СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2000 года по МПК B64G1/50 G05D23/20 

Изобретение относится к области космической техники и предназначено для обеспечения температурно-влажностного режима газовых сред герметичных отсеков, а также температурного режима приборно-агрегатного оборудования и элементов конструкции космического аппарата (КА) и орбитальной станции (ОС).

Известна система терморегулирования OС (см. авторское свидетельство СССР N 1706307, кл. G 05 D 23/20, 1991 г.), содержащая замкнутые контуры охлаждения и обогрева, связанные через промежуточный жидкостно-жидкостный теплообменник, системы управления и измерения, клапанно-распределительную и дренажно-заправочную арматуру. Контур обогрева содержит побудитель циркуляции, газо-жидкостные теплообменники (ГЖТ) и термоплаты, а контур охлаждения содержит побудитель циркуляции, регулятор расхода жидкости и радиационный теплообменник.

Известна также система терморегулирования (СТР) орбитальной станции, выбранная в качестве прототипа (см. журнал "Наука и жизнь", 1981 г., статья "Станция "Салют-6": дом, лаборатория, машина", Ю. Семенов, Л. Горшков).

Система содержит замкнутые контуры охлаждения и обогрева, связанные через, по крайней мере, один промежуточный жидкостно-жидкостный теплообменник (ЖЖТ), системы управления и измерения, клапанно-распределительную и дренажно-заправочную арматуру, при этом контур обогрева содержит побудитель циркуляции, ГЖТ и змеевиковые теплообменники и термоплаты, а в контуре охлаждения последовательно установлены, по крайней мере, один побудитель циркуляции, регулятор расхода жидкости (РРЖ), один выход которого подключен через первый обратный клапан ко входу смесителя потоков теплоносителя, а другой - через второй обратный клапан ко входу радиационного теплообменника, выход которого подключен ко второму входу смесителя потоков, выход смесителя потоков связан соединительным трубопроводом с теплоприемной полостью промежуточного ЖЖТ, выход из которой подключен к побудителю циркуляции, а на соединительном трубопроводе установлены датчики температуры, электрически связанные через систему управления с РРЖ.

Аналог и прототип имеют следующие общие недостатки:
- обладают недостаточной надежностью для обеспечения бесперебойной работы системы при длительном сроке эксплуатации, например, при требуемом сроке эксплуатации для международной космической станции (МКС) "Альфа" - 15 лет. Это связано с тем, что входящие в состав СТР РРЖ с шаговым двигателем имеют ограниченное количество перекладок; заранее производить их дублирование в системе терморегулирования нецелесообразно, так как для этого требуется вводить в состав системы существенное количество дополнительной арматуры, что приведет к увеличению массо-габаритных характеристик системы и усложнению ее управления. И в то же время такие РРЖ позволяют наиболее точно регулировать расход жидкости и они используются сейчас на ОС "Мир" и на модуле "Заря", который является составной частью международной космической станции "Альфа;
- не обеспечивают поддержание температуры в заданном допусковом диапазоне в период замены потерявших работоспособность РРЖ или побудителей циркуляции на запасные, что может привести к нарушению работы приборов и аппаратов, не допускающих отклонения температуры от требуемой больше определенной величины и к невозможности обеспечения комфортных условий для экипажа, станции.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы системы терморегулирования с обеспечением бесперебойной ее работы в течение всего заданного срока эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в том, что в систему терморегулирования КА и ОС, содержащую замкнутые контуры охлаждения и обогрева, связанные через, по крайней мере, один промежуточный ЖЖТ, системы управления и измерения, клапанно- распределительную и дренажно-заправочную арматуру, при этом контур обогрева (КОБ) содержит побудитель циркуляции, ГЖТ и змеевиковые теплообменники и термоплаты, а в контуре охлаждения (КОХ) последовательно установлены, по крайней мере, один побудитель циркуляции, РРЖ, один выход которого подключен через первый обратный клапан ко входу смесителя потоков теплоносителя, а другой - через второй обратный клапан ко входу радиационного теплообменника, выход которого подключен ко второму входу смесителя потоков, выход смесителя потоков связан соединительным трубопроводом с теплоприемной полостью промежуточного ЖЖТ, выход из которой подключен к побудителю циркуляции, на соединительном трубопроводе установлены датчики температуры, электрически связанные через систему управления с РРЖ, в контур охлаждения дополнительно введены два злектронасосных агрегата (ЭНА), вход первого ЭНА через фильтр подключен к выходу теплоносителя из теплоприемной полости промежуточного ЖЖТ, а его выход подключен ко второму обратному клапану и параллельно через фильтр подключен ко входу второго ЭНА, выход которого подключен к первому обратному клапану, каждый ЭНА снабжен датчиком перепада давления, а на трубопроводе, соединяющем выход смесителя потоков с теплоприемной полостью ЖЖТ, установлен дополнительный датчик температуры, электрически связанный через систему управления с первым ЭНА.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная система терморегулирования обеспечивает повышение надежности и бесперебойность работы в течение всего заданного срока эксплуатации.

Это достигается благодаря введению в состав контура охлаждения СТР двух ЭНА и вышеизложенному их подключению, а также благодаря установке дополнительного датчика температуры на трубопроводе, соединяющем выход смесителя потоков с теплоприемной полостью ЖЖТ и его электрической связи через систему управления с первым ЭНА. Введенные в состав системы терморегулирования электронасосные агрегаты выполнены на взвешенных подшипниках, что исключает трение вала о твердые поверхности и благодаря этому позволяет достигнуть ресурса работы этих ЭНА до величины не менее 100000 часов. Такой ресурс ЭНА превышает заданный пятнадцатилетний срок эксплуатации системы и более чем на порядок превышает ресурс работы РРЖ с шаговым двигателем. При отказе РРЖ или побудителей циркуляции (электронасосных агрегатов, выполненных на подшипниках качения), ресурс которых существенно ниже заданного срока эксплуатации системы, поддержание температуры в требуемом допусковом диапазоне производится с помощью двух, введенных в состав КОХ СТР электронасосных агрегатов, производительность одного из них регулируется, а другого постоянна. Производительность регулируемого ЭНА изменяется по команде от дополнительно установленного датчика температуры от минимальной до максимальной, а второй (нерегулируемый) ЭНА работает все время только при постоянном минимальном расходе. Производительность ЭНА изменяется в зависимости от величины подаваемого на электродвигатель ЭНА напряжения. Минимальная производительность связана с устойчивостью работы ЭНА, т.к. ниже определенной величины работа ЭНА неустойчива. Эта производительность и, следовательно, соответствующее ей минимальное подаваемое на ЭНА напряжение определяются при экспериментальной отработке. При подаче минимального напряжения на оба ЭНА производительность их будет одинакова и весь теплоноситель, выходящий из первого ЭНА, будет забираться вторым ЭНА и направляться в байпасную линию, минуя радиационный теплообменник. При необходимости охлаждения теплоносителя, которая определяется по вновь введенному датчику температуры, система управления увеличит величину напряжения, подаваемого на первый ЭНА, и производительность его будет превышать производительность нерегулируемого ЭНА. В результате разность расходов между регулируемым и нерегулируемым ЭНА будет направляться в радиационный теплообменник, где теплоноситель будет охлаждаться. Так будет осуществляться поддержание температуры теплоносителя в заданном допусковом диапазоне. И хотя при работе РРЖ поддержание температуры теплоносителя обеспечивается с большей точностью, например (Т_настр.+ 1)^oС, а при работе ЭНА- (Т_настр.+ 2,5)^oC, что связано с невозможностью перепуска всего расхода теплоносителя через радиационный теплообменник, но на период вынужденной работы, пока не будут заменены отказавшие вышеупомянутые агрегаты (РРЖ или побудители циркуляции), терморегулирование с помощью вновь введенных в систему ЭНА не приведет к отказу приборов и агрегатов и к ухудшению комфортных условий, и при этом будет обеспечена бесперебойная работа СТР.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема терморегулирования.

Система включает замкнутые контуры охлаждения и обогрева, связанные через два промежуточных параллельно установленных ЖЖТ 1. Благодаря раздвоению потока на два теплообменника уменьшается гидравлическое сопротивление в контурах и, следовательно, уменьшаются требуемые напорные характеристики и энергопотребление побудителей циркуляции в КОХ и КОБ. В контуре обогрева установлен побудитель циркуляции с расположенным перед ним фильтром тонкой очистки 3. Побудитель циркуляции 2 снабжен датчиком перепада давления 4. В контуре обогрева также установлены: ГЖТ 5, датчик расхода 6, змеевиковые теплообменники 7, термоплаты 8 и компенсатор 9 с дренажными клапанами 10. КОХ содержит два параллельно установленных электронасосных агрегата 11, снабженных датчиком перепада давления 12, которые через обратный клапан 13 подключены ко входу РРЖ 14, который выполнен с шаговым двигателем. Один выход РРЖ 14 подключен через первый обратный клапан 15, датчик расхода 16 и регулирующий вентиль 17 ко входу смесителя потоков теплоносителя 18, а другой выход РРЖ 14 через второй обратный клапан 19, датчик расхода 20 подключен ко входу радиационного теплообменника 21, выход которого подключен ко второму входу смесителя потоков 18. Выход смесителя потоков 18 связан соединительным трубопроводом 22 со входами теплоприемных полостей теплообменников 1, выходы из которых через фильтр тонкой очистки 23 подключены ко входам побудителей циркуляции 11. В контуре охлаждения также установлены два электронасосных агрегата 24, 25, которые выполнены на взвешенных подшипниках и каждый из них снабжен датчиком перепада давления, соответственно 26, 27. Вход ЭНА 24 через фильтр тонкой очистки 28 подключен к выходу теплоносителя из теплоприемной полости промежуточного ЖЖТ 1, а его выход подключен ко второму обратному клапану 19 и параллельно через фильтр тонкой очистки 29 ко входу ЭНА 25, выход которого подключен к первому обратному клапану 15. На соединительном трубопроводе 22 установлены датчики температуры 30, 31, 32. Датчик температуры 30 через систему управления 33 электрически связан с ЭНА 24, а датчик температуры 32 через систему управления 33 электрически связан с РРЖ 14. Датчик температуры 31 находится в резерве и может быть использован при отказе датчиков 30 или 32. Контур охлаждения снабжен компенсатором 34 с дренажными клапанами по жидкости и газу 35.

Работает система следующим образом.

Циркуляция теплоносителя "ТЕМП" (пожаробезопасный, нетоксичный, рабочий диапазон температур от минус 10 до плюс 40^oC) в контуре обогрева обеспечивается с помощью побудителя циркуляции 2. Для его защиты от возможных механических примесей на входе теплоносителя в побудитель циркуляции 2 установлен фильтр тонкой очистки 3, а для контроля за его работой установлен датчик перепада давления 4. За счет теплообмена с циркулирующим теплоносителем в змеевиковых теплообменниках 7, термоплатах 8 и ГЖТ 5 обеспечивается термостатирование корпусов отсеков станции, приборов и агрегатов, установленных на термоплатах, и поддержание температуры газовой среды в заданном допусковом диапазоне в герметичных отсеках ОС. Контроль расхода циркулирующего теплоносителя осуществляется с помощью датчика расхода 6. Для компенсации температурных изменений объема теплоносителя и заправки контура в нем установлено компенсационное устройство 9 с дренажными клапанами 10 по жидкости и газу. Тепло, полученное теплоносителем контура обогрева, передается в промежуточных ЖЖТ 1 теплоносителю контура охлаждения и при необходимости излучается с поверхности радиационного теплообменника 21 в космическое пространство. В качестве теплоносителя КОХ используется кремнийорганическая жидкость ПМС- 1,5р с рабочим диапазоном температур от минус 70 до плюс 50^oC. Циркуляция теплоносителя ПМС-1,5р в контуре охлаждения обеспечивается одним из двух побудителей циркуляции 11, установленных параллельно, контроль за работой побудителей циркуляции осуществляется с помощью датчика перепада давления 12. Гидравлические полости неработающего побудителя циркуляции перекрываются обратным клапаном 13. Для предохранения побудителей циркуляции 11 от возможных механических примесей на входе в них теплоносителя установлен фильтр тонкой очистки 23. По ходу движения теплоносителя после побудителя циркуляции 1 установлен РРЖ 14 с шаговым двигателем, обеспечивающий регулировку расхода теплоносителя через радиационный теплообменник 21 или полное гидравлическое отключение его и перепуск теплоносителя по байпасной линии, минуя радиационный теплообменник 21, при этом байпасная линия снабжена датчиком расхода 16 и регулирующим вентилем 17, позволяющим настраивать сопротивление байпасной линии на величину, эквивалентную величине сопротивления радиационного теплообменника 21.

В случае отказа РРЖ 14 или двух побудителей циркуляции 11 регулирование температуры теплоносителя в КОХ осуществляется с помощью электронасосных агрегатов 24, 25. ЭНА 24 работает в регулируемом режиме с переменной производительностью, определяемой величиной подаваемого на электродвигатель (ЭД) ЭНА напряжения постоянного тока.

Величина подаваемого напряжения изменяется в зависимости от температуры теплоносителя, измеряемой датчиком температуры 30, и находится в диапазоне от минимального, при котором обеспечивается устойчивая работа ЭНА, например 10В до максимального 27В. При температуре теплоносителя меньше температуры настройки Т_тепл. < Т_настр. величина напряжения, подаваемая на ЭД ЭНА 24, равна величине напряжения, подаваемой на ЭД ЭНА 25, и соответствует минимальной величине. Производительности ЭНА 24 и ЭНА 25 в этом случае равны и теплоноситель с минимальным расходом циркулирует по байпасной линии, проходя на своем пути обратный клапан 15, датчик расхода 16, регулирующий вентиль 17, далее теплоноситель попадает в смеситель 18, откуда через фильтр 28 на вход ЭНА 24 и затем через фильтр 29 на вход ЭНА 25. При Т_тепл. > Т_настр. величина подаваемого на ЭД ЭНА 24 напряжения увеличивается пропорционально отклонению температуры от температуры настройки (Т_настр.) Производительность ЭНА 24 увеличивается и, следовательно, увеличивается расход теплоносителя через радиационный теплообменник 21. При напряжении 27В производительность ЭНА 24 достигает максимальной величины и расход теплоносителя, циркулирующего через радиационный теплообменник 21, будет максимален. После понижения температуры теплоносителя до величины, меньшей температуры настройки, подаваемое напряжение на ЭД ЭНА 24 снижается до минимальной величины и весь теплоноситель с минимальным расходом циркулирует по байпасной линии.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: повысить надежность работы системы терморегулирования и обеспечить ее бесперебойность в течение всего заданного срока эксплуатации.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения требуемого температурно-влажностного режима в герметичных отсеках космических аппаратов и станций. Предлагаемая система содержит контуры охлаждения и обогрева, связанные через жидкостно-жидкостные теплообменники. Тепло из контура обогрева через указанные теплообменники передается контуру охлаждения. При необходимости оно может излучаться с поверхности радиационного теплообменника. Последний снабжен регулятором расхода теплоносителя с шаговым двигателем. В контуре охлаждения имеются два электронасосных агрегата (с ресурсом до 100000 часов). При отказе регулятора, до его замены управление расходом производится этими агрегатами. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы системы в течение всего срока ее эксплуатации. 1 ил.

Система терморегулирования космического аппарата и орбитальной станции, содержащая замкнутые контуры охлаждения и обогрева, связанные через, по крайней мере, один промежуточный жидкостно-жидкостный теплообменник, системы управления и измерения, клапанно-распределительную и дренажно-заправочную арматуру, при этом контур обогрева содержит побудитель циркуляции, газожидкостные и змеевиковые теплообменники и термоплаты, а в контуре охлаждения последовательно установлены, по крайней мере, один побудитель циркуляции, регулятор расхода жидкости, один выход которого подключен через первый обратный клапан ко входу смесителя потоков теплоносителя, а другой через второй обратный клапан - ко входу радиационного теплообменника, выход которого подключен ко второму входу смесителя потоков, выход смесителя потоков связан соединительным трубопроводом с теплоприемной полостью промежуточного жидкостно-жидкостного теплообменника, выход из которой подключен к побудителю циркуляции, на соединительном трубопроводе установлены датчики температуры, электрически связанные через систему управления с регулятором расхода жидкости, отличающаяся тем, что в контур охлаждения дополнительно введены два электронасосных агрегата, причем вход первого электронасосного агрегата через фильтр подключен к выходу теплоносителя из теплоприемной полости промежуточного жидкостно-жидкостного теплообменника, а его выход подключен ко второму обратному клапану и параллельно, через фильтр ко входу второго электронасосного агрегата, выход которого подключен к первому обратному клапану, при этом каждый электронасосный агрегат снабжен датчиком перепада давления, а на трубопроводе, соединяющем выход смесителя потоков с теплоприемной полостью жидкостно-жидкостного теплообменника, установлен дополнительный датчик температуры, электрически связанный через систему управления с первым электронасосным агрегатом.