СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА Российский патент 2000 года по МПК B64G7/00 B64G1/50 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системе обеспечения теплового режима (СОТР) связных спутниковый, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

В настоящее время демонстрация работоспособности и подтверждение требуемых технических характеристик приборов, в частности целевой аппаратуры - ретранслятора, связных спутников (например, типа "Молния") в процессе изготовления и подготовки к пуску проводятся в процессе наземных электрических испытаний их. Так как в окружающем воздухе излучательный радиатор бортовой системы терморегулирования (СТР) спутника малоэффективен, для поддержания требуемой рабочей температуры избыточное тепло, выделяющееся при работе ретранслятора, отводится от него с помощью специальной наземной термостатирующей установки - системы обеспечения теплового режима (СОТР) (см. стр. 138 - 141 книги под редакцией академика Г.И.Петрова "Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды", "Машиностроение", М., 1971 г).

Анализ источников информации по патентной и научно-технической информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является СОТР, приведенная в вышеупомянутой монографии на стр. 140, рис.3.17. Выполненная согласно прототипу принципиальная схема известной СОТР имеет вид, изображенный на фиг. 2.

Известная СОТР (см. фиг.2) содержит жидкостный контур 1, заправленный жидким теплоносителем, включающий: холодильник 2, содержащий, например, жидкостно-жидкостный теплообменник 2.1 и холодильную машину 2.2 (предназначен для охлаждения теплоносителя, протекающего через него); нагреватель 3, установленный в параллельном холодильнику тракте, представляющий из себя змеевик, расположенный в емкости 3.1, омываемый, например, водой 3.2, которая обогревается электронагревателем 3.3 (предназначен для обеспечения температуры теплоносителя на входе в ретранслятор перед включением его в работу до требуемой, например до максимально допустимой; после включения в работу ретранслятора электронагреватель выключается); регулятор температуры, например клапан-регулятор 4, имеющий в случае установки его перед входами холодильника и нагревателя (характеристики и функция, выполняемая клапаном-регулятором как при установке перед входами холодильника и нагревателя, так и при установке его после выходов их, идентичны) один вход и два выхода "1" и "2", с датчиками температуры 5 и 6, установленными на выходе и входе контура, связанный с пультом управления 7 (предназначен для поддержания требуемой температуры теплоносителя на входе в ретранслятор при его работе путем изменения хладопроизводительности холодильника в результате изменения расхода теплоносителя через него при отклонении температуры от требуемой); узел соединения 8 выходного тракта холодильника с трактом, идущим от второго выхода регулятора; электронасосный агрегат 9 (предназначен для создания циркуляции теплоносителя в жидкостном контуре); компенсатор объема 10 (предназначен для компенсации температурного изменения объема теплоносителя и поддержания необходимого давления на входе в электронасосный агрегат); измеритель расхода теплоносителя 11, содержащий трубку Вентури 11.1 и датчик перепада давлений 11.2; регулируемый дроссель 12 (предназначен для изменения гидравлического сопротивления тракта с целью получения на входе в ретранслятор требуемого расхода теплоносителя); гибкие трубопроводы 13 и 14, присоединенные к выходу и входу контура, с разъемами гидравлическими 15 и 16 на концах, которые при испытаниях ретранслятора (спутника) 17 состыкованы с его разъемами гидравлическими 18 и 19.

Анализ, проведенный авторами, показал (см. на фиг.8 изменение температуры теплоносителя на входе в ретранслятор (t_вх) в промежутке времени (τ) от 3 до 5 минут), что известная СОТР способна поддерживать при испытаниях ретрансляторов, которые в рабочем режиме выделяют практически постоянное (см. промежуток времени от 3 до 5 минут на фиг. 3), хотя и разное для различных ретрансляторов, тепловыделение, на входе их температуру теплоносителя, равную минимально допустимой, номинальной и максимально допустимой, с погрешностью до + - 1,5^oC - с учетом погрешности измерения температуры датчиком, равной 0,5^oC; (ретранслятор должен быть работоспособен во всем допустимом диапазоне изменения температуры теплоносителя; поэтому его испытывают при вышеуказанных температурах теплоносителя, причем чем меньше погрешность, тем лучше, т.к. погрешность поддержания температуры означает и подачу теплоносителя на вход ретранслятора с температурой, выходящей за допустимый диапазон функционирования, в том числе и орбитального; и поэтому температуры теплоносителя на входе в ретранслятор при минимально и максимально допустимых температурах должны поддерживаться с погрешностью не хуже достигнутой (+ - 1,5^oC), т.е. погрешность поддержания температуры теплоносителя на входе в ретранслятор является одной из основных функциональных характеристик СОТР).

В процессе анализа теплового режима при наземных испытаниях связного спутника с ретранслятором, тепловыделение (Q) которого в рабочем режиме переменное и изменяется в переходные периоды времени (τ) с большим по абсолютной величине изменением (см. фиг. 3), авторами установлено, что известная СОТР (см. фиг.4, 6, 8, где для известной СОТР изображены: фиг.4 - изменение расхода теплоносителя через холодильник в зависимости от степени открытия (δ) регулятора температуры; фиг.6 - изменение температуры теплоносителя на выходе из ретранслятора (t_вых) в зависимости от времени (τ); фиг.8 - поддержание температуры теплоносителя на входе в ретранслятор (t_вх) в зависимости от времени (τ), в этом случае способна поддерживать температуру теплоносителя на входе в ретранслятор с погрешностью до 5^oC, что недопустимо, т. к. ретранслятор во время испытаний под периодическим воздействием недопустимо высокой температуры теплоносителя (на 5^oC выше допустимой) может выйти из строя.

Анализ, проведенный авторами, показал, что такая погрешность поддержания температуры теплоносителя на входе в ретранслятор (см. фиг.8) обусловлена тем, что температура теплоносителя на выходе из ретранслятора в переходные периоды времени изменяется с большой скоростью (см.фиг.6), а скорость повышения хладопроизводительности холодильника ввиду неадекватного увеличения расхода теплоносителя через него на начальном участке степени открытия регулятора (см. фиг. 4) из-за присущей жидкостным контурам СОТР гидравлической характеристики (зависимости расхода теплоносителя через холодильник от степени открытия выхода "1" регулятора, имеющей вид, изображенный на фиг. 4), не соответствует этому (были исследованы в том числе при различных сочетаниях положений регулируемых дросселей в случае установки их в линии с нагревателем), что и приводит к поддержанию температуры теплоносителя на входе в ретранслятор с погрешностью до 5^oC (см.фиг. 8), т.е. с погрешностью, большей допустимой (до + - 1,5^oC). Кроме того, как показал анализ, погрешность поддержания температуры также увеличивается: 1) за счет колебаний расхода теплоносителя, обеспечиваемого электронасосным агрегатом, при максимальном тепловыделении (например, 2000 Вт), когда в него поступает теплоноситель из ретранслятора с высокой температурой с возможными в нем паровыми пузырями и теплоноситель в полости насоса вскипает (абсолютное давление теплоносителя в полости ниже, чем на входе в насос) и приводит к кавитации (неустойчивому режиму работы) насоса; 2) из-за большой тепловой инерционности нагревателя, обусловленной тем, что после выключения электронагревателя в воде аккумулируется достаточно большое количество тепла и оно продолжает нагревать теплоноситель, когда в этом нет необходимости.

В результате анализа также установлено, что известная СОТР не обеспечивает подключения ее к жидкостному тракту ретранслятора, когда он установлен в термобарокамере - работоспособность ретранслятора для повышения надежности результатов испытаний, как показывает опыт, в процессе изготовления и испытаний должна быть подтверждена не только в условиях его испытаний в окружающем воздухе (начальный этап испытаний), но и при имитации условий орбитального функционирования в термобарокамере (заключительный этап испытаний); кроме того, при подготовке известной СОТР к обеспечению теплового режима ее сложно настраивать (проверить ее работоспособность и подбирать требуемый расход теплоносителя и теплопроизводительность нагревателя для обеспечения заданной температуры теплоносителя на входе в конкретный ретранслятор, например, даже с постоянным тепловыделением, до начала его испытаний; при этом из-за расположения нагревателя в параллельном холодильнику тракте не представляется возможным имитировать работу ретранслятора), т.к. для этого необходимо каждый раз состыковать разъемы гидравлические системы для образования замкнутого контура, а после настройки - разъемы гидравлические расстыковать, уменьшая тем самым ресурс разъемов гидравлических нештатными расстыковками-стыковками.

Таким образом, существенными недостатками известной СОТР являются низкие функциональные характеристики ее в части большой погрешности поддержания температуры теплоносителя на входе в ретранслятор (спутник) с переменным тепловыделением, изменяющимся резко с большим по абсолютной величине изменением, испытываемого как в условиях окружающего воздуха, так и в термобарокамере, и одновременно сложность настройки системы при подготовке ее к обеспечению теплового режима.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что СОТР выполнена таким образом, что ее нагреватель установлен непосредственно перед входом регулятора температуры теплоносителя и участок жидкостного тракта между его выходом и входом регулятора соединен с участком жидкостного тракта между первым выходом регулятора и входом холодильника байпасной линией, содержащей регулируемый дроссель, а вход и выход контура закольцованы через вентиль, причем входной и выходной гибкие трубопроводы на конечных участках пропущены через вновь введенную крышку; достижению поставленной цели также способствуют то, что 1) нагреватель выполнен в виде теплообменника, расположенного в паровой подушке парогенератора; 2) электронасосный агрегат установлен на участке жидкостного тракта после узла соединения выходного тракта холодильника с трактом, идущим от второго выхода регулятора, и турбинного датчика расхода теплоносителя; 3) компенсатор объема присоединен к узлу соединения выходного тракта холодильника с трактом, идущим от второго выхода регулятора, напротив последнему тракту, что и являются, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литераторы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено, и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом устройстве.

Принципиальная схема предлагаемой СОТР изображена на фиг.1.

Предлагаемая СОТР (см.фиг.1), конструктивно выполненная как единое целое, содержит жидкостный контур 1, заправленный жидким теплоносителем, включающий: холодильник 2, содержащий жидкостно-жидкостный теплообменник 2.1 и холодильную машину 2.2(предназначен для охлаждения теплоносителя, протекающего через него, с целью отвода тепла, выделяющегося при работе ретранслятора); нагреватель 3, установленный непосредственно перед входом регулятора температуры теплоносителя (клапана - регулятора) 4 и представляющий из себя змеевик, расположенный в паровой подушке емкости 3.1, заполненной частично спиртом этиловым 3.2, обогреваемым электронагревателем 3.3 (предназначен для обеспечения температуры теплоносителя на входе в ретранслятор перед включением его в работу до требуемой, например до максимально допустимой; предназначен также для настройки положения регулирующего органа дросселя 20.1, в процессе которой циклограмма изменения теплопроизводительности нагревателя 3 соответствует циклограмме изменения тепловыделений предстоящего испытать ретранслятора 17 - имитируется работа ретранслятора, и дроссель 20.1 устанавливается в такое положение, при котором погрешность поддержания температуры теплоносителя на выходе из контура соответствует допустимой для ретранслятора 17; после включения в работу ретранслятора 17 электронагреватель 3.3 выключается: после выключения его практически одновременно прекращается кипение спирта и, следовательно, прекращается конденсация паров его на внешней поверхности змеевика и обусловленный этим подвод тепла к теплоносителю, протекающему в змеевике, т.е. в результате расположения теплообменника в паровой подушке исключается внешнее воздействие на протекающий через него теплоноситель после выключения электронагревателя); регулятор температуры теплоносителя (клапан - регулятор) 4, имеющий один вход и два выхода "1" и "2", с датчиками температуры 5 и 6, установленными на выходе и входе контура, связанный с пультом управления 7 (предназначен для поддержания требуемой температуры теплоносителя на входе в ретранслятор 17 при его работе путем изменения хладопроизводительности холодильника 2 в результате изменения расхода теплоносителя через него при отклонении температуры от требуемой); байпасную линию 20, содержащую регулируемый дроссель 20.1, соединяющую участок жидкостного тракта между выходом нагревателя 3 и входом регулятора 4 с участком жидкостного тракта между первым выходом регулятора 4 и входом холодильника 2 (предназначен для изменения расходной характеристики регулятора 4 на начальном участке - см. фиг.5 -, чтобы хладопроизводительность холодильника 2 была адекватна тепловыделениям ретранслятора 17 в переходные периоды, когда они в этот период изменяются резко (ступенчато) с большим по абсолютной величине изменением, для чего обеспечивается пропуск дополнительной части теплоносителя мимо регулятора 4 в холодильник 2, определенной в процессе настройки системы перед включением в работу ретранслятора 17); вентиль 21.1, установленный в линии 21, закольцовывающей вход и выход контура (используется при настройке положений дросселей 20.1 и 12 перед подключением СОТР к ретранслятору - при настройке вентиль 21.1 открыт и обеспечивает расход теплоносителя по замкнутому контуру; при работе СОТР с ретранслятором вентиль закрыт и обеспечивается расход через ретранслятор); узел соединения 8 выходного тракта холодильника 2 с трактом, идущим от второго выхода регулятора 4; электронасосный агрегат 9 (предназначен для создания циркуляции теплоносителя в жидкостном контуре), установленный после узла соединения 8 и турбинного датчика расхода теплоносителя 11 (при этом обеспечивается поступление в насос хорошо перемешанного и охлажденного теплоносителя без паровых пузырей, что исключает неустойчивую работу насоса), причем его вход непосредственно соединен с выходом турбинного датчика расхода теплоносителя 11, установленного после узла соединения 8, а выход - с входом установленного на выходе контура регулируемого дросселя 12 (предназначен для изменения гидравлического сопротивления тракта с целью получения на входе в ретранслятор требуемого расхода теплоносителя); компенсатор объема 10 (предназначен для компенсации температурного изменения объема теплоносителя и поддержания необходимого давления на входе в электронасосный агрегат 9, а также для демпфирования (сглаживания) пульсаций давления в связи с возможным наличием паровых пузырей в нагретом теплоносителе, циркулирующем через второй выход регулятора 4, чтобы снизить колебание расхода теплоносителя и, следовательно, уменьшить погрешность поддержания температуры на входе в ретранслятор, для чего он присоединен к узлу соединения 8 выходного тракта холодильника 2 с трактом, идущим от второго выхода регулятора 4, напротив последнему тракту); выходной и входной гибкие трубопроводы 13 и 14, пропущенные на конечных участках через вновь введенную крышку 22, предназначенную для обеспечения герметичного входа в термобарокамеру, с разъемами гидравлическими 15 и 16 на концах, которые при испытаниях ретранслятора (спутника) 17 состыкованы с его разъемами гидравлическими 18 и 19.

Работа предложенной СОТР происходит следующим образом (см. фиг. 1, а также фиг. 3, где изображено изменение мощности (тепловыделения) (Q) предстоящего испытать ретранслятора в зависимости от времени (τ) и фиг. 5, 7, 9, где для предложенной СОТР изображены: фиг.5 - изменение расхода теплоносителя через холодильник в зависимости от степени открытия (δ) регулятора температуры; фиг. 7 - изменение температуры теплоносителя на выходе из ретранслятора (t_вых) в зависимости от временит (τ); фиг.9 - поддержание температуры теплоносителя на входе в ретранслятор (t_вх) в зависимости от временит (τ)).
Исходное положение: жидкостные тракты СОТР и ретранслятора заправлены теплоносителем.

До подключения СОТР к ретранслятору, т.е. до стыковки разъемов гидравлических СОТР 15 и 16 с разъемами гидравлическими 18 и 19 ретранслятора, производится настройка ее: открывают вентиль 21.1 и включают в работу холодильник, нагреватель, поддерживая с помощью электронагревателя 3.3 его теплопроизводительность, равную тепловыделениям предстоящего испытать ретранслятора, регулятор и электронасосный агрегат и, изменяя положение регулирующего органа дросселя 12, устанавливают требуемый для испытаний ретранслятора расход теплоносителя; после чего, изменяя положение регулирующего органа дросселя 20.1, устанавливают такой расход теплоносителя мимо регулятора температуры теплоносителя, чтобы при этом температура теплоносителя на выходе из жидкостного контура, равная минимально допустимой, номинальной и максимально допустимой, измеряемая датчиком температуры 5, поддерживалась с требуемой погрешностью +- 1,5^oC. После этого СОТР выключают, вентиль 21.1 закрывают и разъемы гидравлические СОТР 15 и 16 состыковывают с разъемами гидравлическими ретранслятора 18 и 19 (если ретранслятор установлен в термобарокамере, то предварительно крышка 22 присоединяется герметично к специальному отверстию люка термобарокамеры). Включают в работы СОТР, т.е. включают в работу холодильник, нагреватель (после включения в работы ретранслятора электронагреватель 5.3 выключают), регулятор с датчиками температуры и расхода теплоносителя, электронасосный агрегат и пульт управления. В память пульта управления вводят значение требуемой температуры теплоносителя, которую необходимо поддерживать на входе ретранслятора при его испытаниях, контролируют параметры СОТР и, если они соответствуют требуемым, включают в работы ретранслятор (см. фиг. 3). После этого температура теплоносителя на выходе из ретранслятора будет изменяться от минимальной до максимальной (и наоборот), причем (см. фиг. 7) в переходные периоды температура будет изменяться с большой скоростью. При этом пульт управления по показаниям датчика температуры теплоносителя на входе в ретранслятор: 1) если температура повысилась от требуемой до 1^oC, то включает в работу регулятор 4 на соответствующее открытие его, обеспечивая увеличение расхода теплоносителя через холодильник (с учетом расхода теплоносителя, протекающего через байпасную линию 20) - см.фиг.5, и, следовательно, обеспечивая требуемую его хладопроизводительность, и температура теплоносителя начнет уменьшаться в сторону требуемой температуры теплоносителя на входе в ретранслятор (см.фиг. 9); при достижении до требуемой температуры теплоносителя пульт управления выключает регулятор; 2) если температура понизилась от требуемой на 1^oC, то включает в работу регулятор 4 на соответствующее закрытие его, обеспечивая уменьшение расхода теплоносителя через холодильник (с учетом расхода теплоносителя, протекающего через байпасную линию 20) - см. фиг.5, и, следовательно, обеспечивая требуемую его хладопроизводительность, и температура теплоносителя начнет повышаться в сторону требуемой температуры теплоносителя на входе в ретранслятор (см. фиг.9); при достижении до требуемой температуры теплоносителя пульт управления выключает регулятор, т.е. тем самым поддерживая требуемую температуру теплоносителя на входе в ретранслятор с погрешностью не хуже +- 1,5^oC (с учетом погрешности датчика температуры 0,5^oC). При этом в объединенном жидкостном тракте СОТР + ретранслятор поддерживается стабильный расход теплоносителя, способствуя поддержанию температуры теплоносителя на входе в ретранслятор с требуемой погрешностью: ввиду расположения электронасосного агрегата после узла 8 и турбинного датчика расхода 11 в него попадает теплоноситель с низкой температурой и без возможных паровых пузырей, т.к. они в результате перемешивания холодного и теплого, где возможны пузыри, потоков теплоносителя в узле 8 и в турбинном датчике 11 сконденсируются, что однозначно исключает неустойчивую работу электронасосного агрегата; кроме того, поддержанию стабильного расхода теплоносителя способствует присоединение компенсатора объема напротив теплому потоку теплоносителя в узле 8: сильфон компенсатора объема 10 демпфирует (сглаживает) колебания давления в нагретом потоке теплоносителя с возможными паровыми пузырями, циркулирующем через второй выход регулятора,
Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения СОТР согласно предложенному авторами техническому решению улучшаются функциональные характеристики системы в результате уменьшения погрешности поддержания температуры теплоносителя на входе в ретранслятор с переменным тепловыделением, изменяющимся резко с большим по абсолютной величине изменением, испытываемого как в условиях окружающего воздуха, так и в термобарокамере, с одновременным упрощением настройки системы при подготовке ее к обеспечению теплового режима, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которой будет изготавливаться СОТР для обеспечения теплового режима ретрансляторов и связных спутников.

Изобретение относится к космической технике и, в частности, к системе обеспечения теплового режима связных спутников. Согласно изобретению данная система содержит жидкостный контур теплоносителя. Нагреватель установлен непосредственно перед входом регулятора температуры теплоносителя. Участок жидкостного тракта между его выходом и входом регулятора соединен байпасной линией с участком жидкостного тракта между первым выходом регулятора температуры и входом холодильника. При этом данная линия содержит регулируемый дроссель, а вход и выход жидкостного контура закольцованы через вентиль. Присоединенные к входу и выходу этого контура гибкие трубопроводы имеют на концах гидравлические разъемы. Входной и выходной трубопроводы на конечных участках пропущены через дополнительно введенную крышку. Изобретение позволяет упростить настройку системы и улучшить ее рабочие характеристики путем повышения точности поддержания температуры на входе в спутник. 3 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Система обеспечения теплового режима спутников при наземных испытаниях, содержащая жидкостный контур, заправленный теплоносителем, включающий холодильник, установленный перед ним регулятор температуры теплоносителя, имеющий один вход и два выхода, с датчиками температуры, установленными на входе и выходе контура, связанный с пультом управления, нагреватель, узел соединения выходного тракта холодильника с трактом, идущим от второго выхода регулятора, электронасосный агрегат, компенсационное устройство, измеритель расхода теплоносителя, регулируемый дроссель на выходе из контура, гибкие трубопроводы с разъемами гидравлическими на концах, присоединенные к входу и выходу контура, отличающаяся тем, что нагреватель установлен непосредственно перед входом регулятора, и участок жидкостного тракта между его выходом и входом регулятора соединен с участком жидкостного тракта между первым выходом регулятора и входом холодильника байпасной линией, содержащей регулируемый дроссель, а вход и выход контура закольцованы через вентиль, причем входной и выходной гибкие трубопроводы на конечных участках пропущены через вновь введенную крышку. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что нагреватель выполнен в виде теплообменника, расположенного в паровой подушке парогенератора. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что электронасосный агрегат установлен на участке жидкостного тракта после узла соединения выходного тракта холодильника с трактом, идущим от второго выхода регулятора, и турбинного датчика расхода теплоносителя. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что компенсатор объема присоединен к узлу соединения выходного тракта холодильника с трактом, идущим от второго выхода регулятора, напротив последнего тракта.