлежащий тепловой контроль в условиях гипергравитации и микрогравитации независимо от ориентации аппарата относительно стартовых сил.

RCHS достиг шестилетнего уровня технологической готовности (TRL) для использования в энергосистемах Стерлинга посредством тщательных испытаний в широком диапазоне сред, включая запуск, микрогравитацию и термовакуум. Если бы эта технология была принята в SRG следующего поколения, потребовались бы дополнительные комплексные испытания системы.

Предоставлено НАСА