Про участь України в космічній місії зонда «Хаябуса-2»

Модуль MASCOT успішно здійснив космічну місію й доставив на Землю ґрунт з астероїда Рюґу. Успіх був би неможливий без київських політехніків, які виготовили для апарата теплові труби.

Про це йдеться на сайті КПІ.

(Насправді MASCOT за ті 17 годин, які модуль провів на астероїді Рюґу, виконав дослідження складу ґрунту і властивостей астероїда і передав дані на орбітальний апарат. Ніякий ґрунт на Землю він не доставляв. Ґрунт збирав саме зонд Хаябуса-2», він і зкинув 5 грудня капсулу з двома зразками з ґрунтом на Землю та відправився в нову експедицію до астероїда 1 998 KY26 діаметром 30 метрів. — прим. Спейс-Інформ).

Космічна місія розпочалася ще 3 грудня 2014 року – із запуску японського міжпланетного зонда «Хаябуса-2» з космодрому Танеґасима. Вона мала на меті дослідити астероїд класу С, зокрема – доставити зразки ґрунту. За ціль було обрано астероїд Рюґу, діаметр якого – приблизно 0,92 км, орбіта в перигелії заходить до орбіти Землі, а в афелії торкається орбіти Марсу. Шлях зонда до об’єкта досліджень становив понад три мільярди кілометри. З жовтня модуль MASCOT, спускаючись з висоти 51 метра, зробив низку фото, успішно висадився на астероїд і взяв ґрунт для досліджень.

Модуль має розміри 30х30х20 см і масу 9,6 кг. Його розробили інженери Німецького центру аерокосмічної промисловості й Національного центру космічних досліджень Франції разом із фахівцями КПІ ім. Ігоря Сікорського.

Спершу німецькі вчені замовили проєктування й виготовлення теплових труб у двох інститутах Бельгії та Іспанії. Ті працювали рік, але зрештою так і не змогли впоратися із завданням. Допомогти європейським колегам створити високоефективні теплопередавальні пристрої для модуля взялися фахівці Київської політехніки. Для космічного апарата слід було розробити теплові труби певного розміру, конфігурації й маси, але зі змінним термічним опором. Проєкт реалізовували на базі теплоенергетичного факультету, де вже понад пів століття працює школа професора Семени. Під його керівництвом розпочали створення теплових труб метало-волокнистої пористої структури. Раніше пористий шар труб виготовляли з порошку. Ноу-хау науковців КПІ підняло пористість з 60 до 90 відсотків. А отже – й ефективність передання тепла.

Застосовуючи фундаментальні знання, група вчених під керівництвом доктора технічних наук професора Володимира Кравця розробила й виготовила теплові труби для космічного апарата.

Бажаних результатів київські політехніки досягли не одразу. Потрібно було відводити тепловий потік потужністю приблизно 30 Вт. Деякий час отримували тільки 5 Вт. Тоді вирішили застосувати капілярно-пористу структуру на основі відрізків тонкого мідного дроту. Шар таких відрізків спікається в інертній атмосфері – й утворюється пористий метало-волокнистий матеріал. Він на оправці вставляється в трубку і припікається до її поверхні. Капілярно-пориста структура під вакуумом заповнюється метанолом – і трубка запаюється. Потім до неї припаювали фланці й надавали необхідної форми, згинаючи у відповідній оправці. Відтак покривали захисним нікелевим покриттям. Далі визначали параметри, випробували на вібростенді. Експерименти тривали впродовж трьох місяців, а доведення до заданих параметрів – ще два. Загалом виготовили кілька десятків труб, доки не досягли заданих параметрів.

Нагадаємо, теплові труби – це високоефективні теплопередавальні пристрої. Їхня конструкція складається з металевої, зазвичай мідної, трубки, внутрішня поверхня якої – шар пористого матеріалу, а центральна частина – порожня. Пори матеріалу заповнені рідиною, вибір якої залежить насамперед від діапазону робочих температур пристрою. Принцип дії теплової труби такий: теплоносій кипить на нагрітому кінці труби, і пара центральною частиною рухається до холодного кінця, де конденсується, перетворюючись на рідину. Рідина завдяки капілярним силам іде порами наповнювача від холодного кінця до гарячого. Оскільки всередині пристрою застосовують процеси кипіння й конденсації, тепловий потік через теплову трубу в сотні разів вищий, ніж через мідний стрижень такого ж перетину й довжини.

Усе вдалося! Завдяки фахівцям КПІ місію виконано!

Інтерв’ю д.т.н., проф. ТЕФ Володимира Юрійовича Кравця  – керівника групи науковців ТЕФ, яка розробила і виготовила теплові труби для космічного апарата.

– Розкажіть спершу, що таке теплові труби.

– Теплові труби – це високоефективні теплопередавальні пристрої. Їхня конструкція складається з металевої (як правило, мідної) трубки, на внутрішній поверхні якої знаходиться шар пористого матеріалу, а центральна частина порожня. Пори матеріалу заповнені рідиною, вибір якої залежить насамперед від діапазону робочих температур пристрою. Принцип дії теплової труби наступний. Теплоносій кипить на нагрітому кінці труби, і пара центральною частиною труби рухається до холодного кінця, де конденсується – перетворюється на рідину. Рідина за рахунок капілярних сил рухається порами наповнювача від холодного кінця до гарячого. Оскільки всередині такого пристрою використовуються процеси кипіння і конденсації, то тепловий потік через теплову трубу в сотні разів вищий, ніж через мідний стрижень такого самого перетину і довжини.

Теплові труби широко застосовуються в системах охолодження електронної апаратури. Вони передають теплоту від елементів апаратури до зовнішніх радіаторів. Їх можна побачити в кожному ноутбуці. Використовуються вони і в системах охолодження апаратури космічних апаратів.

– Чому німецький інститут звернувся саме до вас? Невже в Німеччині не вміють виготовляти теплові труби, якщо вони так широко застосовуються?

– Звичайно, вміють виготовляти. Але не всякі. Річ у тім, що для космічного апарата необхідно було розробити теплову трубу не лише певних розмірів, конфігурації і маси, але й зі змінним термічним опором. У той проміжок часу, доки міжпланетна станція мала летіти до астероїда (три з половиною роки), теплові труби не повинні були передавати тепло. В районі орбіти Землі будь-який предмет у міжпланетному просторі охолоджується до температури 150-200 градусів нижче нуля. За цих умов апаратура космічної станції може вийти з ладу. Тому протягом трьох з половиною років система терморегулювання станції  підтримує температуру апаратури на рівні 0 оС. Звісно, у цей час відводити тепло не потрібно. Коли ж при виконанні досліджень астероїда починає працювати електронна апаратура, вона нагрівається, і щоб не перегрівалася вище 40 оС, теплові труби мають відводити потік тепла на випромінювач.

Спершу німецький інститут замовив проектування і виготовлення теплових труб у двох інститутах, що розташовані у Бельгії та Іспанії. Вони працювали рік, але не змогли виготовити труби із заданими параметрами. Склалася гостра ситуація. На початку літа 2014 р. колишній працівник нашого факультету (і випускник КПІ), доктор технічних наук Володимир Михайлович Батуркін, звернувся до мене з пропозицією щодо виготовлення таких труб.

– Як вам вдалося зробити те, чого не вдалося зробити іншим?

– Слід сказати, що бажаних результатів ми досягли не зразу. Необхідно було відводити  тепловий потік потужністю приблизно 30 Вт. Деякий час отримували десь 5 Вт. Тоді вирішили застосувати капілярно-пористу структуру на основі відрізків тонкого мідного дроту. Шар таких відрізків спікається в інертній атмосфері. При цьому утворюється пористий метало-волокнистий матеріал. Він на оправці вставляється в трубку і припікається до її поверхні. Капілярно-пориста структура під вакуумом заповнюється метанолом, і трубка запаюється. Згодом до неї припаювали фланці і надавали заданої необхідної форми, згинаючи у відповідній оправці. Потім покривали захисним нікелевим покриттям. Далі визначали їхні параметри, випробували на вібростенді. Експерименти тривали три літніх місяці, а доведення до заданих параметрів – ще два. Всього виготовили кілька десятків труб, поки добилися заданих параметрів. У жовтні передали труби замовникам у Бремен. Вони їх випробували і поставили на апарат. А у грудні відбувся старт станції з японського космодрому.

– Як давно на теплоенергетичному факультеті займаються тепловими трубами?

– На нашому факультеті існує школа теплових труб, яку заснував у 80-х рр. минулого століття д.т.н., проф. Михайло Григорович Семена. Близько 20 його аспірантів захистили кандидатські дисертації. Саме під його керівництвом уперше в СРСР розпочали розробку теплових труб з метало-волокнистою пористою структурою. Раніше пористий шар теплових труб виготовляли з порошка. І донині більшість теплових труб має саме таку конструкцію. При цьому пористість шару не перевищує 60%. А метало-волокнистий пористий матеріал може мати пористість 90 і навіть 98%. Завдяки цьому рідина по цьому матеріалу рухається набагато швидше, і такі труби ефективніше передають тепло.

– Над чим зараз працюєте?

– Група теплових труб займається як фундаментальними, так і прикладними дослідженнями. З першого напряму досліджуємо процеси у випарно-конденсаційних системах. Нещодавно вийшла моя монографія на цю тему.

Проводимо спільні роботи як з вітчизняними, так і закордонними організаціями з дослідження процесів у замкнених випарно-конденсаційних системах, а також розробляємо для них ефективні системи охолодження на основі теплових труб для електронної техніки.

Розробили теплові труби для охолодження герметичних комп’ютерів – тих, що працюють разом з відеокамерами спостереження. Отримали декілька патентів на винаходи і на корисні моделі.

Розробляємо також термосифони. Це теж теплові труби, але без капілярно-пористої структури. Їх можна застосовувати, наприклад, у системах охолодження відпрацьованого ядерного палива.

Взагалі, цей напрям техніки досить перспективний, і існуючі здобутки школи теплових труб дають підстави стверджувати, що ми можемо виконувати найскладніші завдання на найвищому рівні.

Спілкувався В. Миколаєнко

Підписуйтесь на нас в Telegram: тут найцікавіші аерокосмічні новини!