Самарские ученые разрабатывают холодильник для улучшения "зоркости" космических спутников

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева разрабатывают компактную криогенную установку для охлаждения инфракрасных датчиков космических аппаратов. Охлаждение датчиков позволяет избавиться от тепловых помех и тем самым увеличить "остроту зрения" спутников в инфракрасном диапазоне.

За основу конструкции установки взята известная схема газовой криогенной машины (ГКМ) Стирлинга, в которой рабочий газ периодически сжимается и расширяется, что приводит к последовательному нагреву и охлаждению газа в замкнутом пространстве. В результате в различных частях газовой машины возникает разница температур и более холодную часть можно задействовать в качестве охладителя. В классической машине Стирлинга на газ воздействует движущийся поршень, в самарской установке используется схема с компрессором и так называемой пульсационной трубой. В пульсационной трубе создается временная задержка в движении газа по отношению к давлению, благодаря чему и происходит перенос теплоты. Данное решение делает установку более надежной и эффективной по сравнению с ГКМ Стирлинга (1).

"В газовых криогенных машинах Стирлинга всегда есть два движущихся устройства - компрессор и расширитель. В нашем криогенном пульсационном холодильнике, или охладителе, используется только компрессор, то есть, снижается количество движущихся частей и, следовательно, увеличивается надежность устройства. Подобные газовые криогенные машины Стирлинга применяются прежде всего в космосе - для охлаждения инфракрасных датчиков космических аппаратов, чтобы снизить уровень тепловых аберраций и увеличить чувствительность датчиков. Основной сферой применения нашей установки также будет космос - она будет охлаждать датчики, устанавливаемые, например, на космических спутниках и МКС", - рассказал заместитель исполнительного директора Института двигателей и энергетических установок, научный руководитель лаборатории криогенной техники Самарского университета Дмитрий Угланов.

Действующий опытный образец установки уже изготовлен и испытан в лаборатории криогенной техники. В качестве рабочего газа в системе используется гелий под давлением от 2,5 до 3,5 МПа. В ходе испытаний ученым пока удалось получить охлаждение лишь до минус 45 градусов по Цельсию. Следующий этап работ - создание усовершенствованной версии установки: более компактной, более дешевой и позволяющей получать более низкие температуры.

"Усовершенствованную версию планируем закончить в следующем году. Она должна быть более компактной - например, общая длина установки уменьшится с нынешних 80 до 40-50 см. Мы также постараемся выйти на температуры охлаждения до минус 150 градусов по Цельсию. Кроме того, снизится общая стоимость оборудования за счет более широкого использования отечественных комплектующих - к примеру, мы хотим заменить зарубежный компрессор стоимостью порядка полторы тысячи долларов на отечественный аналог, требующий дополнительных доработок в лаборатории криогенной технике. Его стоимость составит около 6-7 тысяч рублей", - отметил Дмитрий Угланов.

Справочно

1. Для пояснения принципа работы ГКМ на базе пульсационной трубы существует теория о существовании в цилиндре порции газа постоянной массы объемом V_в (объем газового вытеснителя), которая постоянно находится в цилиндре, разделяя его на объемы теплой V_т и холодной полости V_х. В процессе работы машины газовый вытеснитель совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, т.е. выполняет функции обычного вытеснителя. Перемещение газового вытеснителя обеспечивается наличием ресивера, гидросопротивления и перепускной линии с гидросопротивлением.
2. Научная школа в области применения криогенных технологий в авиации сложилась в Самаре еще в 60-х годах прошлого века. В конструкторском бюро под руководством академика Николая Кузнецова был создан двигатель НК-88, работающий на жидком водороде. В основной состав инженеров, работавших над этим двигателем, вошли выпускники Куйбышевского авиационного института (сейчас Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П.Королева). Двигатель НК-88 был установлен на экспериментальном самолете Ту-155, впервые поднявшемся в воздух 15 апреля 1988 года. В настоящее время НК-88 является экспонатом Центра истории авиационных двигателей Самарского университета.
3. Исследования по повышению энергоэффективности криогенных систем и установок за счет использования низкопотенциальной энергии криопродукта ведутся в Самарском университете с начала 2000-х годов. Основу научного коллектива нового направления составилили сотрудниками кафедры теплотехники и тепловых двигателей и Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ). С 2020 года на базе НОЦ ГДИ активно развивается лаборатория криогенной техники. Основная цель лаборатории - расчет, проектирование и создание высокоэффективных энергетических установок и двигателей, работающих на криогенных топливах, в том числе СПГ. Научно-прикладные исследования лаборатории проводятся при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № FSSS-2020-0019), рассчитанной на 4 года.

Фото: Анар Мовсумов