автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Интенсификация теплообмена в инерциальных навигационных системах на лазерных гироскопах

На правах рукописи

Климаков Владимир Владимирович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ НА ЛАЗЕРНЫХ ГИРОСКОПАХ

Специальность 05.11.14 - «Технология приборостроения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

005554133

Москва - 2014

005554133

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

Улитенко Александр Иванович

Официальные оппоненты: Дмитриев Александр Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», заведующий кафедрой «Низких температур»

Суханов Сергей Валерьевич, кандидат технических наук, Открытое акционерное общество «Арзамасское научно-производственное предприятие «ТЕМП-АВИА», начальник сектора

Ведущая организация: Филиал Федерального государственного

унитарного предприятия «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина» производственное объединение «Корпус» (г. Саратов)

Защита диссертации состоится «26» декабря 2014 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.110.01, на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского» по адресу: 109240 г. Москва, Берниковская набережная, д. 14, строение 2, ауд. 602.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского», http://www.mati.ru.

Автореферат разослан « 25 » октября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета у/

Д 212.110.01, к.т.н., профессор _/н__Баранов П.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Практика конструирования бортовой аппаратуры свидетельствует о полном переходе к идеологии бесплатформенных инерциапьных навигационных систем (БИНС), как наиболее полно отвечающим требованиям автономности, помехозащищенности и скрытности. Предпосылками роста конкурентоспособности таких систем являются совершенствование габаритно-массовых характеристик, снижение потребляемой мощности, увеличение точности и надежности. Отвод мощности в десятки ватт в БИНС на лазерных гироскопах (ЛГ) затруднен высокой плотностью размещения теплонагруженных элементов и низкой эффективностью теплопередачи.

Появление эффективных методов обработки сигналов ЛГ и кварцевых акселерометров создает условия для качественного прогресса в развитии БИНС повышенной точности. Развитие этой тенденции означает включение в состав блока чувствительных элементов (БЧЭ) цифровых управляющих процессоров, высокое быстродействие которых позволяет реализовать новые алгоритмы выделения информации и управления характеристиками ЛГ. Однако подобные решения увеличивают тепловую нагрузку на БЧЭ, что создает предпосылку для роста нестабильности масштабных коэффициентов и дрейфа выходных сигналов ЛГ. Поэтому уменьшение массогабаритных характеристик систем навигации вследствие совершенствования сервисной электроники и инерциальных датчиков не сопровождается пропорциональным падением потребляемой мощности. В конечном итоге перечисленные причины создают предпосылки для ограничения точности навигационной информации и эксплуатационной надежности БИНС.

Применение эффективных алгоритмов обработки информации и коренная модернизация сервисной электроники делают все более актуальной задачу интенсификации теплообмена внутри БИНС. Ее решение является необходимой предпосылкой для повышения надежности и точности автономных систем инерциаль-ной навигации.

Цель и задачи исследований

Цель диссертационной работы - обеспечение стабильного функционирования БИНС на лазерных гироскопах с повышенной плотностью рассеиваемой мощности за счет включения в ее конструкцию пассивных теплоотводящих элементов.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

— экспериментальные исследования теплового режима БИНС и ее внутреннего температурного поля;

— анализ предельных возможностей естественного теплообмена (теплопроводности, конвекции и теплового излучения) для уменьшения температур внутренних элементов и узлов БИНС;

— создание тепловой модели БИНС и анализ эффективности решений, направленных на интенсификацию теплообмена при включении в конструкцию дополнительных элементов;

- разработка и экспериментальные исследования интегрируемых в БИНС теплопередающих устройств, предназначенных для транспортировки к внешнему корпусу мощности, рассеиваемой инерциальными датчиками и сервисной электроникой;

- обоснование совместимости теплопередающих элементов с условиями амортизации БЧЭ и управлением вибрационными частотными подставками ЛГ;

- поиск аналитических соотношений, для расчета элементов конструкции теплопередающих устройств применительно к условиям функционирования БИНС.

Методы исследований

При решении поставленных задач использованы теория тепловых труб, методы натурного макетирования и математического моделирования. Для моделирования и проведения расчетов на ЭВМ применены пакеты программных обеспечений 8о1Ы\Уогк5 и Согшо1 МиШрИуБюв.

Научная новизна результатов

1. Обоснованы аналитические соотношения для расчета характеристик тепловых труб с учетом особенностей их применения в БИНС.

2. Доказана эффективность применения тепловых труб для интенсификации теплообмена внутри БИНС.

3. Сформулировано условие совместимости гибких контурных тепловых труб с системой амортизации блока чувствительных элементов и показана возможность их использования в БИНС на лазерных гироскопах с вибрационной частотной подставкой.

4. Показана возможность снижения до 2 °С разброса температур инерциаль-ных датчиков и устройств в блоке чувствительных элементов в условиях отвода тепла к внешнему корпусу БИНС с помощью устройств на основе тепловых труб.

Практическое значение результатов

1. Разработана конструкция гибкой контурной тепловой трубы, совместимая с системой амортизации БЧЭ.

2. Предложены варианты дублирования теплопередающего тракта при произвольной ориентации тепловых труб в гравитационном поле.

3. Разработана последовательность операций сборки и заполнения теплоносителем гибкой контурной тепловой трубы.

4. Разработана конструкция теплопередающей панели на основе плоских тепловых труб для отвода тепла от плат сервисной электроники.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Предельная тепловая мощность £>тах, передаваемая против сил тяготения и инерции тепловой трубой длиной /„ с составной капиллярной структурой в виде сетки, ограничена величиной:

0« = ^"°2/кс д°" 0,203 /1-9,66. Ю-1. ех/--Н451-д/ _V

где цж, рж, а и Ь - динамическая вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения и удельная теплота парообразования теплоносителя; g - ускорение свободного падения, и > 1 - величина перегрузки, Ьан Иг~ ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства плоского корпуса тепловой трубы, /гкс доп - площадь сечения дополнительной капиллярной структуры, /т0- протяженность участка теплообмена.

2. Отвод тепловой мощности Q от блока чувствительных элементов бесплатформенной инерциальной навигационной системы обеспечивают гибкие контурные тепловые трубы, в которых артерии длиной /а имеют форму цилиндрической спирали и заключены в капиллярные структуры внутри испарителей и конденсаторов, а внутренний диаметр артерий «4 находится в диапазоне:

где цж, рж, а и Ь - динамическая вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения и удельная теплота парообразования теплоносителя; g - ускорение свободного падения, N1 - количество артерий; /и, Ьа и Ъ2 ~ протяженность, ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства испарителя (конденсатора).

3. Тепловая труба со змеевидными трубопроводами в виде N чередующихся полуокружностей радиуса Я, соединенных прямолинейными участками длиной / совместима с амортизацией блока чувствительных элементов в бесплатформенной инерциальной навигационной системе, если параметры транспортных зон удовлетворяют соотношению:

в котором Е - модуль Юнга материала трубопровода, 1 - момент инерции поперечного сечения транспортной зоны, ка - минимальная жесткость амортизатора, 5/7/о - предельно допустимое относительное изменение собственных частот колебаний блока.

Достоверность результатов исследований

Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:

- теоретическими расчетами и результатами измерений, выполненными в процессе экспериментов;

- соответствием результатов численного моделирования и расчетов, полученных независимым путем с помощью аналитических соотношений;

- экспериментальными исследованиями действующих макетов теплоотво-дящих устройств.

Реализация результатов работы

Полученные экспериментальные результаты использованы во ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет при выполнении НИР № 20-08 «Поиск путей оптимизации теплового режима навигационной сис-

темы БИНС-СП» и в ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики» при разработке и проектировании БИНС.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на: 18-й и 19-й Международных конференциях по интегрированным навигационным системам (МКИНС), г. Санкт-Петербург - 2011, 2012 г.; 15-й и 16-й Международных научных конференциях, посвященных памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск, 2011, 2012 г.; XXXVII, XXXVIII, XXXIX Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» г. Москва, 2011, 2012, 2013 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2012», г. Москва, 2012 г.; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы развития нано-, микро- и оптоэлектроники», г. Рязань, 2010 г.; Всероссийской конференции молодых ученых специалистов, ученых и студентов памяти главного конструктора академика АН СССР В.И. Кузнецова, г. Москва, 2013 г.; Второй международной конференции «Тепловые трубы для космического приме-нения»(2НР5А) г. Москва, 2014.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 21 печатных работ (из них три работы в журналах из перечня ВАК и один патент на полезную модель).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Работа изложена на 179 страницах основного текста, содержит 125 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные задачи исследований и научные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе диссертации выполнен аналитический обзор публикаций, в котором рассмотрены особенности конструкций современных БИНС на лазерных гироскопах, основные тенденции изменений их габаритно-массовых и энергетических параметров, охарактеризовано состояние проблемы влияния температуры инерциальных датчиков на их надежность и точность, а также сделаны оценки эффективности механизмов отвода рассеиваемой мощности.

Рис. 1 отражает оценку верхнего предела температур кольцевых лазеров, проведенной на основании опубликованной информации о конструкционных особенностях ряда серийно выпускаемых БИНС на ЛГ. Показано, что поддержание лазерной генерации без переключений на соседнюю продольную моду сталкивается с комплексом проблем, быстро нарастающих, когда температура окружающей среды превышает 50 °С, а в непосредственной близости от кольцевого лазера (КЛ) размещаются дополнительные теплонагруженные элементы.

Гл:7, =С 120

110

100 90 80 70

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 годы Рис. 1. Оценка верхнего предела температур моноблоков КЛ в серийно производимых БИНС. Температура окружающей среды, °С: 80 (О) и 55 (•)

Чтобы предотвратить межмодовые переключения, ограничивающие стабильность масштабного коэффициента ЛГ и точность информации об угловых перемещениях, необходимо интенсифицировать процессы теплообмена, уменьшив перепад температуры между кольцевыми лазерами и внешним корпусом БИНС. В этой связи выполнен предварительный анализ возможностей использования пассивных теплоотводящих элементов, обладающих повышенной эффективностью, в частности, тепловых труб. Однако включение последних в конструкцию БИНС ограничено необходимостью совместить теплоотводящие устройства с управлением вибрационными частотными подставками ЛГ, амортизацией БЧЭ и с изменениями положения БИНС в гравитационном поле.

Обзор литературы завершается конкретизацией задач диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям температурного поля внутри серийно выпускаемой навигационной системы БИНС-СП1 производства ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики», построению математической модели происходящих в ней тепловых процессов, а также оценке возможностей интенсификации теплообмена на внешней поверхности корпуса.

Результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Обнаружены значительные (в несколько раз) различия в скоростях приближения к динамическому равновесию в отсеке сервисной электроники и в блоке чувствительных элементов, что является признаком несбалансированности теплового режима системы.

2. Выделены два фактора риска для эксплуатационной надежности БИНС: сбои в работе сервисной электроники вследствие перегрева и неоднородность температурного поля внутри блока чувствительных элементов (рис. 2).

3. Зарегистрирован значительный перегрев (рис. 3) отдельных элементов плат сервисной электроники (до 130 °С) и корпусов гироскопов У (до 95 °С, что близко к пределу, за которым быстро увеличивается вероятность разгерметизации кольцевого лазера).

4. Зафиксированы сбои в работе сервисной электроники БИНС, частота которых возрастает с ростом температуры окружающей среды. При достижении значения температуры окружающей среды 55 °С первые сбои совпадают с обнаруженной перестройкой температурного поля в БЧЭ.

20

0 60 \ 120 180 240 300 360 t, мни. 0 60 120 180

а а

Рис. 2. Сравнение динамики выхода элементов БИНС к установившимся значениям при температуре окружающей среды 23 °С: 1 - нижняя часть высоковольтного источника, 2 -верхняя часть высоковольтного источника, 3 - крышка гироскопа Y, 4 - крышка гироскопа Z, 5 - преобразователь сигналов инерциальных датчиков, 6 - процессор, 7 - центр крышки отсека БЧЭ внешней поверхности корпуса, 8 - центр правой стенки отсека электроники внешней поверхности корпуса.

к

о --

?

Г ■ "с—' 'S

^ о -1

<3

20 -'0 J0 50 60 "О SO =С

Рис. 3. Зависимость температуры элементов БИНС-СП от температуры окружающей среды: 1 -процессор, 2 - блок акселерометров 4-я грань вверху, 3 - БЧЭ, блок гироскопов, ЛГ У крышка.

5. Для ограничения верхнего предела температуры инерциальных датчиков на уровне 70 °С перепад температуры между поверхностью блока БЧЭ и внешним корпусом должен составлять не более 5 - 6 °С (вместо наблюдаемых значений 20 - 40 °С). Показана невозможность достижения такого перепада за счет лишь естественного теплообмена.

6. На основе программного обеспечения Сотзо1 МиМрИуБЮЗ разработана укрупненная тепловая модель БИНС (рис. 4). Её использование позволяет: рассчитать температурное поле внутри системы; прогнозировать изменения температур инерциальных датчиков в пределах заданного диапазона температур окружающей среды; сравнить эффективность различных способов теплоотвода.

Амортизатор

оТо7 \ т^с

Г > Корпус ВИНС Внешняя задача

Корпус БЧЭ

Внутренняя задача

Рис. 4. Схема теплообмена в отсеке БЧЭ, реализуемого в тепловой модели БИНС: КЛ - кольцевой лазер, БА - блок акселерометров, ВИ - высоковольтный источник, УРПК - усилитель регулировки периметров кольцевых лазеров. Условные обозначения процессов теплопереноса:

-конвекция, ^""'-излучение, —- теплопроводность

7. Показано, что при температурах выше 70 °С механические напряжения в соединениях металлических электродов с ситалловым моноблоком кольцевого лазера близки к порогу текучести материала электродов.

8. Выполнена оценка влияния разъюстировки зеркал на сдвиг оптической оси кольцевого резонатора. Разъюстировке сферических зеркал на , возможной при автоматической компенсации температурного изменения периметра резонатора, соответствует сдвиг оптической оси в пределах 18-36 мкм, что является предпосылкой

увеличения погрешности ЛГ.

9. На основе экспериментального исследования возможности повысить эффективность теплообмена на внешней поверхности корпуса БИНС (рис. 5) установлено, что при строго заданных внешних габаритах выигрыш, связанный с изменением геометрии покрытого черной эмалью оребрения, хотя и возможен, однако весьма невелик. При толщине ребра 2 мм, изменение ширины межреберного зазора в пределах от 3 до 10 мм и глубины от 2 до 6 мм обеспечивает снижение температуры, не превышающее 2,5 °С.

В третьей главе применительно к специфике БИНС проанализированы два вида теплопередающих элементов - однофазные термосифоны и тепловые трубы, выполнены соответствующие расчеты и макетирование.

Теплоотводящие устройства, включенные в структуру БИНС, должны соответствовать следующим основным требованиям:

— обеспечивать отвод тепловой мощности от единиц до десятков Ватт при уменьшении температур внутренних элементов БИНС более чем на 10 °С;

— способность к устойчивому теплообмену независимо от ориентации

Рис. 5. Зависимость рассеваемого теплового потока от разности температур для образцов оребрения: О - до покраски (в = 0,39); в - после покраски (е = 0,8)

(пунктирной линией отмечена граница теплового потока с боковых стенок БИНС)

БИНС в гравитационном поле;

- восстанавливать работоспособность после прекращения перегрузок, вызванных ускоренным движением.

Поиск количественных ограничений для параметров термосифонов и тепловых труб осуществлен применительно к задаче охлаждения элементов плат сервисной электроники. Экспериментальные исследования макетов плоских однофазных термосифонов (рис. 6) продемонстрировали, что их установка в отсеке сервисной электроники позволит на 16 °С снизить температуру микросхем и ПЛИС на электронной плате при тепловыделении более 8 Вт.

О 2 4 6 8 е, Вт Рис. 6. Конструкция теплопередающей панели на основе однофазного термосифона и зависимость перепада температуры от отводимой мощности: 1 - корпус с несущими элементами, 2 -крышка, 3 - заправочный штенгели, 4 - окно для выступающих элементов

\Т,°С 16 14

Рис. 7. Теплопередающая панель и зависимость перепада температуры по длине тепловой трубы от передаваемой мощности при горизонтальном положении: 1 - тепловая труба; 2 - несущий элемент ( тепловой сток); 3 - заправочный штенгель

Макетирование тепловых труб подтвердило приемлемость их термического сопротивления (десятые доли °С/Вт, рис. 7), однако при их использовании необходимо решить проблему транспортировки заданной тепловой мощности в направлении, противоположном силам тяготения и инерции. Для этого предложено

включить в конструкцию тепловой трубы дополнительную капиллярную структуру, выполненную из того же материала и той же сетки (рис. 8).

Баланс давлений, определяющий способность тепловой трубы с дополнительной капиллярной структурой передавать тепловую мощность Q против сил тяготения и инерции, имеет вид:

^Лс.макс - 2ЛРКС + АРКСД + APg (1) где АРк макс — максимальный капиллярный напор, который может создать гомогенная капиллярная структура; 2АРкс -перепад давления на гомогенной капиллярной структуре на участках испарения и конденсации, требуемый для перекачки теплоносителя по периметру тепловой трубы; АРКС д - перепад давления на дополнительной капиллярной структуре, необходимый для возврата теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения; APg - гравитационная составляющая перепада давления.

В результате анализа соотношения (1) найдено решение задачи одномерной оптимизации, соответствующее передаче максимальной предельной мощности против сил тяготения и инерции (рис. 9), и определена зависимость оптимального диаметра сетки капиллярной структуры dc opt от параметров тепловой трубы и

свойств теплоносителя:

и [^Tr а ст/то -187,47 • 1(Г3 ■ 7г • pxng ■ F ■ DT

dc,oVt = A + ^A +в> А =-7—;->

D^+Tb./n (2)

Рж"Я ' 'то -'тт

где цж, рж, а и L - динамическая вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения и теплота парообразования теплоносителя; g - ускорение свободного падения, п - величина перегрузки, FKC доп - площадь сечения дополнительной капиллярной структуры, ban h2~ ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства плоского корпуса тепловой трубы, /т0- протяженность участка теплообмена, длина тепловой трубы.

Использование аппроксимаций позволило сформулировать ограничение для максимальной предельной мощности передаваемой против сил тяготения и инерции тепловой трубой длиной с составной капиллярной структурой в виде сетки (первое научное положение).

К важным для применения в БИНС свойствам теплопередающего устройства относится время восстановления его работоспособности после прекращения перегрузки. Анализ дифференциального уравнения, отражающего скорость изме-

Рис. 8. Сечение плоской тепловой трубы: 1 - корпус; 2 - гомогенная капиллярная структура; 3 - дополнительная капиллярная структура; 4 - цилиндрическая заготовка корпуса

нения импульса теплоносителя, позволил выполнить соответствующий расчет для тепловой трубы с гомогенной капиллярной структурой (рис. 10). Зависимости времени восстановления от геометрических характеристик тепловой трубы и свойств теплоносителя свидетельствует о возможности реализовать устройства со временем восстановления работоспособности от 10 до 60 с.

Q, Вт II

10 9 8 7 6

(¿тахбо 1

1 1

-— 1 | 1 1 1 2

! 1 S

тахво 1 \

1 1 1 1 \ \

1 1 1 s 1 f \

Рис. 9. Зависимость предельной мощности от диаметра проволоки капиллярной структуры. Температура Т, °С: 1 - 60, 2 - 70 , 3 -80.

Длина тепловой трубы /„= 155 мм, п = 1,1Т0 = 30 мм, F — 20 мм2, DT= 9 мм

25 29

33 37 41 45 dc, мкм

Л с

62

60 58 56

с

50 40 30 20 10 0

y/s

// //

4 /У

20

т, °с

Рис. 10. Зависимость времени подъема теплоносителя от: а) температуры на высоту = 160 мм; б) высоты- расчет для температур 7", °С: 1 - 60, 2 - 80. (Для тепловой трубы с длинной теплообменной области /т0 = 30 мм, с капиллярной структурой диаметром проволоки ¿с = 26 мкм, ^сдап = 20 мм2, И= 9 мм)

В четвертой главе изложены результаты исследований, направленных на решение следующих задач:

- разработка тепловой трубы, адаптированной к условиям отвода тепла от блока чувствительных элементов;

- определение требований к механическим и тепловым характеристикам ее конструкции;

- анализ влияния тепловой трубы на механические колебания кольцевых лазеров (создание вибрационной частотной подставки);

- изучение воздействия вибраций на транспортные свойства тепловой трубы.

Тепловая труба для отвода тепла от БЧЭ (рис. 12) представляет собой замкнутый контур, образованный плоским испарителем и конденсатором, которые соединены между собой гибкими транспортными участками змеевидной формы. Возврат теплоносителя обеспечивает спиральная артерия, проходящая внутри конденсатопровода, через испаритель и конденсатор. На концах артерии установлены торцевые заглушки, отделяющие её жидкостный канал от парового пространства. Для увеличения капиллярного напора и лучшего обмена теплоносителем спиральная артерия в испарителе и конденсаторе охвачена сеточной капиллярной структурой. Результаты экспериментальных исследований макета гибкой контурной тепловой трубы со змеевидными трубопроводами приведены на рис. 13: ее термическое сопротивление составляет 0,2 °С/Вт.

Способность к устойчивому теплообмену независимо от ориентации БИНС в гравитационном поле и восстановление работоспособности после прекращения перегрузок обеспечивает введение в конструкцию тепловой трубы второго испарителя: при изменениях пространственной ориентации один из двух испарителей окажется «ниже» конденсатора (рис. 12, б). Альтернативный вариант - установка нескольких тепловых труб с разными ориентациями испарителя и конденсатора.

Баланс давлений в гибкой контурной тепловой трубе со спиральной артерией аналогичен (1), однако в правой части роль второго слагаемого выполняет перепад давления внутри артерии, описываемый формулой Пуазейля. Диаметр сеточной капиллярной структуры, при котором передача заданной мощности Q происходит при максимальном различии положений конденсатора и испарителя /гик, определяется выражением:

I у-лцжрте (3)

/„ - длина испарителя (конденсатора).

Ограничения при выборе внутреннего диаметра артерии (второе научное положение) основаны на анализе возможности передать заданную мощность против сил тяготения и способности артерии к самозаполнению теплоносителем при горизонтальном положении тепловой трубы.

б

Рис. 12. Конструкция гибкой тепловой трубы с одним (а) и двумя испарителями и одним конденсатором (б): 1 - конденсатор, 2 - испаритель, 3 - гибкий паровой канал, 4 - гибкий канал возврата теплоносителя, 5 - артерия, 6 - капиллярная структура испарителя и конденсатора

Совместимость тепловых труб с амортизацией БЧЭ в БИНС обеспечена с помощью реализации змеевидного трубопровода, обладающего малой жесткостью. Соответствующие исследования проведены на основе упрощенного аналитического соотношения, прямых измерений и численного моделирования. Аналитический расчет жесткости 2 трубопровода в соответствии с правилом последовательного соединения упругих элементов в случае силы, приложенной в направлении 0у, приводит к соотношению:

_6ЕГ_

21-[12+ Ъ^lRl + \2R2\N-\)+Ъ%NRi ' где N - количество полуокружностей, Я - радиус полуокружности, I - длина прямолинейного участка. Е - модуль Юнга материала трубопровода, I— момент инерции поперечного сечения трубопровода.

Справедливость выражения (4) в рассматриваемой ситуации обоснована с помощью моделирования реакции змеевидного транспортного участка на внешние воздействия, осуществленного на основе программного пакета БоПсШогкз, аналитического расчета и прямых измерений. Результаты представлены на рис. 14 в форме распределений смещений и механических напряжениий.

Условие совместимости транспортной зоны тепловой трубы с амортизацией БЧЭ в БИНС следует из (4) при заданном ограничении максимально возможного изменения 5/ резонансной частоты /0 колебаний БЧЭ, подвешенного на амортизаторах (третье научное положение). Анализ соотношения (4) приводит к следующим выводам:

- двукратное уменьшение внутреннего и внешнего диаметров змеевидного трубопровода позволяет при сохранении величины жесткости уменьшить размеры /, Я его элементов в 24/3 раз;

- длина / прямолинейных участков змеевидного трубопровода должна быть велика, насколько позволяют габаритные ограничения.

Влияние размещения тепловой трубы на добротность и резонансную частоту колебаний для каждого кольцевого лазера исследовано с помощью стенда, представленного рис. 15. Результаты экспериментов, сведенные в таблицу 1, свидетельствуют о незначительном влиянии разработанной тепловой трубы на условия возбуждения колебаний кольцевых лазеров. Изменение резонансной частоты и добротности при установке тепловой трубы составляет менее 1 %.

Исследования влияния вибрации на теплопередающие свойства тепловой трубы показали, что возмущения перепада температур между испарителем и конденсатором не превышают 1 °С при изменении частоты колебаний в диапазоне 30 -450 Гц.

Рис. 13. Экспериментальная зависимость перепада температур между испарителем и конденсатором контурной тепловой трубы от передаваемой мощности.

2люа=414 Н/м г,ш,=490 Н/м

Смещения в направлении X

Рис. 14. Результаты моделирования трубопровода с пятью полуокружностями (Дх - фиксированное положение, материал медь, Я = 7,5 мм, /=65 мм с12=3 мм, с1\=2 мм РУ=ГХ = 1 Н)

Механические напряжения

Смещения в направлении У

Механические напряжения

ЛГ х ЛГ г ЛГу

без ТТ с ТТ без ТТ с ТТ без ТТ с ТТ

Резонансная частота, Гц 383,8 7 384,0 5 375,1 0 375,3 4 392,5 8 392,5 6

Добротность 142 157 114 110 280 302

Таблица 1.

Экспериментальные данные по влиянию тепловой трубы на условия возбуждения ЛГ

Рис. 15. Стенд для исследования влияния гибкой тепловой трубы на условия возбуждения ЛГ: 1 - тепловая труба, 2 - БЧЭ, 3 - гироскоп X, 4 - гироскоп У, 5 - гироскоп Ъ, 6- имитатор внешнего корпуса

Конденсаторы _

а) б)

Рис. 16. Изотермы на внешней поверхности корпуса БИНС при отводе тепла от БЧЭ с помощью одной (а) и двух (б) тепловых труб. Конденсаторы тепловых труб выделены белым цветом; температура окружающей среды 25 °С

Таблица 2.

Моделирование влияния тепловой трубы, расположенной на крышке гироскопа Ъ, на температуры элементов БЧЭ (температура окружающей среды 25 °С)

Результаты моделирования температурного поля с помощью программного пакета Сошзо1 МиШрИувюБ в условиях отвода тепла от БЧЭ к внешнему корпусу БИНС через тепловые трубы отражены на рис. 16 и в таблице 2. Для расчетов использована тепловая модель (рис. 4), в которой теплообмен между БЧЭ и внешним корпусом БИНС осуществляется через тепловые трубы с температурным сопротивлением 0,2 °С/Вт. Размещение даже одной тепловой трубы в несколько раз уменьшает неравномерность распределения температуры внутри БЧЭ по сравнению с базовым вариантом конструкции, в котором реализуются лишь «естественные» механизмы теплообмена.

Элемент БЧЭ Температура, "С

Естественный теплообмен Теплообмен через тепловую трубу

Высоковольтный источник 56,3 45,5

Усилитель регулировки периметров КЛ 63,0 45,8

Блок акселерометров 60,5 45,6

Корпус БЧЭ, дно 54,2 45,2

Корпус БЧЭ, боковая стенка 53,9 45,7

Крышка гироскопа X 53,7 45,3

Крышка гироскопа У 53,7 45,6

Крышка гироскопа 7. 53,7 43,4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему: 1. Обоснована необходимость интенсификации теплообмена для ограничения температур кольцевых лазеров в условиях эксплуатации БИНС на лазерных гироскопах вблизи верхнего предела температуры окружающей среды.

2. Эффект снижения температур, достигаемый при оптимизации условий теплообмена на внешней поверхности корпуса БИНС, не устраняет факторы риска для инерциальных датчиков и элементов сервисной электроники.

3. Использование внутри БИНС термосифонов в качестве дополнительных тепло-отводящих устройств обеспечивает положительный эффект лишь применительно к отдельным теплонагруженным элементам.

4. Получены количественные ограничения для максимальной мощности, передаваемой от теплонагруженных плат БИНС с помощью тепловых труб, используемых в составе теплоотводящих панелей.

5. Обоснована возможность отвода тепла от блока чувствительных элементов к внешнему корпусу БИНС с помощью гибких контурных тепловых труб. Сформулированы количественные ограничения для конструкции транспортных участков, которые позволяют совместить эффективный теплоотвод с амортизацией БЧЭ и управлением механическими колебаниями кольцевых лазеров (вибрационной подставкой).

6. Передача тепловой мощности к внешнему корпусу БИНС с помощью тепловых труб позволяет решить проблему ограничения температур инерциальных датчиков и элементов сервисной электроники даже в условиях использования в составе БЧЭ теплонагруженных элементов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Климаков В.В. Исследование теплового режима навигационной системы на кольцевых газоразрядных лазерах [Текст] / Климаков В.В., Молчанов A.B., Улитенко А.И., Чиркин М.В. // Вестник РГРТУ. -2012. -№ 39-2.-С.48-52.

2. Улитенко А.И. Выравнивание температурного поля в бесплатформенной инерциальной навигационной системе на лазерных гироскопах [Текст] / Улитенко А.И., Климаков В.В., Молчанов A.B., Чиркин М.В. // Радиотехника. - 2012. - №3. — С.171-176.

3. Климаков В.В. Перспективы применения тепловых труб в бесплатформенных инерциальных навигационных системах [Текст] / Климаков В.В. Молчанов А.В, Улитенко А.И., Чиркин М.В. // Приборы. -2013. -№1. -С.24 -33. Статьи, опубликованные в других изданиях, и материалах конференций:

4. Патент на полезную модель №137356, Российская Федерация, МПК F28D 15/02. Гибкая контурная тепловая труба [Текст] / Климаков В.В., Молчанов A.B., Улитенко А.И., Чиркин М.В.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет»(ГШ). - заявка № 2013134710; заявлено 23.07.2013; опубликовано 10.02.2014, Бюл.№4.

5. Климаков В.В., Отвод тепла от элементов сервисной электроники бесплатформенных инерциальных навигационных систем с помощью конвекционных плат и тепловых труб [Текст] / Климаков В.В.// Конструкторское бюро. - 2013. -№2. - С.48-49.

6. M.V. Chirkin, V.V. Klimakov, A.I. Ulitenko, A.V. Molchanov. Passive controlling of a temperature field inside strapdown inertial navigation system // Proceedings of 18th S-Petersburg International conference of integrated navigation system, S-Pb 30 May - 1 June, 201 l,pp 122-124.

7. M.V. Chirkin, V.V. Klimakov, V.N. Melekhin, A.V. Molchanov, A.I. Ulitenko. Passive heat removal elements integrated into the design of the strapdown inertial navigation system // Proceedings of 19й1 S-Petersburg International conference of integrated navigation system, S-Pb 28-30 May, 2012, pp. 99-101.

8. Климаков B.B. Разработка конструкции теплоотводящих устройств для обеспечения теплового режима бесплатформенных инерциальных навигационных систем БИНС-СП [Текст] / Климаков В.В. // Сборник научных трудов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы развития нано-, микро- и оптоэлекгроники». Рязань, 24-25 ноября 2010 г., -С.150-155.

9. Климаков В.В. Применение пассивных способов теплоотвода тепловой мощности в бесплатформенных инерциальных навигационных системах [Текст] / Климаков В.В. // Научные труды Международной молодежной научной конференции XXXVII Гагаринские чтения. Москва, 5-8 апреля 2011 г., том 3. — С.150-155.

10. Климаков В.В. Исследование возможности отвода тепла от элементов сервисной электроники бесплатформенных инерциальных навигационных систем с помощью конвекционных плат и тепловых труб [Текст] / Климаков В.В. // Сборник научных трудов XVI Международной научной конференции посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Ре-шетневские чтения», Красноярск 7-9 ноября 2012 г. Ч. 1. - С. 180-182.

11. Климаков В.В. Охлаждение блока чувствительных элементов бесплатформенной инерциальной навигационной системы [Текст] / Климаков В.В., Улитенко А.И., Чиркин М.В., Молчанов A.B. // Сборник научных трудов XV Международной научной конференции посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения», Красноярск 10-12 ноября 2011 г. 4.1. - С.177-178.

12. Климаков В.В. Оценка предельной температуры кольцевых лазеров в условиях конвективного теплообмена внутри бесплатформенной инерциальной навигационной системы [Текст] / Климаков В.В., Улитенко А.И., Чиркин М.В., Молчанов A.B. // Сборник научных трудов XVI Международной научной конференции посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения», Красноярск 7-9 ноября 2012 г. 4.1. - С. 152-153.

13. Климаков В.В. Анализ характеристик прецезионных БИНС и оценка эффективности их теплообмена [Текст] / Климаков В.В., Улитенко А.И., Чиркин М.В., Молчанов A.B. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Новые материалы и технологии - НМТ-2012», Москва 20-22 ноября 2012 г. - С. 213-214.

14. Климаков В.В. Проблема ограничения температур чувствительных элементов бесплатформенных инерциальных навигационных систем на лазерных гироскопах [Текст] / Климаков В.В., Молчанов А.В.Улигенко А.И., Чиркин М.В. // Сборник материалов «Всероссийской конференции молодых ученых специалистов, ученых и студентов памяти главного конструктора академика АН СССР В.И. Кузнецова», Москва 16-17 апреля 2013 г. - С. 37-38.

15. Климаков В.В. Интегрирование тепловых труб в бесплатформенную инер-циальную навигационную систему [Текст] / Климаков В.В., Мелехин В.Н. // Научные труды Международной молодежной научной конференции XXXVIII Гагаринские чтения. Москва, 10-14 апреля 2012 г., том 3. - С. 57-58.

16. Климаков В.В. Тепловая модель бесплатформенной инерциальной навигационной системы на лазерных гироскопах [Текст] / Климаков В.В., Мелехин В.Н. // Научные труды Международной молодежной научной конференции XXXIX Гагаринские чтения. Москва, 9-13 апреля 2013 г., том 3. - С. 79-80.

17. Климаков B.B. Исследование возможности гибкого терморегулирования прецизионных датчиков с помощью тепловых труб [Текст] / Климаков В.В. // Тезисы Научно-Инновационного Конкурса» «(У.М.Н.И.К.) -2011», Рязань, 13 апреля 2011 г. -С.71-74.

18. Улитенко А.И., Влияние межреберных зазоров на теплоотдачу радиатора [Текст] / Улитенко А.И., Климаков В.В., Демина Е.А. // Электроника. Межвуз. сб. науч. трудов. Рязань, - 2010. - С. 77-80.

19. Улитенко А.И., Теплопередающая панель [Текст] / Улитенко А.И., Климаков В.В., Меньшиков М.В. // Электроника. Межвуз. сб. науч. трудов. Рязань, - 2010. -С. 81-83.

20. Улитенко А.И., Твердотельная модель лазерного гироскопа в системе автоматизированного проектирования SolidWorks [Текст] / Улитенко А.И., Климаков В.В., Семенов В.В., Чиркин М.В. // Электроника. Межвуз. сб. науч. трудов. Рязань, -2011.-С. 81-83.

21. Молчанов A.B. Тепловая модель бесплатформенной инерциальной навигационной системы на лазерных гироскопах [Текст] / Молчанов A.B., Климаков В.В., Чиркин М.В. // Навигация и управление летательными аппаратами. Труды московского института электромеханики и автоматики (МИЭА), Москва. - 2013. - №7. - С.60-69.

Климаков Владимир Владимирович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ НА ЛАЗЕРНЫХ ГИРОСКОПАХ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 22.10.2014 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага ксероксная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.