СОЛНЕЧНЫЙ ЗОНД Российский патент 1997 года по МПК B64G1/10 B64G1/58 

Изобретение относится к космической технике, в частности к конструкциям космических аппаратов (КА), предназначенных для полета к Солнцу, способных обеспечить функционирование научной и служебной аппаратуры в сверхэкстремальных условиях Солнечной короны.

Известен КА "Солнечный зонд" (далее Солнечный зонд), содержащий теплозащитный экран, приборный контейнер со служебной и научной аппаратурой, средства связи с Землей (см. журнал "Наука в СССР" N 1, 1990 г. изд. "Наука", стр. 2-5, статья "К Солнцу" авт. А.А.Галеев, О.Л.Вайсберг, В.М.Ковтуненко, Н.А.Морозов).

Указанный Солнечный зонд предназначен для пролета в Солнечной короне на расстоянии от поверхности Солнца равным 5-ти его радиусам. Ориентация Солнечного зонда в пространстве обеспечивается его вращением относительно одной из его осей.

Этот Солнечный зонд имеет следующие недостатки:
усложняется вопрос создания надежного и длительно функционирующего радиоканала "Солнечный зонд Земля";
появляются проблемы по размещению и установке датчиков научной аппаратуры, требующей для их нормального функционирования длинных (2.5 м) выносных штанг;
ограничиваются возможности по проведению научных экспериментов из-за невозможности использовать аппаратуру, требующую постоянной ориентации в пространстве.

Известен также Солнечный зонд, содержащий основной теплозащитный экран в виде конуса, дополнительные теплозащитные экраны диафрагмы, размещенные внутри конусного экрана перпендикулярно его продольной оси, теплозащитную площадку, также расположенную перпендикулярно продольной оси в плоскости основания конуса, за которой смонтирована аппаратура служебных систем и научная аппаратура (см. Randolph J.E. STARPROBE Thermal Shield System Design Concepts. AIAA Paper, 1982, N 0041). Проект указанного Солнечного зонда предложен в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института в 1982 г. и является наиболее близким к предлагаемому. По этой причине указанный проект принят в качестве прототипа.

Конструкция этого Солнечного зонда лишена недостатков указанного выше аналога. В нем использована трехосная ориентация аппарата в пространстве с обеспечением постоянного ориентирования вершины конуса на Солнце. Это решение позволяет значительно расширить номенклатуру используемой научной аппаратуры и повысить эффективность ее использования. Однако конструктивное решение по размещению теплозащитных экранов не позволяет достаточно эффективно защитить аппаратуру зонда от мощного теплового потока Солнечного излучения на столь близких расстояниях (3.3,5 млн.км) от его поверхности. Это объясняется, в частности, тем, что в конструкции Солнечного зонда недостаточно полно реализован рациональный критерий выбора внешней формы: максимально возможное уменьшение площади поверхности, воспринимающей излучение от Солнца, при одновременном максимальном увеличении площади собственного излучения экрана.

Сущность изобретения состоит в том, что Солнечный зонд, включающий передний теплозащитный экран в виде конуса, внутренние теплозащитные экраны - диафрагмы, размещенные перпендикулярно продольной оси аппарата, торцевую теплозащитную стенку с кольцом, приборную панель, смонтированную за упомянутой торцевой теплозащитной стенкой, отличается тем, что дополнительно введен радиационный экран в виде усеченного обратного конуса, состоящего из отдельных секций, соединенных между собой и передним теплозащитным экраном посредством термоизолирующих элементов и снабженных тепловыми трубами, а теплозащитные экраны диафрагмы размещены внутри каждой секции обратного конуса в большем ее основании, при этом испарительный участок каждой тепловой трубы размещен на поверхности экрана диафрагмы, ее конденсационный участок размещен на радиационной поверхности соответствующей секции обратного конуса, а площадь радиационной поверхности каждой секции обратного конуса равна или больше площади экрана диафрагмы этой же секции, торцевая теплозащитная стенка связана термоизолирующим элементом с торцем последней секции обратного конуса, а приборная панель выполнена в виде закрепленного на кольце теплозащитной стенки вдоль центральной оси аппарата плоского теплового аккумулятора. В Солнечном зонде термоизолирующие элементы выполнены в виде колец. Солнечный зонд снабжен штангами с дополнительной аппаратурой, закрепленными с возможностью поворота на кольце теплозащитной стенки. В Солнечном зонде передний теплозащитный экран снабжен механизмом его трансформирования из транспортного в рабочее положение.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в следующем:
конструкция Солнечного зонда обеспечивает эффективную многокаскадную защиту установленной на нем научной и служебной аппаратуры от теплового потока Солнца, что позволяет увеличить срок нормального функционирования научной аппаратуры и сократить расстояние от аппарата до поверхности Солнца в перигелии облетной траектории до 3,0 млн. км и меньше;
конструкция штанг позволяет использовать датчиковую научную аппаратуру, требующую для ее нормального функционирования удаления на определенное (2.5 м) расстояние от корпуса аппарата и одновременно позволяет обеспечить требуемые температурные условия на площадках, предназначенных для монтажа датчиков;
трансформируемая конструкция теплозащитного экрана позволит снизить интегральный показатель массовых затрат топлива на управление пространственным положением аппарата в течении всего времени полета от Земли к Солнцу и за счет этого увеличить массу научной аппаратуры.

На фиг. 1 представлен общий вид Солнечного зонда; на фиг. 2 сечение Солнечного зонда вдоль продольной оси; на фиг. 3 варианты конструктивных решений переднего теплозащитного экрана; на фиг. 4 схема каскадной тепловой защиты Солнечного зонда.

Солнечный зонд включает передний теплозащитный экран 1, выполненный в виде конуса и радиационный экран 2, выполненный в виде усеченного конуса, обратного первому и соединенного с конусом 1 своим большим основанием. Материал теплозащитного конуса 1 выполнен многослойным, состоящим из основы 3 и терморегулирующих покрытий 4. Обратный конус состоит из трех конструктивно идентичных секций 5, 6 и 7. Каждая секция обратного конуса состоит из экрана-диафрагмы 8, размещенного перпендикулярно продольной оси аппарата, радиационной (боковой) поверхности 9 и Г-образных тепловых труб 10. При этом испарительный участок каждой тепловой трубы смонтирован на тыльной, по отношению к вершине конуса 1, поверхности экрана-диафрагмы 8, а ее конденсационный участок на внутренней стороне радиационной (боковой) поверхности 9 соответствующей секции. Площадь радиационной (боковой) поверхности каждой секции обратного конуса равна или больше площади экрана - диафрагмы этой же секции. Экран диафрагма 8 и радиационная (боковая) поверхность 9 выполнены многослойными и включают металлический лист 11, терморегулирующее покрытие 12 и слой экранно-вакуумной теплоизоляции 13, размещенный в каждой секции со стороны тепловых труб. Конус 1 и секции 5, 6 и 7 обратного конуса 2 соединены между собой через термоизолирующие элементы 14, 15 и 16, выполненные, например, в виде колец. Последние выполняют функцию силовых элементов конструкции.

На торце секции 7 смонтировано кольцо 17, на котором установлены теплозащитная стенка 18 и приборная панель. Кольцо 17 является силовым элементом конструкции Солнечного зонда. Взаимодействие торца секции 7 и кольца 17 осуществляется через термоизоляторы. Приборная панель выполнена в виде плоского теплового аккумулятора 18 и, при необходимости, закрыта внешним защитным кожухом. Конструктивно тепловой аккумулятор выполнен в виде металлической сотовой панели, внутренняя полость которого заполнена теплоаккумулирующим материалом. Сотовая панель теплового аккумулятора выполняет функцию силового конструкционного элемента и предназначена для монтажа аппаратуры и оборудования Солнечного зонда. Для установки приборов на сотовой панели выполнены специальные посадочные площадки. Плоскость сотовой панели теплового аккумулятора совпадает с центральной осью аппарата. Приборная панель может состоять из одной сотовой панели или нескольких, например, двух, расположенных взаимно перпендикулярно друг к другу. Сотовые панели теплового аккумулятора крепятся на силовом кольце 17 через термоизолирующие элементы.

На сотовой панели теплового аккумулятора смонтирована аппаратура бортовых систем Солнечного зонда и электронные блоки научной аппаратуры 19, параболическая антенна радиотехнической системы 20, датчиковая аппаратура 21, реактивные исполнительные органы 22 системы стабилизации и др. Блоки служебной и научной аппаратуры размещены в индивидуальных герметичных корпусах, внутри которых установлена регулирующая аппаратура (термодатчики, нагреватели, тепловые трубы).

Часть датчиков и блоков научной аппаратуры размещена на штангах 23 специальной конструкции. Штанги 23 смонтированы на кольце 17 с возможностью поворота в плоскости из транспортного в рабочее положение. Теплозащитные свойства штанг обусловлены конструкцией, которая аналогична конструкции теплозащитной системы Солнечного зонда. Каждая из штанг выполнена в виде балки треугольного сечения. Угол балки, обращенный в сторону Солнца, равен углу теплозащитного конуса 1. Места (площадки) для крепления датчиков и блоков аппаратуры находятся на последней плоскости защитного экрана. Окна для оптических частей датчиков выполнены в виде труб соответствующего сечения, закрываемых посредством специальных диафрагм.

Кроме того, силовое кольцо 17 предназначено для связи Солнечного зонда с Траекторным блоком. Последний предназначен для доставки Солнечного зонда от Земли в район исследования. Разделение Траекторного блока и Солнечного зонда производится после пролета орбиты Меркурия, после чего Солнечный зонд продолжает полет самостоятельно.

Конструкция конуса 1 может быть выполнена либо жесткой, либо трансформируемой (фиг. 3).

В первом случае основу конуса составляет материал, обладающий низкой теплопроводностью. Основа конуса 1 может быть выполнена, например, в виде сетки из композиционного материала. На внешней и внутренней поверхности основы конуса нанесены соответствующие терморегулирующие покрытия.

В случае трансформируемой конструкции конуса 1, последний выполнен в виде нескольких колец 24 с направляющими элементами 25, телескопически вложенных один в другой. Механизм трансформирования выполнен, например, в виде телескопической штанги 26, одна часть которой закреплена на вершинной секции обратного конуса. Раскрытие секций в рабочее положение осуществляется, например, за счет создания давления во внутренней полости телескопической штанги 26, например, от газогенератора 27. При действии внутреннего давления телескопическая штанга удлиняется и последовательно вытягивает кольца 24 до образования полного конуса. После этого осуществляется фиксация конструкции в рабочем положении.

В качестве механизмов трансформирования могут быть использованы и другие типы приводов, в частности, например, привода с использованием металла с эффектом памяти формы или надувные конструкции.

Нормальные условия для функционирования служебной и научной аппаратуры обеспечивает каскадная система обеспечения теплового режима Солнечного зонда (СОТР С3) (фиг.4).

СОТР С3 относится к классу пассивных СОТР, включающих в себя как пассивные, так и полуактивные элементы терморегулирования.

К пассивным элементам, входящим в состав СОТР С3 относятся:
экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ), в том числе высокотемпературная ЭВТИ, предназначенная для уменьшения нерегулируемого теплообмена блоков оборудования с окружающим пространством и неизолированными элементами С3;
терморегулирующие покрытия (ТРП), предназначенные для обеспечения заданных радиационных характеристик переднего конуса зонда, панелей радиационных теплообменников (панелей РТО), открытых поверхностей зонда и блоков оборудования с целью регулирования их теплообмена излучением с окружающим космическим пространством и друг с другом;
радиационные панели (панели РТО), предназначенные для сброса избыточного тепла, выделяемого, за счет лучистого теплообмена с окружающим космическим пространством (в выбранной конструктивной схеме в качестве панелей РТО используются боковые поверхности 9 обратного конуса);
термоизоляторы и термопроводники для организации пассивного регулирования теплообмена теплопроводностью между отдельными элементами Солнечного зонда.

К полуактивным элементам, входящим в состав СОТР С3 относятся:
тепловые трубы, предназначенные для транспортировки теплового потока с поверхности экранов на поверхность панелей РТО и выравнивания температур по конструкции Солнечного зонда;
тепловые аккумуляторы, предназначенные для стабилизации температур оборудования за счет аккумулирования тепловой энергии.

При конструктивном решении Солнечного зонда должны быть выполнены следующие требования:
наружная поверхность переднего конуса 1 должна быть обработана высокотемпературным ТРП с низким соотношением Аз/Е и минимальным значением Е;
внутренняя поверхность переднего конуса и поверхность обращенного к нему первого экрана диафрагмы секции обратного конуса должны быть обработаны с обеспечением степени черноты на более 0,35 при температурах до 2000^oK;
поверхности второго и третьего экранов диафрагм обрабатываются также как и первый экран диафрагма, что позволяет получать степень черноты соответственно 0,2 для 1200^oK и 0,12 для 500^oK;
внутренние поверхности секций 5, 6, 7 обратного конуса должны быть закрыты ЭВТИ;
поверхности аппаратуры служебных систем и блоков научной аппаратуры, а также свободные поверхности несущей сотовой панели с тепловым аккумулятором закрыты ЭВТИ;
на наружные поверхности радиационных панелей первой и второй секции обратного конуса должно быть нанесено ТРП, аналогичное ТРП переднего конуса;
контакт тепловых труб каждой секции с экраном диафрагмой и ее радиационной (боковой) поверхностью должен обеспечиваться с максимальным значением коэффициента теплопередачи (сварка, пайка, на винтах с обеспечением определенного усилия прижатия и с использованием теплопроводящих паст);
все элементы конструкции должны быть развязаны в тепловом отношении для исключения кондуктивного теплообмена между передним конусом и экранами - диафрагмами друг с другом. Для этого каждый элемент конструкции должен крепить через кольцевые термоизоляторы.

Солнечный зонд функционирует следующим образом. После пролета орбиты планеты Меркурий происходит разделение Солнечного зонда и Траекторного блока. Если конус 1 выполнен трансформируемым, то осуществляется операция по его переводу из транспортного в рабочее положение. Для этого приводится в действие механизм трансформирования конуса. После этого осуществляется раскрытие штанг 23. Система ориентации Солнечного зонда осуществляет его трехосную ориентацию в пространстве, удерживая продольную ось аппарата на Солнце, а ось антенны 20 в направлении на Землю.

При приближении к Солнцу тепловые потоки значительно возрастают. Обеспечение рабочих температур аппаратуры в этих условиях осуществляется за счет обеспечения многокаскадной тепловой защиты и захолаживания теплового аккумулятора, что позволяет иметь на борту аппарата определенный запас "холода".

Основную тепловую нагрузку воспринимает передний теплозащитный экран 1. Часть теплового потока отражается от его поверхности, а другая часть поглощается конусом 1. Интегральный тепловой поток устанавливает на конусе 1 соответствующую ему на данный момент времени равновесную поверхностную температуру. Расчетные данные, проведенные при определенных допущениях, для траектории с расстоянием в перигелии равным 3,0 млн.км, показывает, что максимальная поверхностная температура конуса 1 будет составлять 2000^oK. Конус 1 в свою очередь будет переизлучать тепловую энергию на экран - диафрагму 8 первой секции обратного конуса. На указанной диафрагме также устанавливается соответствующая вторичному тепловому потоку текущая равновесная температура. Посредством тепловых труб определенная часть тепловой энергии с экрана диафрагмы переносится на радиационную (боковую) поверхность секции обратного конуса, которая является радиационной панелью этой части конуса. С нее часть тепла сбрасывается в окружающее пространство. Для обеспечения эффективного сброса теплового потока необходимо, чтобы площадь радиационной (тепловой) поверхности каждой из секций обратного конуса была больше, или по крайней мере равна площади экрана диафрагмы соответствующей секции. Это позволит создать на радиационной поверхности температуру, почти равную температуре соответствующего экрана диафрагмы, что, в свою очередь, позволит осуществить эффективный сброс тепла с радиационной панели в окружающее пространство. Рассмотренную схему снижения плотности энергии теплового потока можно рассматривать как первый уровень в каскадной схеме тепловой защиты приборов, оборудования и конструктивных элементов. Экран - диафрагма 8 третьей секции 5 обратного конуса излучает тепловой поток, плотность которого уже сравнима с плотностью теплового потока, наблюдаемого на орбите Земли. Указанный тепловой поток воспринимает теплозащитная стенка 18 и частично ослабляет его. Тепловой поток за теплозащитной стенкой 18 непосредственно воздействует на корпуса блоков служебной и научной аппаратуры. Последние поглощают часть этого теплового потока и, кроме того, каждый блок выделяет внутреннее тепло, образующееся в процессе их собственной работы. Поддержание рабочих диапазонов температур внутри корпусов аппаратуры осуществляется за счет термостабилизирования посадочных площадок панели теплового аккумулятора. Функцию внутренних регуляторов выполняют термодатчики, нагревательные элементы и тепловые трубы. Избыточное тепло от приборов воспринимает тепловой аккумулятор, который, в свою очередь, сбрасывает его со свободных площадей в окружающее пространство.

Следует отметить, что предлагаемая конструкция СОТР С3 не допускает прямого попадания солнечного теплового потока на поверхности корпусов аппаратуры, элементы конструкции и на поверхности радиационного экрана 2. Реализация подобной СОТР С3 требует достаточно высокой точности ориентации продольной оси аппарата на геометрический центр Солнца. Угол конусности переднего теплозащитного экрана (конуса 1) должен быть меньше угла конусности обратного конуса 2, выполняющего функцию радиационного экрана. Значение величины угла конусности обратного конуса 2 определяется параметрами траектории, в частности, минимальным расстоянием аппарата до Солнца и характеристиками его системы управления. Максимальное отклонение продольной оси аппарата не должно допускать освещения радиационных панелей обратного конуса 2, т.е. они всегда должны быть в области тени, Конус 1 и все секции обратного конуса в тепловом отношении развязаны между собой посредством термоизоляторов, что исключает кондуктивное тепловое взаимодействие между отдельными частями конструкции. При "погружении" зонда в Солнечную корону на приборную панель и другие элементы конструкции начинает воздействовать турбулентно перемещающаяся плазма Солнечной короны. Причем оценку вклада этого воздействия на элементы конструкции на данном этапе знаний физики Солнечной короны сделать трудно. В этот период полетного времени "холод", запасенный в тепловом аккумуляторе, должен обеспечить поддержание рабочих температур аппаратуры в приборных корпусах и на элементах конструкции в требуемых диапазонах. Это, в свою очередь, позволит Солнечному зонду достичь точки перигелия пролетной орбиты и, возможно, завершить полный облет Солнца с "живой" (функционирующей) аппаратурой. Объем полученной в этом случае научной информации о физике Солнца и околосолнечного пространства значительно возрастает.

Расчетные результаты распределения температур на различных элементах конструкции Солнечного зонда приведены в таблице.

Расчеты приведены для траектории с минимальным расстоянием между Солнечным зондом и Солнцем, равным 3,0 млн. км.

Использование: в космической технике в конструкциях космических аппаратов, предназначенных для полета к Солнцу. Сущность изобретения: солнечный зонд включает передний теплозащитный экран, выполненный в виде конуса и дополнительный теплозащитный экран в виде усеченного конуса, соединенного с конусом своим большим основанием. Обратный конус состоит из трех конструктивно идентичных секций. Каждая секция обратного конуса состоит из экрана-диафрагмы, размещенной перпендикулярно продольной оси аппарата, боковой поверхности и Г-образных тепловых труб. При этом испарительный участок каждой тепловой трубы смонтирован на поверхности экрана - диафрагмы, а ее конденсационный участок - на боковой поверхности. Конус и секция обратного конуса соединены между собой через теплоизолирующие элементы. На торце последней секции смонтировано силовое кольцо, на котором установлена теплозащитная стенка и приборный контейнер в виде плоского теплового аккумулятора. Часть датчиков научной аппаратуры размещены на откидных штангах. 3 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 табл.

1. Солнечный зонд, включающий передний теплозащитный экран в виде конуса, внутренние теплозащитные экраны-диафрагмы, размещенные перпендикулярно продольной оси аппарата, торцевую теплозащитную стенку с кольцом, приборную панель, смонтированную за теплозащитной стенкой, отличающийся тем, что в него дополнительно введен радиационный экран в виде усеченного обратного конуса, состоящего из отдельных секций, соединенных между собой и передним теплозащитным экраном посредством термоизолирующих элементов и снабженных тепловыми трубами, а теплозащитные экраны-диафрагмы размещены внутри каждой секции обратного конуса в большем ее основании, при этом испарительный участок каждой тепловой трубы размещен на поверхности экрана-диафрагмы, ее конденсационный участок размещен на радиационной поверхности соответствующей секции обратного конуса, а площадь радиационной поверхности каждой секции обратного конуса равна или больше площади экрана-диафрагмы этой же секции, торцевая теплозащитная стенка с кольцом связана термоизолирующим элементом с торцом последней секции обратного конуса, а приборная панель выполнена в виде закрепленного на кольце теплозащитной стенки вдоль центральной оси аппарата плоского теплового аккумулятора. 2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что термоизолирующие элементы выполнены в виде колец. 3. Зонд по п.1, отличающийся тем, что он снабжен штангами с дополнительной аппаратурой, закрепленными с возможностью поворота на кольце теплозащитной стенки. 4. Зонд по п.1, отличающийся тем, что передний теплозащитный экран снабжен механизмом его трансформирования из транспортного в рабочее положение.