В адрес КПИ им. Игоря Сикорского поступило письмо от директора Института космических систем Немецкого центра авиации и космонавтики (DLR) Андреаса Риттвегера следующего содержания:
"Ректору КПИ им. Игоря Сикорского проф. Згуровскому М.З.
Дорогой проф. Згуровский,
Этим письмом мы хотели бы сообщить Вам, что астероидный посадочный модуль - MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout - мобильный астероидный поверхностный разведчик) успешно сел 3 октября 2018 года на астероид Рюгу возле Земли и после 17 часов пребывания на поверхности астероида завершил свою научную программу.
В разработке системы терморегулирования этого модуля принимали участие ученые теплоэнергетического факультета КПИ им. Игоря Сикорского. Эффективные устройства теплопередачи с уникальными свойствами были спроектированы, изготовлены и испытаны ими в заданных условиях, что позволило успешно работать при посадке MASCOT на поверхность астероида после 3,5 года полета в космическом пространстве.
Этим письмом хотим поблагодарить ученых теплоэнергетического факультета КПИ им. Игоря Сикорского (научный руководитель В. Кравец) за успешное воплощение в жизнь этого проекта. Мы ценим их усилия по своевременной реализации образцов тепловых труб, которые способствовали успешной доставке астероидного посадочного аппарата MASCOT, который был запущен 3 декабря 2014 года.
Мы довольны научными результатами нашего сотрудничества с учеными КПИ: четыре совместные научные работы, опубликованные в международных изданиях, два совместных доклада на всемирно признанных конференциях - замечательный вклад в международное научное сообщество.
Мы надеемся, что нынешние и будущие контакты будут способствовать интеграции Украины в Европейское космическое сообщество и поддержат человеческие отношения.
Справка:
Модуль MASCOT работал в составе космической миссии, которая началась 3 декабря 2014 года запуском японского зонда "Хаябуса-2" (Hayabusa-2) с космодрома Танегасима. Ее целью было исследование астероида класса "С", в том числе доставка образцов его грунта. Как цель был выбран астероид Rюгу, диаметр которого оценивается примерно в 0,92 км, орбита в перигелии заходит к орбите Земли, а в афелии касается орбиты Марса. Путь зонда к объекту исследований составил более 3 миллиардов километров. 3 октября модуль MASCOT, который был разработан инженерами Немецкого центра аэрокосмической промышленности и Французского национального центра космических исследований с участием специалистов КПИ, успешно высадился на астероид. Модуль имеет размеры 30 х 30 х 20 см и массу 9,6 кг. Во время спуска с высоты 51 метр MASCOT сделал ряд фотоснимков. За время своей работы на космическом объекте модуль успешно выполнил программу исследований с помощью спектрометра, магнитометра, радиометра и камеры и передал их на орбитальный аппарат. Завершение миссии и возвращение зонда "Хаябуса-2" на Землю запланировано на декабрь 2020 года.
Наш корреспондент взял интервью у д.т.н., проф. ТЭФ Владимира Юрьевича Кравца - руководителя группы ученых ТЭФ, которая разработала и изготовила тепловые трубы для космического аппарата.
- Расскажите сначала, что такое тепловые трубы.
- Тепловые трубы - это высокоэффективные теплопередающие устройства. Их конструкция состоит из металлической (как правило, медной) трубки, на внутренней поверхности которой находится слой пористого материала, а центральная часть пуста. Поры материала заполнены жидкостью, выбор которой зависит прежде всего от диапазона рабочих температур устройства. Принцип действия тепловой трубы следующий. Теплоноситель кипит на нагретом конце трубы, и пара центральной частью трубы движется к холодному концу, где конденсируется - превращается в жидкость. Жидкость за счет капиллярных сил движется порами наполнителя от холодного конца к горячему. Поскольку внутри такого устройства используются процессы кипения и конденсации, то тепловой поток через тепловую трубу в сотни раз выше, чем через медный стержень такого же сечения и длины.
Тепловые трубы широко применяются в системах охлаждения электронной аппаратуры. Они передают теплоту от элементов аппаратуры к внешним радиаторов. Их можно увидеть в каждом ноутбуке. Используются они и в системах охлаждения аппаратуры космических аппаратов.
- Почему немецкий институт обратился именно к вам? Неужели в Германии не умеют изготавливать тепловые трубы, если они так широко применяются?
- Конечно, умеют изготавливать. Но не всякие. Дело в том, что для космического аппарата необходимо разработать тепловую трубу не только определенных размеров, конфигурации и массы, но и с переменным термическим сопротивлением. В тот промежуток времени, пока межпланетная станция должна была лететь к астероиду (три с половиной года), тепловые трубы не должны были передавать тепло. В районе орбиты Земли любой предмет в межпланетном пространстве охлаждается до температуры 150-200 градусов ниже нуля. В этих условиях аппаратура космической станции может выйти из строя. Поэтому в течение трех с половиной лет система терморегулирования станции поддерживает температуру аппаратуры на уровне 0 ° С. Конечно, в это время отводить тепло не требуется. Когда же при выполнении исследований астероида начинает работать электронная аппаратура, она нагревается, и чтобы не перегревалась выше 40 ° С, тепловые трубы должны отводить поток тепла на излучатель.
Сначала немецкий институт заказал проектирование и изготовление тепловых труб в двух институтах, расположенных в Бельгии и Испании. Они работали год, но не смогли изготовить трубы с заданными параметрами. Сложилась острая ситуация. В начале лета 2014 года бывший работник нашего факультета (и выпускник КПИ), доктор технических наук Владимир Михайлович Батуркин, обратился ко мне с предложением по изготовлению таких труб.
- Как вам удалось сделать то, чего не удалось сделать другим?
- Следует сказать, что желаемых результатов мы достигли не сразу. Необходимо было отводить тепловой поток мощностью примерно 30 Вт. Некоторое время получали около 5 Вт. Тогда решили применить капиллярно-пористую структуру на основе отрезков тонкой медной проволоки. Слой таких отрезков спекается в инертной атмосфере. При этом образуется пористый металло-волокнистый материал. Он на оправке вставляется в трубку и припекается к ее поверхности. Капиллярно-пористая структура под вакуумом заполняется метанолом, и трубка запаивается. Впоследствии к ней припаивали фланцы и получали заданную необходимую форму, сгибая в соответствующей оправке. Затем покрывали защитным никелевым покрытием. Далее определяли их параметры, испытали на вибростенде. Эксперименты продолжались три летних месяца, а доведение до заданных параметров - еще два. Всего изготовили несколько десятков труб, пока добились заданных параметров. В октябре передали трубы заказчикам в Бремен. Они их испытали и поставили на аппарат. А в декабре состоялся старт станции с японского космодрома.
- Как давно на теплоэнергетическом факультете занимаются тепловыми трубами?
- На нашем факультете существует школа тепловых труб, которую основал в 80-х гг. прошлого века д.т.н., проф. Михаил Григорьевич Семена. Около 20 его аспирантов защитили кандидатские диссертации. Именно под его руководством впервые в СССР начали разработку тепловых труб с металло-волокнистой пористой структурой. Ранее пористый слой тепловых труб изготавливали из порошка. И по сей день большинство тепловых труб имеет именно такую конструкцию. При этом пористость слоя не превышает 60%. А металло-волокнистый пористый материал может иметь пористость 90 и даже 98%. Благодаря этому жидкость по этому материалу движется гораздо быстрее, и такие трубы эффективнее передают тепло.
- Над чем сейчас работаете?
- Группа тепловых труб занимается как фундаментальными, так и прикладными исследованиями. По первому направлению исследуем процессы в выпарно-конденсационных системах. Недавно вышла моя монография на эту тему.
Проводим совместные работы как с отечественными, так и зарубежными организациями по исследованию процессов в замкнутых испарительно-конденсационных системах, а также разрабатываем для них эффективные системы охлаждения на основе тепловых труб для электронной техники.
Разработали тепловые трубы для охлаждения герметичных компьютеров - работающих вместе с видеокамерами наблюдения. Получили несколько патентов на изобретения и на полезные модели.
Разрабатываем также термосифоны. Это тоже тепловые трубы, но без капиллярно-пористой структуры. Их можно применять, например, в системах охлаждения отработанного ядерного топлива.
Вообще, это направление техники достаточно перспективное, и существующие достижения школы тепловых труб дают основания утверждать, что мы можем выполнять самые сложные задачи на самом высоком уровне.