ИСТОРИЯ ВОПРОСА
В целях совершенствования и упрощения используемых в настоящее время методов регулирования температуры тела космонавтов при их работе в открытом космосе была выполнена соответствующая программа исследований. Результаты этих исследований, касающиеся специфических проблем регулирования температуры в космических скафандрах, приведены в работе [1]. Однако, хотя непосредственно эти исследования были вызваны необходимостью модификации основного принципа работы тепловых труб применительно к условиям регулирования температуры в космических скафандрах, полученные в процессе работы данные выходят за пределы этой специфической проблемы и носят более широкий характер.
Настоящая работа обобщает полученную информацию. Различные модификации тепловых труб и методы изготовления модифицированных тепловых труб рассматриваются в ней с общих позиций, а не только с точки зрения специфики использования этих устройств для регулирования температуры в космических скафандрах.
ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ
Первой публикацией по тепловым трубам была, по- видимому, статья Гровера, Коттера и Эриксона из Лос- аламосской исследовательской лаборатории, появившаяся в 1964 г. в журнале J. Арр 1. Phys. пбд названием «Устройства с очень высокой проводимостью тепла». В этой статье описывалась конструкция тепловых труб цилиндрического типа, а также данные нескольких опытов, проведенных с этими трубами. В этой же статье был введен и сам термин «тепловая труба».
Под тепловой трубой подразумевалась труба, заглушенная с обоих концов, внутренняя поверхность которой покрыта капиллярной структурой и из которой удалены неконденсирующиеся газы. Капиллярная структура, в качестве которой могут использоваться фитиль из проволочной сетки или пористая керамическая труба, должна быть пропитана соответствующей рабочей жидкостью, например водой или жидким металлом. В тепловых трубах реализуется замкнутый цикл испарение — конденсация. В результате эффективная плотность передаваемого теплового потока оказывается очень высокой. По внешнему эффекту тепловые трубы подобны стержням с очень высокой теплопроводностью. Была достигнута кажущаяся теплопроводность, на несколько порядков превышающая теплопроводность лучших металлических проводников тепла.
Принцип переноса тепла, используемый в тепловой трубе, хорошо известен. Он заключается в том, что перенос тепла осуществляется путем переноса массы, сопровождающегося изменением фазового состояния теплоносителя. Если к некоторой части тепловой трубы подвести тепло, то местное увеличение температуры приведет к росту давления паров жидкости, заполняющей капилляры фитиля. Жидкость будет испаряться, а пар под действием перепада давлений перетекать в более холодные зоны внутренней полости трубы. Там пар конденсируется, а конденсат под действием капиллярного напора возвращается по фитилю в ту часть трубы, где в результате испарения происходит убыль жидкой фазы.
Таким образом, рассматриваемый процесс включает изменение фазового состояния. Сначала жидкость переходит в пар, поглощая при этом количество тепла, равное скрытой теплоте парообразования, а затем происходит обратный переход из пара в жидкое состояние с выделение в процессе конденсации скрытой теплоты. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ высока, при реализации указанного выше процесса обеспечивается высокая плотность теплового потока. Кроме того, поскольку возврат конденсата осуществляется под действием капиллярного напора и не зависит от силы тяжести, данная конструкция может •быть использована в условиях невесомости.Фактически это одно из немногих известных устройств, которые в невесомости работают даже лучше, чем на земле.
Совершенно очевидно, что данный процесс никоим •образом не ограничивается геометрией трубы. Любая полость (из которой удалены неконденсирующиеся газы), покрытая изнутри капиллярной структурой, пропитанной соответствующей жидкостью, сможет переносить тепло указанным выше путем. Перенос тепла будет осуществляться в любом направлении от области подвода тепла к области, где оно отводится; при этом для обеспечения переноса тепла потребуются очень малые перепады температур.
Величина перепада температур между зонами испарения и конденсации безусловно зависит от потерь давления в паровом потоке. Поскольку в тепловой трубе одновременно присутствуют как жидкая, так и паровая фаза, жидкость будет находиться в состоянии насыщения. Тем самым связь между давлением и температурой рабочей жидкости определяется уравнением кривой насыщения. Температура жидкой фазы будет увеличиваться до тех пор, пока давление пара не станет достаточным для обеспечения перетечки пара в холодную зону трубы. Если сечение парового потока сравнительно велико, как, например, в тепловых трубах цилиндрического типа, то перепад давлений в паровом потоке будет очень мал; перепад температур также окажется зачастую столь незначительным, что его нельзя будет определить путем измерений. В этом случае тепловая труба будет практически изотермичной.
Для того чтобы использовать это интересное устройство в космическом скафандре, требуется определенная модификация исходной конструкции. Детально причины этих изменений проанализированы в работах [1,2].
Здесь достаточно указать лишь некоторые из них: 1) необходимо обеспечить возможность регулирования теплового потока в трубе, при этом в качестве регулирующего импульса должен использоваться приложенный внешний сигнал; 2) при конструировании труб нужно учитывать технологию соединения капиллярной структуры, например фитилей, с плоскими или криволинейными внутренними поверхностями тепловых труб; 3) должна быть предусмотрена возможность изготовления тепловых труб из эластичных материалов; 4) при конструировании тепловых труб должна быть решена проблема их повторного запуска при затвердевании рабочей жидкости под действием низкой температуры среды, в. которую отводится тепло, и (или) временного уменьшения количества подводимого тепла.
