DE69016770T2 - Abstrahlersystem für ein Raumfahrzeug. - Google Patents
Abstrahlersystem für ein Raumfahrzeug.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertragungsrohrabstrahler mit den Merkmalen des Oberbegriffs aus Anspruch 1.
- Derartige Wärmeübertragungsrohrabstrahler werden auch in Raumfahrzeugen eingesetzt, wobei Kühlmittel in Stromversorgungssystemen verwendet werden, die normalerweise bei erhöhten Temperaturen zirkulieren. Die überschüssige Wärme wird in den Weltraum abgegeben. Konventionelle Wärmerohre verwenden üblicherweise ein Zweiphasen-Arbeitsfluid, das die Wärme des Kühlmittels in einem Verdampferabschnitt absorbiert, in dem das Arbeitsfluid verdampft wird. Das verdampfte Fluid strömt über die Kühlrippen, die die Wärme an den Weltraum abstrahlen und eine Kondensation des Arbeitsfluids verursachen, das dann als Flüssigkeit in den Verdamperabschnitt zurückzirkuliert.
- US-A-4 351 388 stellt einen solchen Abstrahler mit Wärmeübertragungsrohren dar, die jeweils dort entlang Verdampfer- und Kondensatorabschnitte aufweisen, feine Umfangsnuten, die entlang einer Innenwand der Rohre gebildet sind, um dazwischen hohe Grenzschichtkoeffizienten zu erzeugen, um geringe Temperaturabfälle entlang der Verdampfer- und Kondensatorabschnitte zu verhindern, und eine im Rohr angeordnete ebene Platte zur Erzeugung getrennter Flüssigkeits- und Dampfkanäle, wobei so ein viskoser Druckverlust auf ein Minimum herabgesetzt ist, der mit Grenzflächenanstiegsvermögen für eine hohe hydrodynamische Förderleistung verbunden ist.
- GB-A-1 455 001 stellt eine andere Art von Abstrahlern dar. Beide sind jedoch mit Kühlrippen versehen, die thermische Energie abstrahlen und keiner weist Vorrichtungen auf, um die Wärmeströmung von den Kühlrippen in dem Fall auf ein Minimum herabzusetzen, da die Rippen einer großen Energiequelle ausgesetzt sind.
- Normalerweise sind die Kühlrippen außen an einem Raumfahrzeug angebracht, wodurch sie Laserwaffen ungeschützt ausgesetzt sind, die auf den Abstrahler gerichtet werden können, um so zum Schmelzen der einfachen Aluminiumrippen zu führen. Ein weniger starker Laseraufprall könnte verhindern, daß der Kondensatorabschnitt des Abstrahlers das darin enthaltene Arbeitsfluid kondensiert, so daß der Zweiphasenaustausch des Arbeitsfluids nicht vollendet werden kann. Dadurch wäre der Abstrahler nicht mehr in der Lage, die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Abstrahler auszuführen. Letztendlich würde das Kühlmittel eine übermäßig hohe Temperatur beibehalten und den Ausfall der Stromversorgungsanlage des Raumfahrzeugs herbeiführen.
- Die vorliegende Erfindung ist ein verbessertes Wärmeübertragungsrohrabstrahlsystem für ein Raumfahrzeug, welches das Ziel erfüllt, Kühlrippen- und Isolierwerkstoffe aufzunehmen, die den Abstrahler weniger anfällig gegenüber einer Laserzerstörung werden lassen. Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel erreicht.
- Die oben erwähnten Ziele und Vorteile der Erfindung werden verständlicher, wenn man sie im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet, wobei:
- FIG. 1 eine diagrammartige Perspektivansicht eines verallgemeinerten Abstrahlers eines Raumfahrzeugs nach dem bisherigen Stand der Technik ist;
- FIG. 2 eine schematische Ansicht eines Abstrahlsystems nach dem bisherigen Stand der Technik ist;
- FIG. 3 eine schematische Darstellung eines Wärmerohrabstrahlsystems ist;
- FIG. 4 eine fragmentarische Ansicht einer vereinfachten Wärmeübertragungsrohrkonstruktion ist;
- FIG. 5 ein Querschnitt einer komplizierteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.
- Zum besseren Verständnis der Probleme, die mit der Erfindung gelöst werden, wird auf die FIG. 1 Bezug genommen, in der ein Wärmeübertragungsrohrabstrahler 10 nach dem bisherigen Stand der Technik dargestellt ist. Das Kühlmittel aus dem Stromversorgungssystem eines Raumfahrzeugs, z.B. eines Multi-Megawatt-Reaktors, fließt durch den Wärmetauscher 12. Dieser ist mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren 14 verbunden, die ein Arbeitsfluid in sich aufnehmen. Eine große Kühlrippe 16 steht in Wärmekontakt zu den Wärmeübertragungsrohren und leitet die Wärme aus den Wärmeübertragungsrohren zu deren anschließender Abstrahlung in den Weltraum. Die Kühlrippe 16 ist anfällig gegenüber einer Laserzerstörung, die die Form eines mächtigen Laseraufpralls mit hoher Strömungsintensität auf einen kleinen Laserpunkt, wie durch die Bezugsziffer 18 angegeben, annehmen könnte. Andernfalls könnte der Aufprall auch als großer Punkt mit hoher Strömungsintensität erfolgen, der durch einen feststehenden Laserstrahl erzeugt wird, wie durch die Ziffer 20 angegeben. Wie zuvor erwähnt, können konventionelle Abstrahlsysteme als Folge solcher Laserangriffe ausfallen und das Kühlmittel nicht mehr kühlen. Dies liegt darin begründet, daß das Kühlrippenmaterial, meist Aluminium, tatsächlich zerstört wird. Offensichtlich führt die Zerstörung der Kühlrippe zum Ausfall des Abstrahlers, wodurch eine ausreichende Kühlung des Kühlmittels verhindert wird. Es ist aber auch möglich, daß ein genügendes Erwärmen der Wärmeübertragungsrohre im Ergebnis des Laseraufpralls die Phasenumwandlung des darin enthaltenen Arbeitsfluids verhindert. Folglich wird das Kühlmittel nicht gekühlt. Bei Aufrechterhaltung einer erhöhten Temperatur des Kühlmittels fällt das Stromversorgungssystem schließlich aus.
- Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines typischen Wärmeübertragungsabstrahlsystems 22. Wie daraus deutlich wird, wird das Kühlmittel des Stromversorgungssystems bei 24 in den Wärmetauscher 26 eingeleitet. Das Wärmeübertragungsrohr 28 ist an dessen linkem Ende mit dem Wärmetauscher 26 verbunden. Der dargestellte linke Endabschnitt des Wärmeübertragungsrohres 28 dient als Verdampferabschnitt 30, der mit einem äußeren Kondensatorabschnitt 32 des Wärmeübertragungsrohres verbunden ist. Eine Metallkühlrippe 34 steht in Wärmekontakt zu dem Kondensatorabschnitt 32 des Wärmeübertragungsrohres und strahlt die Wärme von der Phasenumwandlung des Arbeitsfluids in den Kondensatorabschnitt 32 des Wärmeübertragungsrohres. Wenngleich bei der vereinfachten Erörterung von FIG. 2 ein einziges Wärmeübertragungsrohr 28 vorgesehen ist, so soll doch betont werden, daß eine Vielzahl von parallel angeordneten Wärmeübertragungsrohren eine bevorzugte Ausführungsform der Anlage darstellt.
- Fig. 2 zeigt diagrammartig die Strömung eines Zweiphasen-Arbeitsfluids innerhalb des Wärmeübertragungsrohres 28. Das Arbeitsfluid wird im Verdampferabschnitt 30 zu Dampf umgewandelt. Dieser Dampf strömt in Richtung 36, und seine Wärme wird entlang des Kondensatorabschnittes 32 zur Metallrippe 34 geleitet. Dadurch wandelt sich das Arbeitsfluid in eine zweite Phase, nämlich in die flüssige Phase, um. Die Flüssigkeit wird durch einen herkömmlichen Docht (nicht dargestellt), der sich im Wärmeübertragungsrohr befindet, entlang der Richtung 38 zum Wärmetauscher 26 zurückgeleitet.
- Ein typisches System, wie in FIG. 2 veranschaulicht, würde in der umgekehrten Strömungsrichtung funktionieren, wenn es einer Lasererwärmung ausgesetzt wäre, was durch die Bezugsziffer 40 gekennzeichnet ist. Die Umkehrströmung würde die Wärmeenergie des Lasers zum Verdampferabschnitt transportieren, was die Kühlung des Kühlmittels 24 verhindert.
- Ein typisches System der in FIG. 2 gezeigten Art umfaßt einen Flüssigkeitssammelbehälter 42, um den Rückfluß der Flüssigkeit zwischen dem Wärmetauscher 26 und dem Wärmeübertragungsrohr 28 zu verhindern, wodurch die Umkehrströmung im Rohr gestoppt wird.
- Bei diesem typischen System aus FIG. 2 ist das aus dem Wärmetauscher 36 strömende Kühlmittel oft nicht ausreichend gekühlt, um die Erfordernisse eines dazugehörigen Stromversorgungssystems, insbesondere während eines Laserangriffs, zu erfüllen. In einem solchen Fall wird das Kühlmittel bei 44 in ein Wärmespeichersystem 46 eingeleitet, in dem die Temperatur des Kühlmittels gesenkt werden kann. Anschließend kann das Kühlmittel wieder über die Leitung 48 in das Stromversorgungssystem zurückgeführt werden.
- FIG. 3 ist eine schematische Darstellung eines Hochleistungs-Wärmeübertragungsrohrabstrahlsystems. Es ist allgemein mit der Bezugsziffer 50 gekennzeichnet und umfaßt den Wärmetauscher 26 nach dem bisherigen Stand der Technik. In seiner konventionellen Form weist ein Wärmeübertragungsrohr 53 einen Verdampferabschnitt 54 auf, der vom Wärmetauscher zu einem Kondensatorabschnitt 56 verläuft. Eine große Kühlrippe 58 ist am Kondensatorabschnitt 56 befestigt und weist einen Wärmekontakt zu diesem auf. In deutlichem Gegensatz zu einer nach dem bisherigen Stand der Technik verwendeten Metallrippe setzt die Erfindung ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Material ein, das weitaus widerstandsfähiger gegenüber einer Laserzerstörung ist als die Metallrippe nach dem bisherigen Stand der Technik. Aufgrund des Aufbaus des Wärmeübertragungsrohres, der nachfolgend erläutert wird, durchläuft das Arbeitsfluid innerhalb des Wärmeübertragungsrohres einfach eine Zweiphasenumwandlung von Dampf (60) zu einer Flüssigkeit (62). Das Wärmeübertragungsrohr vermeidet das Auftreten einer Umkehrströmung, die nach dem bisherigen Stand der Technik unter ähnlich nachteiligen Betriebsbedingungen vorhanden wäre.
- Der Aufbau und die Funktionsweise des Wärmeübertragungsrohres ermöglicht außerdem eine umfassende Regelung der Arbeitsfluidströmumg, so daß ein Flüssigkeitssammelbehälter 42A wesentlich kleiner als der nach dem bisherigen Stand der Technik eingesetzte Behälter 42 sein kann.
- FIG. 4 und der dazugehörige Abschnitt der Spezifikation veranschaulichen beispielhaft eine vereinfachte Form eines Wärmeübertragungsrohres, die zum besseren Verständnis der Erfindung beiträgt. In dieser Figur sind zwei parallele Wärmeübertragungsrohre 53 dargestellt, die normalerweise an ihren Enden geschlossen sind. Die zylindrischen Wände der Wärmeübertragungsrohre sind im Eingriff mit den halbzylindrischen Verformungen 64 in der Kühlrippe 58, so daß es einen Wärmekontakt zwischen den Wärmeübertragungsrohren und der Kühlrippe gibt. Der Innenraum jedes Wärmeübertragungsrohres 53 ist mittels einer rechteckigen Ablenkplatte 70 in zwei Kanäle unterteilt. Der obere dargestellte Kanal ist ein Dampfkanal 66, während der untere Kanal ein Flüssigkeitskanal 68 ist. Ringförmige Nuten 72 sind längs an jedem Wärmeübertragungsrohr ausgebildet.
- Der kreisförmige Innenquerschnitt jedes Wärmeübertragungsrohres ermöglicht eine minimale Wanddicke zur Druckaufnahme und eine große Materialauswahl bei den Rohren. Der einzelne Flüssigkeits- und der Dampfkanal in jedem Wärmeübertragungsrohr weisen einen minimalen viskosen Strömungsdruckverlust auf, der mit Grenzflächenanstiegsvermögen für eine hohe hydrodynamische Förderleistung verbunden ist. Die Nuten 72 schaffen hohe Kondensator- und Verdampfer-Grenzschichtkoeffizienten mit einem damit einhergehenden geringen Temperaturabfall.
- Das verdampfbare Arbeitsfluid kann Ammoniak, Methylalkohol oder ein organisches Material zur Phasenumwandlung bei hoher Temperatur sein.
- FIG. 5 zeigt den Aufbau des Wärmeübertragungsrohres in einer komplizierteren Ausführungsform.
- Wie dargestellt umfaßt der untere Flüssigkeitskanal 68 einen Metallnetzstreifen 74, mit dem der Flüssigkeitsrücklauf vom Kondensatorabschnitt des Wärmeübertragungsrohres zum Verdampferabschnitt von dem der Wärmeübertragungsrohrwand 56 getrennt wird. Der Netzstreifen hat im Querschnitt eine Krümmung, die jener des zylindrischen Wärmeübertragungsrohrinnern sehr nahekommt. Allerdings ist ein Abstand zwischen dem Streifen und der Innenwand des Wärmeübertragungsrohres vorhanden, der einen Ring 76 bildet, welcher einen selbstisolierenden Dampfring als Reaktion auf eine Lasererwärmung aufbaut. Dies verhindert eine Beschädigung des Wärmeübertragungsrohres, die sonst beim Kochen der Flüssigkeit im Ring 76 auftreten würde. Dadurch wird ein ununterbrochener Betrieb des Wärmeübertragungsrohres trotz eines Laserangriffs an begrenzten Stellen, z.B. 18 und 20 in FIG. 1, möglich. Aufgrund des Netzstreifens ist nur ein geringes oder gar kein Volumen des Sammelgefäßes (42A in FIG. 3) erforderlich, da nur eine geringe Flüssigkeitsmenge infolge der Lasererwärmung verdrängt wird (das Ringvolumen). Außerdem besteht ein deutlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dochtanordnung darin, daß sie zu einer starken Verringerung des benötigten Wärme speichersystems (46A in FIG. 3) führen kann, da die einzige verlorene Wärmeabweisungsfläche jene ist, die durch den auftreffenden Laserpunkt erleuchtet wird, wobei der Rest des Wärmeübertragungsrohres normal funktioniert.
- Die Erfindung umfaßt eine neuartige Vorrichtung zum Anbringen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kühlrippe 78, die die Wärmeabkopplung der Kühlrippe zum Schutz der Wärmeübertragungsrohre vor der Lasererwärmung ermöglicht. Zu diesem Zweck weist der Körper des Wärmeübertragungsrohres ein langgestrecktes Paar paralleler Flansche auf, die eine Wärmeklammer 80 bilden. Ein Rand der Kühlrippe 78 befindet sich in der Klammer, und ein Halterungsstift 82 verläuft durch die Klammer und den darin aufgenommenen Kühlrippenrand. Zwischen der Klammer und der Kühlrippe ist ein Paar Folienstreifen 84, vorzugsweise aus Indium, eingefügt. Die Folie füllt den Zwischenraum aus und unterstützt eine hohe Wärmeleitfähigkeit unter Klemmdruck.
- Das Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kühlrippenmaterial ist speziell ausgewählt worden, weil die Kohlenstoffasern im Material der intensiven Laserenergie widerstehen können. Die Fasern haben eine hohe Leitfähigkeit in Faserrichtung, so daß durch Ausrichten der Kühlrippenfasern senkrecht zur Rohrachse die auftreffende Laserwärme wirksamer von den Wärmeübertragungsrohren entfernt werden kann.
- Die Wärmeklammer 80 umfaßt einen metallischen Werkstoff mit einem größeren Ausdehnungskoeffizienten senkrecht zur abstrahlenden Oberfläche als das Kohlenstoff-Kohlenstoff-Material. Wenn also die Kühlrippe einer Lasererwärmung ausgesetzt ist, dehnen sich die Klammerflansche aus und der Kontaktdruck zwischen der Klammer 80 und der Kühlrippe verringert sich. Dadurch wird die Kühlrippe thermisch vom Wärmeübertragungsrohr abgekoppelt, wenn sie einer intensiven Laserwärme ausgesetzt ist.
- Um die Wärmeübertragungsrohre noch stärker von der Laserwärme zu isolieren, wird der Körper des Rohres mit einer mehrschichtigen Metallfolienisolierung umwickelt.
- Das Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kühlrippenmaterial ist vorzugsweise neutronengehärtet, um eine Nuklearstrahlung überstehen zu können. Das Material an sich ist bei weitem besser als Aluminium, da es eine doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit wie Metall aufweist, eine Größenordnung, die die Leitfähigkeit anderer Hochtemperaturmetallle übersteigt. Somit entsteht ein viel leichteres System.
- Bei bestimmten erfindungsgemäßen Anlagen kann es notwendig sein, die nicht kondensierbaren Gase zu absorbieren. Wie bei herkömmlichen Wärmeübertragungsrohrabstrahlsystemen können "Getter" zusammen mit dem Flüssigkeitssammelbehälter 42A installiert werden.
- Somit weist ein Wärmeübertragungsrohrabstrahlsystem mit erfindungsgemäßem Aufbau eine hohe Überlebensfähigkeit gegenüber Laserangriffen auf und hat dennoch eine höhere thermische Leistungsfähigkeit bei einem wesentlich geringeren Gewicht als gegenwärtige Technologien.
Claims (6)
1. Wärmeübertragungsrohrabstrahler, umfassend:
- eine Anzahl von parallel angeordneten Rohren (14), die
jeweils dort entlang Verdampfer- und
Kondensatorabschnitte aufweisen,
- feine Umfangsnuten (72), die entlang einer Innenwand der
Rohre gebildet sind, um dazwischen hohe
Grenzschichtkoeffizienten zu erzeugen, um geringe Temperaturabfälle
entlang der Verdampfer- und Kondensatorabschnitte zu
verhindern,
- eine in jedem Rohr angeordnete ebene Platte (70) zur
Erzeugung getrennter Flüssigkeits- und Dampfkanäle, wobei
so ein viskoser Druckverlust auf ein Minimum herabgesetzt
ist, der mit Grenzflächenanstiegsvermögen für eine hohe
hydrodynamische Förderleistung verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- jedes Rohr (2) gegenüberliegende Paare langgestreckter,
mit Abstand angeordneter Flansche (80) aufweist, die sich
seitlich nach außen erstrecken,
- der Wärmeübertragungsrohrabstrahler eine Anzahl von
Kühlrippen (78) aufweist, deren Ränder zwischen benachbarten
Flanschpaaren festgeklemmt sind,
- das Material der Kühlrippenabschnitte
Kohlenstoff-Kohlenstoff mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als demjenigen der Rohre ist, wodurch ein Nachgeben von
Klemmdruck dazwischen bewirkt wird und die Wärmeströmung
von der Kühlrippe zum Rohr in dem Fall auf ein Minimum
herabgesetzt wird, daß die Kühlrippe einer
Hochenergiequelle ausgesetzt ist, und wobei deren Kohlenstoffasern
senkrecht zu den bohren gerichtet sind, um eine
Wärmeströmung
von den Rohren zur Kühlrippe hin zu optimieren,
wobei der geringere Wärmeausdehnungskoeffizient der
Kühlrippe in einer Richtung senkrecht zur
Kühlrippenoberfläche ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie ein feines Netzelement (74)
aufweist, das entlang der Innenlänge jedes Rohrs angeordnet
ist, um als Barriere zwischen der Flüssigkeit und der
Wärmeübertragungsrohrwand auf dem Rücklaufteil der Flüssigkeit
von den Kondensator- zu den Verdampferabschnitten hin zu
dienen.
3. Anordnung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sie
- eine Hülse (86) aus Metallfolienisolationsmaterial
aufweist, die um jedes Rohr herum gewickelt ist, um die
Erwärmungswirkung einer zum Rohr hin gerichteten
Hochenergiequelle herabzusetzen.
4. Anordnung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß sie
- ein gebogenes feines Netzelement (74) aufweist, das
entlang der Innenlänge jedes Rohrs angeordnet ist, um als
Barriere zwischen der Flüssigkeit und der
Wärmeübertragungsrohrwand auf dem Rücklaufteil der Flüssigkeit von
den Kondensator- zu den Verdampferabschnitten zu dienen.
5. Anordnung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß sie
- Befestigungsmittel (82) zum Halten der
Kühlrippenabschnitte zwischen entsprechenden Flanschen aufweist.
6. Anordnung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sie
- ein Paar von Folienstreifen (84), vorzugsweise aus
Indium, zwischen den Flanschen und der Kühlrippe aufweist.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| US07/454,822 US5069274A (en) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Spacecraft radiator system |
Publications (2)
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| DE69016770T2 true DE69016770T2 (de) | 1995-09-14 |
Family
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Family Applications (1)
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