NANOSATELLITE BODY COMPOSITE MATERIAL THERMAL CONDUCTIVITY DETERMINATION COMPUTATIONAL AND THEORETICAL METHOD

Cover Page

Abstract


In this paper, we present a technique for determining the thermal conductivity of an anisotropic composite material (CM) of a body of nanosatellite on a contact heating installation. A description is given of the technique of a thermal physics experiment with CM samples in the form of thin-walled plates, which were parts of the body of nanosatellite.


Введение. В настоящее время большое внимание уделяется разработке малых космических аппаратов, в том числе микро-нано- и пикоспутников Земли [1-4]. Любые искусственные спутники Земли подвергаются тепловому воздействию прямого солнечного излучения, солнечного излучения, отраженного земной поверхностью и облачным слоем и собственного излучения Земли. Кроме того, бортовое оборудование выделяет теплоту. В состав бортового оборудования обычно входит аппаратура радиосвязи, блок управления с центральным процессором, системы стабилизации и ориентации, система энергопитания. Наибольшее количество теплоты выделяется при работе системы энергопитания. Суммарное количество теплоты, отведенное от аккумуляторов в процессе разряда, может достигать 140 Дж [5], в зависимости от степени разряда, а температура аккумулятора может превышать 50 °С [5]. Поскольку аппаратура наноспутника сохраняет свою работоспособность при температурах от -10 до +75 °С, то возникает необходимость в обеспечении заданного теплового режима. Особенность нано- и пикоспутников заключается в том, что использование в них сложной системы обеспечении теплового режима (СОТР) с вентиляторами, радиаторами, жидкостной системы охлаждения, тепловыми трубами затруднена в силу малого объема таких спутников. Одним из способов решения данной проблемы может быть применение материалов с высокой теплопроводностью в конструкции корпуса. Наиболее часто, корпус наноспутников изготовляется из алюминиевых сплавов, однако известно, что некоторые КМ, в частности углепластики, могут иметь теплопроводность соизмеримую с алюминием. Использование при создании КМ углеродных волокон на основе пекового прекурсора позволяет достичь значений теплопроводности, превосходящих алюминиевые сплавы [6]. При этом такие материалы имеют при меньшей плотности, более высокую удельную прочность и удельную жесткость. При тепловом проектировании тонкостенных конструкций корпуса, которые могут выступать как теплоотводящие элементы, необходимо располагать данными по теплопроводности в плоскости армирования. Теплопроводность в направлении, перпендикулярном плоскости армирования КМ, не столь важна для тонкостенных конструкций, так как в силу малого термического сопротивления перепады температур по толщине пренебрежимо малы. К сожалению, стандартные методы для определения теплопроводности в плоскости армирования КМ не годятся, что делает актуальным разработку методик, основанных на применении современных средств воспроизведения и контроля условий нагрева образцов материалов, средств измерения, регистрации и обработки экспериментальных данных. Цель настоящей работы заключалась в обеспечении проектных исследований наноспутников необходимыми данными по теплопроводности конструкционных КМ в плоскости армирования с помощью разработки и апробации новой расчетно-экспериментальной методики. 1. Особенности предлагаемой методики: а) экспериментальными образцами служат элементы натурных конструкций корпуса нано-пикоспутников в форме пластин из КМ с размерами сторон до 300×300 мм 2 , толщиной до 3 мм. Представительный характер образцов повышает степень достоверности результатов; б) меняющееся во времени температурное поле образцов формируется с помощью кругового контактного электрического нагревателя. Такой вариант локального нагрева выбран для применения в качестве средства тепловой диагностики - тепловизора. Он удобен для лабораторной практики и не требует специальных средств защиты персонала, которые нужны при испытаниях образцов материалов и элементов конструкций на стендах радиационного и конвективного нагрева [7]; в) динамика изменения температурного поля образца регистрируется с помощью тепловизора Fluke Ti-400, универсально пригодного для измерений температуры на горизонтальных и вертикальных поверхностях в интервале температур от -20 до 1200 °С. Бесконтактный метод измерения температуры имеет заметные преимущества перед контактными в первую очередь по объему получаемой информации. Кроме того, при использовании термопар, существенно повышается трудоемкость подготовки образцов к испытаниям. Близкое расположение контактных датчиков осложнено их взаимным тепловым влиянием, что, в свою очередь, препятствует получению детальной картины температурного распределения; г) обработка экспериментальных данных осуществляется с помощью программы решения нелинейной нестационарной коэффициентной обратной задачи теплопроводности в двумерной постановке [8-10]. Программа позволяет определить температурную зависимость теплопроводности в любых направлениях плоскости армирования в интервале от начальной до максимальной температуры, измеренной в эксперименте; д) достоверность расчетно-экспериментальных данных проверяется с помощью контрольных испытаний стандартных образцов свойств материалов (из материалов с паспортизованными во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева теплофизическими свойствами), таких, как полиметилметакрилат (оргстекло) и кварцевое стекло КВ [11]. 2. Экспериментальная установка. В состав экспериментальной установки (рис. 1) входит трубчатый электрический нагреватель ПЭВ-30 6, керамический корпус которого окружен теплоизоляционным материалом ТЗМК-10 для уменьшения влияния радиационного теплообмена между нагревателем и образцом. Теплота от нагревателя к образцу передается с помощью соосного стержневого элемента из латуни, имеющего в зоне контакта с образцом диаметр 20 мм. Нагреватель крепится к основанию 7 с помощью болтового соединения. Во избежание возникновения воздушной прослойки и для улучшения контакта нагревателя с образцом между ними наносится слой термопасты. Рис. 1. Установка контактного нагрева для определения теплопроводности в плоскости армирования: 1 - камеры спокойного воздуха; 2 - образец; 3 - термоэлектроды; 4 - теплоизоляция (ТЗМК-10); 5 - стержневой элемент нагревателя; 6 - электрический нагреватель ПЭВ-30; 7 - основание Образец 2 - пластина с габаритными размерами 120×120×2 мм, зажат сверху и снизу тонкостенными цилиндрическими оболочками из АБС-пластика, выполняющих роль камер спокойного воздуха 1. Для изменения условий нагрева используется лабораторный автотрансформатор HY3000-2. Температура на поверхности образца измеряется с помощью тепловизора Fluke Ti-400. Тепловизор располагается напротив верхней камеры спокойного воздуха и продольная ось его объектива направлена перпендикулярно плоскости образца (рис. 2). Рис. 2. Общий вид установки 3. Проведение тепловых испытаний и обработка результатов. Время эксперимента составляет от 5 до 30 мин, в зависимости от скорости нагрева и максимальной допустимой температуры до которой исследуемый материал сохраняет свою нормальную работоспособность. Для предотвращения передачи тепла через теплоизоляцию между поверхностью образца и изоляционным материалом создан зазор толщиной 0,5 мм. Контакты между нагревателем и теплоизоляцией, также между стержневым элементом нагревателя и образцом считаются идеальными. Весь процесс нагрева регистрируется с помощью тепловизора (рис. 3), а полученные первичные данные оцифровываются для последующей обработки с помощью программы решения ОЗТ. Рассматривая изображения (см. рис. 3) можно наблюдать характерную картину влияния анизотропии теплопроводности образца из однонаправленного углепластика на температурное поле. Рис. 3. Изображения распределение температуры на поверхности в различные моменты времени, полученные с помощью тепловизора Температура нагревателя, расположенного под образцом, измеряется с помощью термопар, установленных внутри нагревателя. Обработка экспериментальных данных в ОЗТ проводится по модели (рис. 4). Для решения ОЗТ используются значения температуры в трех точках на поверхности образца (рис. 5). Рис. 4. Физическая модель эксперимента: α f1 , α f2 - коэффициент теплоотдачи внутри камеры и снаружи соответственно; ε, ε н , ε т - коэффициенты излучения поверхности образца, нагревателя и теплоизоляции соответственно; T f - температура окружающей среды; δ - толщина образца 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Температура, °С Время, с Условные обозначения: температура образца на расстоянии 11 мм от центра; температура образца на расстоянии 20 мм от центра; температура в центре образца Рис. 5. Типичные экспериментальные термограммы в трех точках на поверхности образца Две точки - в центре образца и отстоящая от него на 26 мм использовались для задания граничных условий первого рода. Точка, лежащая в 13 мм от центра, служит для формирования квадратичного функционала невязки, для решения задачи методом сопряженных градиентов. Задавая начальное значение теплопроводности λ 0 по модели (см. рис. 4) рассчитывается температура T(τ), после чего полученные значения сравниваются с температурой, измеренной тепловизором. ВЫВОДЫ Разработана методика для определения теплопроводности КМ в плоскости армирования с применением бесконтактных средств измерения температуры и использованием в качестве образцов элементов натурных конструкций. Методика позволяет значительно упростить и ускорить процесс исследования характеристик новых КМ, дает возможность избавится от необходимости создания масштабных моделей конструкций для уточнения характеристик материала. Благодаря тепловизионным изображениям за одно испытания возможно определить теплопроводности в любом направлении в плоскости армирования.

S V Reznik

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of technology)

Author for correspondence.
Email: sreznik@bmstu.ru
2-nd Baumanskaya str., 5/1, Moscow, Russia, 105005

Reznik Sergey Vasilyevich, Doctor of Technical Sciences, professor, head of the department SM13 “Rocket and space composite structures” of the Bauman Moscow State Technical University. Research interests: design, producing and testing of rocket and space composite structures.

P V Prosuntsov

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of technology)

Email: pavel.prosuntsov@mail.ru
2-nd Baumanskaya str., 5/1, Moscow, Russia, 105005

Prosuntsov Pavel Viktorovich, Doctor of Technical Sciences, professor of the department SM13 “Rocket and space composite structures” of the Bauman Moscow State Technical University. Research interests: modeling and identification of thermal processes in rocket and spacecraft structures.

O V Denisov

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of technology)

Email: denisov.sm13@mail.ru
2-nd Baumanskaya str., 5/1, Moscow, Russia, 105005

Denisov Oleg Valeryevich, Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department SM13 “Rocket and space composite structures” of the Bauman Moscow State Technical University. Research interests: thermal physics of composite materials and structures.

N M Petrov

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of technology)

Email: avpdrago@gmail.com
2-nd Baumanskaya str., 5/1, Moscow, Russia, 105005

Petrov Nikita Mikhailovich, post graduate student, assistant professor of the department SM13 “Rocket and space composite structures” of the Bauman Moscow State Technical University. Research interests: calculation and experimental studies of the thermal-physical characteristics of composite materials.

Vonheong Lee

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of technology)

Email: engjournalrudn@rudn.university
2-nd Baumanskaya str., 5/1, Moscow, Russia, 105005

Vonheong Lee, bachelor, student of the department SM13 “Rocket and space composite structures” of the Bauman Moscow State Technical University. Research interests: calculation and experimental studies of the thermal-physical characteristics of composite materials.

  • Nikolskii V.V. Designing of ultra-small spacecrafts: training manual. Saint-Petersburg: Baltic State Technical University, 2012. (In Russ).
  • Makridenko L.A., Boyarchuk K.A. Microsatellites. Development trend. Market features and social significance. Voprosy elektromekhaniki. 2005. Vol. 102. P. 12—27.
  • paceworksforecast.com [Internet]. Atlanta: The market forecast for the operation of microsatellites, [updated 2017 July 25]. Available from: http://spaceworksforecast.com/2017-market-forecast/
  • Blinov V.N., Ivanov N.N., Sechenov Yu.N., Shalai V.V. Small space vehicles. In 3 books. Book Minisatellite. Unified space platforms for small space vehicles: reference book. Omsk: Publishing office OmSTU, 2010. (In Russ).
  • Klimenko G.K., Lyapin A.A., Marakhtanov M.K. The study of the thermal state of the battery in the working cycle. Engineering Journal: Science and Innovation. 2013. No. 10. P. 1—11.
  • Mikhailovskii K.V., Prosuntsov P.V., Reznik S.V. Development of high-conductivity polymer composite materials for space structures. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Mashinostroenie». 2012. No. 9. P. 98—106.
  • Materials and coatings under extreme conditions. A look into the future. In 3 volumes. Vol. 3. Experimental studies ed. Polezhaev Yu.V., Reznik S.V. Moscow: Publishing office BMSTU, 2002. (In Russ).
  • Alifanov O.M. Inverse heat transfer problems. Moscow: Mashinostroenie, 1998. (In Russ).
  • Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Methods for solving incorrect problems. Moscow: Science. Main edition of physical and mathematical literature, 1979. (In Russ).
  • Kabanikhin S.I. Inverse and incorrect problems: Textbook for students of higher educational institutions. Novosibirsk: Siberian Scientific Publishing House, 2009. (In Russ).
  • Sergeev O.A. Metrological basis of thermophysical measurements. Moscow: Publishing house of standards, 1972. (In Russ).

Views

Abstract - 2845

PDF (Russian) - 131


Copyright (c) 2017 Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Denisov O.V., Petrov N.M., Lee V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.