15/08/2016 ИТ СО РАН

Сибирские ученые предлагают новые варианты работы систем термостабилизации в космосе

594 ИТ СО РАН ИТПМ СО РАН ИГиЛ СО РАН СО РАН Сотрудничество Физика Новосибирск ​Современный ритм жизни требует быстроты перемещений. Однако на пути совершенствования высокоскоростных поездов, автомобилей, самолетов и даже космических кораблей есть существенное препятствие: эти системы управляются электроникой, а компактный и мощный суперкомпьютер всегда будет нагреваться. Сегодня необходимость отведения высоких тепловых потоков при заданных температурных режимах ограничивает развитие целого ряда отраслей техники. К ним относятся: бортовая электроника космических аппаратов, высокопроизводительные вычислительные процессоры, светодиодные источники света, "электрические" самолеты (то есть самолеты без гидравлических систем), высокоскоростной железнодорожный транспорт, гибридные автомобили и электромобили.

Неудивительно, что перспективы применения высокоэффективных двухфазных систем охлаждения, разрабатываемых в Институте теплофизики Сибирского отделения РАН, только на российском рынке оцениваются в сотни и тысячи экземпляров ежегодно. Такие системы могут быть использованы не только в космических и наземных транспортных приложениях, но и для охлаждения микропроцессоров высокопроизводительной вычислительной техники. В том числе при создании суперкомпьютера полностью российского производства. Впрочем, главные задачи проекта — сугубо научные.

— Мы даже не замечаем, насколько интенсивно используем силы гравитации в обычной жизни: на них основано большинство процессов сепарации и обогащения, стекающие пленки жидкости в химических технологиях, электрические турбины и многое другое, — рассказывает руководитель работ по проекту, заведующий лабораторией интенсификации процессов теплообмена Института теплофизики СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Олег Кабов. — В космосе же, в условиях микрогравитации, на первый план выходят другие силы. Двухфазные системы в космических технологиях используются в работе топливных баков и двигателей, систем жизнеобеспечения человека, охлаждения и термостабилизации электронного оборудования, энергетических систем и топливных элементов, очистки воды и биологических систем, необходимых для длительных полетов. Изменение гравитации в общей сложности на семь порядков кардинально меняет баланс сил в двухфазных системах, выводит на первый план силы, часто пренебрежимо малые в обычных земных условиях — поверхностные, термокапиллярные, резко меняет смачиваемость. И это делает ряд процессов в двухфазных системах в космосе менее устойчивыми, менее эффективными, вызывает новые явления. Изменения эти, надо сказать, мало изучены. Недостаточны наши знания о поведении двухфазных систем и в условиях переменной гравитации, когда взлетает самолет, разгоняется поезд или автомобиль.

— В настоящее время перспективы освоения космического пространства связаны с использованием ядерных силовых установок, — продолжает ученый. — Предполагается, что при полетах на Луну потребуется бортовая энергетика на уровне 6 мегаватт, а при полетах на Марс — 24 мегаватта. Необходимо решить задачу сброса избыточного тепла при преобразовании тепловой энергии в электрическую. Здесь как наиболее перспективные рассматриваются двухфазные системы, например капельный холодильник. Также могут использоваться эффективные радиаторы — конденсаторы пара. Известно, что при невесомости длина конденсатора должна быть в несколько раз больше, чем в наземных условиях, при одинаковой производительности. Это связано со сменой расслоенного режима течения двухфазного потока на кольцевое в условиях космоса. Таким образом, остро стоит вопрос интенсификации процессов тепло- и массообмена.

Как сообщил Олег Александрович, проект призван решить целый ряд задач: провести теоретическое и экспериментальное исследование физических явлений при интенсивном испарении и конденсации, найти методы интенсификации теплообмена, разработать новые математические модели, описывающие работу отдельных узлов тепловых труб и двухфазных систем для наземных и космических приложений, предложить конструкции и изготовить прототипы технических устройств. Уже разработан экспериментальный образец высокоэффективного конденсатора пара нового типа для систем охлаждения с естественной циркуляцией теплоносителя (тепловой трубы), которые будут отводить тепло от бортовой электроники космических аппаратов.

— Актуальность тематики для космических технологий трудно переоценить, — уточняет Кабов. — Например, транспортный корабль Европейского космического агентства содержит более 300 тепловых труб. Но наши исследования имеют прямое отношение и к другим критическим технологиям Российской Федерации — энергосбережению, созданию высокопроизводительных вычислительных систем и электронной компонентной базы.

Существенную роль в зарождении проекта сыграло давнее сотрудничество с Институтом промышленных тепловых систем IUSTI (Institut Universitairedes Systèmes Thermiques Industriels) крупнейшего французского университета Экс-Марсель. Институт специализируется на индустриальных теплообменных системах, директор — известный специалист в области теплообмена профессор Лунес Тадрист, инициатор и длительное время координатор программы по кипению, испарению и теплообмену в Европейском космическом агентстве. Профессора университета Экс-Марсель Лунес Тадрист и Ирина Граур (кстати, наша бывшая соотечественница) уже проводили совместные исследования с лабораторией Олега Кабова, поэтому французская сторона без колебаний взяла на себя обязательства по паритетному финансированию проекта.

Институт теплофизики СО РАН тоже признанный мировой лидер в изучении испарения пленок жидкости: именно в лаборатории интенсификации процессов теплообмена в 1993 году были открыты регулярные структуры в пленках жидкости при локальном нагреве. А в 1995 году лаборатория вместе с коллегами из Института гидродинамики СО РАН приступила к работе над первым космическим проектом, получив грант НАСА на изучение двухфазных систем в космическом пространстве. С тех пор международное сотрудничество набирало обороты: за годы работы с Европейским космическим агентством сибирские ученые исследовали процессы, проходящие в пленках, каплях, ручейковых течениях, а также процесс кипения и конденсации в мини-каналах в условиях, максимально приближенных к космическим. Для этого в Бордо проводятся параболические полеты на специально переоборудованном самолете А-310. Сегодня лаборатория О.Кабова принимает участие в подготовке восьми экспериментов на Международной космической станции, два из которых предполагается осуществить уже в 2017 году.

Институт теплофизики стал соорганизатором ежегодной международной конференции "Двухфазные системы для космического и наземного применения", которая в 2017 году вновь состоится в России. Кроме того, профессор Кабов входит в редколлегию международного журнала "Microgravity Science and Technology". Только за время работы по проекту ФЦП ИР "Создание научно-технического задела и экспериментальных образцов высокоэффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений" опубликовано и подготовлено к печати 19 статей с индексацией в Web of Science, сделано 16 докладов на российских и международных конференциях, поданы заявки на 2 патента. В международный научный коллектив, помимо французов, входят профессор Феликс Шарыпов из Бразилии (Departamento de Fisica, Universidade Federal do Parana), доктор физико-математических наук Владимир Анискин (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН), а также другие ученые из Новосибирска и Екатеринбурга. Коллектив преимущественно молодежный — большинство исследователей не старше 35 лет, принимают участие в работе и студенты Новосибирского государственного и Новосибирского государственного технического университетов.

— Мы предложили новый тип конденсационной системы для космических и наземных приложений, — продолжает профессор Кабов. — Любые тепловые трубы имеют три части — испарительную, транспортную и конденсационную. Разработанные нами устройства позволяют значительно усовершенствовать испарительную и конденсационную части. Созданы теоретическая модель и прототип конденсатора для экспериментальных исследований. Данный конденсатор основан на максимальном использовании капиллярных сил, которые в условиях невесомости должны повышать эффективность теплообмена. Есть у нас и собственная концепция того, как достичь сверхвысокой интенсивности испарения — на порядок выше, чем в обычных аппаратах. В рутинных теплообменных аппаратах коэффициент теплоотдачи составляет порядка 10 тысяч ватт на квадратный метр, а мы говорим о 100 и даже о 300 тысячах. Наша концепция связана с динамической контактной линией "газ — жидкость — твердое тело". При таком контакте естественным образом возникают сверхтонкие пленки жидкости. А если создать сверхтонкую пленку жидкости, то интенсивность испарения может возрасти в десятки раз. Одна из научных целей нашего проекта — исследовать процессы в этой контактной области, для чего созданы два экспериментальных стенда. Ключевой момент — наличие перепадов температур на границе жидкого и газообразного вещества. В современных моделях, используемых для расчета промышленных аппаратов, возможные скачки температуры, как правило, не учитываются. Такие перепады уже зафиксированы экспериментально в нашей лаборатории при атмосферном давлении, пока их величина не слишком значительна, но мы предполагаем, что при очень высоких тепловых потоках эти скачки температуры могут составлять несколько градусов. Мы разработали концепцию технического устройства с максимальной длиной контактных линий "жидкость — газ", чтобы использовать эффект динамической контактной линии для усовершенствования тепловых труб. Сейчас существует много предприятий, производящих тепловые трубы, — как иностранных (European Heat Pipes, например), так и российских (Институт теплофизики УрО РАН, НПО им. С.А.Лавочкина).

Мы поддерживаем хорошие отношения с российскими производителями и считаем, что по окончании проекта они могут перейти в область технического сотрудничества. Дело в том, что тепловые трубы уже не в состоянии справиться с новыми требованиями, которые выдвигают современные и перспективные технологии. Как показал анализ литературы, существующих патентов и устройств, за последнее десятилетие с помощью современных способов моделирования удалось существенно продвинуться в анализе тепломассообмена внутри тепловых труб. Однако открылись новые, еще более перспективные задачи: тепловые трубы стали гораздо миниатюрнее, заметно возросли тепловые нагрузки, в производстве используются нанотехнологии, в связи с этим необходим новый анализ на микроуровне. Фундаментальные работы в рамках нашего проекта помогут достичь лучшего понимания физических явлений в пульсационных тепловых трубках и контурных тепловых трубах и, соответственно, предложить пути их усовершенствования. Современная тенденция такова, что исследования, ведущиеся для простого удовлетворения научного любопытства, поддержки не находят. Нужны проекты на переднем крае науки, за которыми просматриваются четкие практические приложения.

Подготовила Ольга КОЛЕСОВА