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

5 Вт при 100K

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

TRL5

Охлаждающая мощность

10 мВт при 1.7K (EOL)

19 мВт при 1.77K (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