Система охлаждения

Согласно требованиям, система охлаждения обсерватории должна обеспечивать температурный режим 10-метрового космического телескопа (менее 10 К). Также она обеспечивает охлаждение бортовых приборов до ещё более низких температур. Это достигается путем сочетания пассивного (солнечные экраны) и активного охлаждения (криомашины).

Важные условия для достижения указанных требований:

  • Телескоп будет расположен в окрестности точки L2 (система Солнце-Земля). На этой орбите наилучшие условия для радиационного охлаждения
  • Максимизация эффективности радиационного охлаждения
  • Оптимизация компоновки, чтобы избежать контакта с теплыми элементами
  • Минимизация теплового потока от теплых частей к холодным
  • Охлаждение через несколько температурных этапов
  • Конструкция системы охлаждения основана на применении бортовых криомашин

Реализация системы охлаждения в большей или меньшей степени затрагивает почти все аспекты конструкции космической обсерватории, поэтому тепловое проектирование определяет облик всей обсерватории в целом.

Солнечные экраны

Обсерватория оснащена набором раскрываемых солнцезащитных экранов, чтобы блокировать свет и тепло, исходящее от Солнца, Земли и Луны. В окрестности точки Лагранжа Земля-Солнце L2 все три небесных тела находятся с одной стороны относительно космической обсерватории, что позволяет поддерживать постоянную тепловую среду для телескопа. Система экранов пассивно охлаждает телескоп до температур 30-50 К. Каждый солнцезащитный экран состоит из 2 слоев двухсторонних тонких полиамидных пленок с алюминиевым напылением, которые находятся в натянутом состоянии на конструкции из 12 разводных спиц. Ближайший к главному зеркалу криоэкран будет подключен к активной системе охлаждения уровня 20 К. Он будет иметь отличающуюся от солнцезащитных экранов конструкцию.

Конфигурация солнцезащитных экранов

Макет криоэкрана (активная система охлаждения)

Макет криоэкрана (активная система охлаждения)

Теплообмен и температурные уровни между солнцезащитными экранами и системой активного охлаждения

Теплообмен и температурные уровни

Ключевым моментом в тепловой конструкции обсерватории Миллиметрон является снижение тепловой нагрузки на этапах работы активной системы охлаждения. Теплопроводность через основную структуру - это доминирующий фактор тепловой нагрузки. Для снижения тепловой нагрузки были реализованы два решения: использование материалов с низкой теплопроводностью и уменьшение отношения площади поперечного сечения к длине в элементах фермовой конструкции. Найти решение было непросто, поскольку узел главной фермы должен иметь достаточную жесткость и прочность, чтобы выдержать модуль полезной нагрузки, масса которого превышает 3000 кг во время запуска. После запуска на несущую конструкцию зеркала ложатся нагрузки, связанных с работой обсерватории: перелет в точку L2, наведение и удержание обсерватории на орбите. Для уменьшения теплопроводности несущей конструкции, было предложено перекладывать связанные с телескопом и приборами нагрузки при запуске, через некоторый разъединяемый интерфейс между охлаждаемыми и теплыми частями несущей конструкции.

Структура системы охлаждения несущей конструкции и между холодным и теплым модулем

Для повышения эффективности систем активного охлаждения, необходимо снизить тепловую нагрузку на обсерваторию. Комбинация активного и пассивного охлаждения должна быть тщательно проработана с учетом соответствующего запаса охлаждающей способности на каждом уровне температуры, потому что активное механическое охлаждение очень дорого и сложно. Минимизация активного механического охлаждения снижает стоимость и риски миссии.

Предварительная схема теплообмена (рассчитанная)

Система охлаждения

Бюджет тепловых нагрузок для разных температурных уровней

Уровень Теплообмен, Вт Проводим. конструкции, Вт Проводим. Кабельной системы*, Вт Тепловыд. приборов, Вт ΣQ, Вт
1-2K - - - 0.01 0.01
4K 0.030 0.002 0.018 0.10 0.15
20K 0.489 0.211 0.200 0.50 1.40
100K 1.480 2.940 1.580 10.00 16.00

Параметры криомашин

Параметры криомашин1

Криомашина на пульсационных трубах PT15K
(Air Liquide)

TRL

TRL5/6 (запланир. в 2019)

Охлаждающая мощность

800 мВт при 20K

TRL5/6 (запланир. в 2019)

Энергопотребление

300 Вт

Масса

21 кг

Параметры криомашин1

K-class Криомашина Джоуля-Томпсона
(Sumitomo H.I.)

TRL

TRL8

Охлаждающая мощность

40 мВт при 4.5K (EOL)

Энергопотребление

90 Вт (EOL)

Масса

15 кг

Срок работы

 > 3 лет (5 лет, как цель)

Параметры криомашин1

1K-class Криомашина Джоуля-Томпсона
(Sumitomo H.I.)

TRL

TRL8

Охлаждающая мощность

10 мВт при 1.7K (EOL)

19 мВт при 1.77K (с предохл. PT15K)

(с предохл. PT15K)

Энергопотребление

75 Вт (EOL)

Масса

28 кг

Срок работы

 > 5 лет

Система активного охлаждения

Система активного охлаждения

Статус разработки

 Структура панелей (в качестве примера – панель центральной части главного зеркала)

Структура панелей (в качестве примера – панель центральной части главного зеркала)

 Полноразмерный макет криоэкрана

Полноразмерный макет криоэкрана

 Тепловая модель (масштаб 1:10)

Тепловая модель (масштаб 1:10)

 Термовакуумные испытания

Термовакуумные испытания