Булаева Вероника Сергеевна – аспирантка
Москва
Veronika S. Bulaeva
Moscow
Савченков Антон Михайлович – студент
Москва
Anton M. Savchenkov
Moscow
Савченкова Наталья Михайловна – канд. техн. наук, доцент
Москва
Natalia M. Savchenkova
Moscow
АКТУАЛЬНОСТЬ исследования обусловлена необходимостью повышения надёжности и эффективности пассивных систем терморегулирования для космических аппаратов, где отсутствие конвекции и микрогравитация делают традиционные методы охлаждения неприменимыми.
ЦЕЛЬ. Разработать параметрическую модель упорядоченной пористой структуры фитиля, провести расчёт гидравлических характеристик – пористости, проницаемости, гидравлического диаметра, капиллярного давления, скорости течения и числа Рейнольдса и определить ограничения по длине тепловой трубы при заданных геометрических параметрах.
МЕТОДЫ. Использованы методы геометрического моделирования единичной ячейки в CAD-среде и аналитические расчёты на основе уравнений Дарси, капиллярного давления и гидравлического диаметра. В качестве теплоносителя принята вода при температуре 50 °C.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Показано, что пористость структуры остаётся постоянной (≈0,63) при масштабировании, в то время как проницаемость и гидравлический диаметр возрастают с увеличением размера ячейки. Установлено, что характер течения ламинарный (Re ≈ 89). Построены зависимости капиллярного давления и максимальной длины трубы от гидравлического диаметра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Рабочие характеристики тепловых труб с упорядоченными фитилями в основном ограничены компромиссом между капиллярным давлением (благоприятно для мелких пор) и сопротивлением потоку (благоприятно для крупных пор). Разработанная аналитическая модель позволяет прогнозировать теплогидравлическое поведение на этапе проектирования. Эти результаты подтверждают целесообразность аддитивного производства для систем терморегулирования космических аппаратов следующего поколения, особенно для длительных миссий, где надежность и предсказуемость имеют первостепенное значение. Конкретные области применения включают кубсаты (5–50 Вт), системы МКС (70–100 кВт) и лунные/марсианские базы (5–50 кВт). В будущих исследованиях следует провести экспериментальную проверку прототипных конструкций.
The relevance of the study is determined by the need to improve the reliability and efficiency of passive thermal control systems for spacecraft, where the absence of convection and microgravity make traditional cooling methods inapplicable.
OBJECTIVE. To develop a parametric model of the ordered porous structure of the wick, calculate the hydraulic characteristics—porosity, permeability, hydraulic diameter, capillary pressure, flow velocity, and Reynolds number—and determine the limitations on the heat pipe length for given geometric parameters.
METHODS. The study utilized methods of geometric modeling of a single cell in a CAD environment and analytical calculations based on the Darcy equations, capillary pressure, and hydraulic diameter. Water at a temperature of 50 °C was adopted as the coolant.
RESULTS. The porosity of the structure was shown to remain constant (≈0.63) upon scaling, while permeability and hydraulic diameter increase with increasing cell size. The flow pattern is found to be laminar (Re ≈ 89). Capillary pressure and maximum pipe length are plotted as functions of hydraulic diameter.
CONCLUSION. The performance of heat pipes with ordered wicks is primarily limited by the tradeoff between capillary pressure (favorable for small pores) and flow resistance (favorable for large pores). The developed analytical model enables the prediction of thermal-hydraulic behavior at the design stage. These results support the feasibility of additive manufacturing for next-generation spacecraft thermal control systems, particularly for long-duration missions where reliability and predictability are paramount. Specific application areas include CubeSats (5–50 W), ISS systems (70–100 kW), and lunar/Martian bases (5–50 kW). Future research should experimentally validate prototype designs.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.