СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ СВЯЗНОГО СПУТНИКА Российский патент 2000 года по МПК B64G1/50 

Предложенное авторами техническое решение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СТР) связных спутников.

В настоящее время для обеспечения требуемого теплового режима приборов (например, ретранслятора), установленных на связных спутниках, применяются различные активные СТР, содержащие замкнутые контуры, в которых циркулирует теплоноситель (см. монографию: Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. М., "Машиностроение", 1982 г. - стр. 14-17).

В процессе разработки современной мощной СТР (с холодопроизводительностью более 3000 Вт) авторами установлено, что, если ее выполнять по известным техническим решениям, она будет иметь недостаточно высокую надежность при эксплуатации.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является активная СТР, содержащая жидкостный контур, включающий в себя регулятор расхода жидкости, изложенная на стр. 16 вышеуказанной монографии.

Современные отечественные связные спутники (например, типа "Молния") конструктивно состоят из двух модулей : из модуля служебных систем - МСС (в его состав входят служебные системы спутника, в том числе СТР) и модуля полезной нагрузки - МПН (в его состав входит целевая аппаратура - ретранслятор, включающий в себя элемент СТР - жидкостный тракт охлаждения). В настоящее время МСС и МПН изготавливаются, как правило, на различных предприятиях и поэтому на начальном этапе эксплуатации (наземных испытаний) СТР не содержит в своем составе жидкостного тракта охлаждения ретранслятора, а после стыковки МСС с МПН содержит его. С учетом этого СТР связного спутника, изготовленная по известному техническому решению (см. фиг. 3 и 4: на фиг 3 изображена СТР до подключения к ней жидкостного тракта охлаждения ретранслятора на начальном этапе эксплуатации (испытаний) СТР, а на фиг. 4 изображена СТР после подключения к ней жидкостного тракта охлаждения ретранслятора на последующем этапе эксплуатации (на заключительном этапе испытаний и в процессе орбитального функционирования спутника)), включает в себя жидкостный контур, который содержит:
- регулятор расхода жидкости 1, включающий в себя чувствительный элемент 1.1 (чувствительный элемент реагирует на изменение температуры теплоносителя - жидкости, направляемой на вход в жидкостный тракт охлаждения ретранслятора 14, и приводит в действие, например, привод 1.3, заполненный жидким рабочим телом 1.3.3, усилие которого изменяет положение штока с клапаном 1.2.2, тем самым регулируя расход теплоносителя через и мимо радиатора-холодильника 3 и, следовательно, поддерживая требуемую температуру жидкого теплоносителя на входе в ретранслятор (в качестве привода может использоваться также электромеханический привод и при этом принцип изменения положения штока с клапаном остается аналогичным)) и распределитель 1.2, содержащий упругий элемент (например, мембрану) 1.2.1 с клапаном 1.2.2, установленным на штоке 1.2.3, связанном с приводом 1.3, включающим в себя в качестве замыкающего узла сильфон 1.3.1 с пружиной 1.3.2;
- распределитель 1.2 имеет один вход (ВХОД) и два выхода (ВЫХОД1 и ВЫХОД2), причем ВХОД сообщен с входным гидроразъемом 2, ВЫХОД1 через радиатор-холодильник 3, теплообменники приборов 4 и чувствительный элемент 1.1 - с входами компенсатора объема 5 и электронасосного агрегата 6, сообщенного своим выходом с выходным гидроразъемом 7, а ВЫХОД2 распределителя соединен байпасом 8 с выходом радиатора-холодильника 3;
- датчики расхода 12 и температуры теплоносителя 13;
- подключаемый перед испытаниями спутника к выходному и входному гидроразъемам 7 и 2 СТР жидкостный тракт охлаждения ретранслятора 14 с гидроразъемами 14.1 и 14.2 на концах.

Как показал анализ, проведенный авторами в процессе разработки СТР нового связного спутника, к которой предъявляются высокие требования по холодопроизводительности (более 3000 Вт - существующие СТР имеют холодопроизводительность не более 1500 Вт), надежности (не менее 0,995 против 0,98 достигнутого уровня) и сроку орбитального функционирования (не менее 10 лет вместо 5 лет для эксплуатирующихся), показал следующее.

1. В связи с возрастанием холодопроизводительности в 2 раза площадь радиатора-холодильника также увеличилась в 2 раза. Это привело к соответствующему увеличению длины его жидкостного тракта, имеющего в настоящее время внутренний эквивалентный диаметр, равный 16 мм, и, следовательно, увеличились гидравлическое сопротивление и объем теплоносителя в нем. Поэтому для обеспечения:
- требуемого расхода теплоносителя необходимо разработать новый, более мощный электронасосный агрегат (в том числе новый электропривод);
- компенсации температурного изменения увеличенного объема теплоносителя в СТР - новый компенсатор объема с повышенной компенсирующей способностью;
- при возрастании расхода теплоносителя и гидравлического сопротивления линии с радиатором-холодильником не обеспечивается (см. лист 5) работоспособность регулятора расхода жидкости и его тоже необходимо разработать вновь,
которые, в частности, будут тяжелее, чем соответствующие эксплуатирующиеся устройства.

Однако, к настоящему времени в результате многолетнего опыта предприятия по производству спутников различного назначения разработаны, отработаны и функционируют в жидкостных контурах СТР различных связных спутников с тепловыделением до 1500 Вт в условиях орбитального функционирования в течение длительного срока с высокой надежностью (с вероятностью безотказной работы до 0,999) устройства исполнительной автоматики, в основном определяющие надежность и срок орбитального функционирования СТР в целом, в частности, регулятор расхода жидкости, электронасосный агрегат, компенсатор объема, разъемы гидравлические, имеющие минимально возможные (требуемые) характеристики) по массе, габаритам, гидравлическому сопротивлению и энергопотреблению; поэтому при разработке новой СТР, имея ввиду, что вновь разработанные устройства реально всегда менее надежны, чем ранее прошедшие квалификацию (в том числе ресурсные испытания в течение не менее 15 лет) и надежно эксплуатирующиеся, для вновь разрабатываемого связного спутника с целью гарантирования реальных высокой надежности и длительного срока орбитального функционирования, минимально возможной массы, а также с целью экономии времени и средств вышеуказанные устройства необходимо заимствовать с предыдущих разработок, а вновь разрабатывать и отрабатывать только теплообменники приборов, радиатор-холодильник, жидкостный тракт охлаждения ретранслятора, новая конфигурация которых обусловлена требуемой повышенной холодопроизводительностью СТР, и они не могут быть заимствованы.

2. В то же время при этом известное техническое решение обладает существенными недостатками, обусловленными следующим.

Как было отмечено выше, в связи с увеличением холодопроизводительности в 2 раза во столько же раз увеличились площадь радиатора и длина его жидкостного тракта и, следовательно, гидравлическое сопротивление линии от первого выхода распределителя до точки соединения выхода радиатора-холодильника с байпасом при температуре полного открытия первого выхода распределителя и требуемом расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования (P₁-P₂ - см. фиг.3) также увеличилось в 2 раза; это означает, что перепад давлений на мембране, равный (P₁ - P₂), развивает такое усилие, которое превышает результирующее усилие упругого элемента (мембраны) и привода (пружины с сильфоном), приложенное к штоку, и ВЫХОД2 при уменьшении температуры чувствительного элемента не будет открываться и, следовательно, расход теплоносителя через радиатор-холодильник не будет регулироваться, т.е. в этом случае не обеспечивается работоспособность СТР.

Кроме того, когда работает СТР до подключения к ней жидкостного тракта охлаждения ретранслятора, в жидкостном контуре реализуется, как показывают расчеты, повышенный расход теплоносителя: 220 см³/с вместо 100 см³/с из-за существенного снижения гидравлического сопротивления в СТР (гидравлическое сопротивление отсутствующего жидкостного тракта охлаждения ретранслятора составляет 40-50% от суммарного гидравлического сопротивления в СТР в условиях орбитального функционирования):
1) это в свою очередь приводит к возрастанию значения (P₁-P₂) в 4 раза, т.к. гидравлическое сопротивление прямо пропорционально расходу теплоносителя в степени "2" и при этом СТР тем более неработоспособна;
2) из-за повышенного расхода теплоносителя ток потребления электронасосного агрегата в этом случае оказывается выше допустимого, что может привести к преждевременному отказу его при эксплуатации, в том числе в условиях орбитального функционирования.

Таким образом, существенными недостатками известного технического решения при использовании его при разработке мощной СТР являются низкая надежность, недостаточный срок орбитального функционирования, увеличение массы, а также повышенные затраты средств и времени на ее изготовление.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что
1. Линия от первого выхода распределителя до точки соединения выхода радиатора-холодильника с байпасом выполнена удовлетворяющей условию

где ΔP₁ - гидравлическое сопротивление линии от первого выхода распределителя до точки соединения выхода радиатора-холодильника с байпасом при температуре полного открытия первого выхода распределителя и требуемом расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, Па;
k = 1,5 - коэффициент запаса;
F - результирующее усилие упругого элемента и привода, приложенное к штоку, H;
S - площадь упругого элемента, м²,
при этом до подключения жидкостного тракта охлаждения ретранслятора входной и выходной гидроразъемы жидкостного контура состыкованы между собой через кольцевую перегородку с равномерно расположенными отверстиями, имеющую в периферии буртик, установленный в стыке между ними, и выполненную в форме проходного сечения гидроразъемов в месте ее установки, причем количество отверстий и их диаметр выполнены удовлетворяющими соотношению

где d - диаметр отверстия, м;
A - 1,121 - постоянная величина;
ρ - плотность теплоносителя, кг/м³;
- требуемый расход теплоносителя в жидкостном тракте охлаждения ретранслятора, м³/с;
n - выбранное число отверстий;
ΔP₂ - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта охлаждения ретранслятора при средней рабочей температуре и требуемом расходе теплоносителя в нем, Па.

2. В жидкостном контуре установлены квалифицированные в предыдущих разработках регулятор расхода жидкости, гидроразъемы, электронасосный агрегат и компенсатор объема, что являются, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, 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.

На фиг. 1 и 2 изображена принципиальная схема предложенной авторами СТР связного спутника (на фиг. 1 изображена СТР до подключения к ней жидкостного тракта охлаждения ретранслятора на начальном этапе эксплуатации (испытаний) СТР, а на фиг. 2 изображена СТР после подключения к ней жидкостного тракта охлаждения ретранслятора на последующем этапе эксплуатации (на заключительном этапе испытаний и в процессе орбитального функционирования спутника), которая включает в себя жидкостный контур, который содержит:
- устройства исполнительной автоматики - регулятор расхода жидкости 1, входной и выходной гидроразъемы 2 и 7, компенсатор объема 5, электронасосный агрегат 6, заимствуемые с эксплуатирующихся СТР и обладающие высокой надежностью в течение требуемого длительного срока эксплуатации, не требующие дополнительной отработки, имеющие минимально возможные массы и энерогопотребление;
- регулятор расхода жидкости 1 включает в себя чувствительный элемент 1.1 (чувствительный элемент реагирует на изменение температуры теплоносителя - жидкости, направляемой на вход в жидкостный тракт охлаждения ретранслятора 14, и приводит в действие, например, привод 1.3 заполненный жидким рабочим телом 1.3.3, усилие которого изменяет положение штока с клапаном 1.2.2, тем самым регулируя расход теплоносителя через и мимо радиатора-холодильника 3 и, следовательно, поддерживая требуемую температуру жидкостного теплоносителя на входе в ретранслятор (в качестве привода может использоваться также электромеханический привод и при этом принцип изменения положения штока с клапаном остается аналогичным)) и распределитель 1.2, содержащий упругий элемент (например, мембрану) 1.2.1 с клапаном 1.2.2, установленным на штоке 1.2.3, связанном с приводом 1.3, включающим в себя в качестве замыкающего узла сильфон 1.3.1 с пружиной 1.3.2;
- распределитель 1.2 имеет один вход и два выхода, причем ВХОД сообщен с входным гидроразъемом 2, ВЫХОД1 через радиатор-холодильник 3, теплообменники приборов 4 и чувствительный элемент 1.1 - с входами компенсатора объема 5 и электронасосного агрегата 6, сообщенного своим выходом с выходным гидроразъемом 7, а ВЫХОД2 распределителя соединен байпасом 8 с выходом радиатора-холодильника 3;
- при этом, как установили авторы на основе анализа конструкции и принципа работы СТР, для гарантирования работоспособности регулятора расхода жидкости 1 - для обеспечения меньшего усилия от воздействия перепада давлений теплоносителя на мембране 1.2.1 (P₁-P₂), чем результирующее усилие упругого элемента (мембраны) 1.2.1 и привода 1.3 (пружины 1.3.2 с сильфоном 1.3.1), приложенное к штоку 1.2.3:
1. Линия от первого выхода распределителя 1 до точки соединения выхода радиатора-холодильника 3 с байпасом 8 выполнена удовлетворяющей условию

где ΔP₁ - гидравлическое сопротивление линии от первого выхода распределителя до точки соединения выхода радиатора-холодильника с байпасом при температуре полного открытия первого выхода распределителя и требуемом расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, Па;
k = 1,5 - коэффициент запаса;
F - результирующее усилие упругого элемента и привода, приложенное к штоку, H;
S - площадь упругого элемента, м²;
анализ, проведенный авторами, показал, что с точки зрения обеспечения оптимальной массы и энерогопотребления СТР для выполнения вышеуказанного условия при холодопроизводительности до 10000 Вт вышеуказанная линия должна быть выполнена по последовательно-параллельной схеме, причем проходные сечения параллельных участков имеют эквивалентный диаметр, равный 12 мм, а последовательных участков - 16 мм.

2. До подключения жидкостного тракта охлаждения ретранслятора 14 для снижения расхода теплоносителя до значения, соответствующего значению в условиях орбитального функционирования, с целью исключения недопустимо высоких перепада давлений теплоносителя на мембране 1.2.1 регулятора расхода жидкости 1 и тока потребления электронасосного агрегата 6 входной и выходной гидроразъемы 2 и 7 жидкостного контура состыкованы между собой через кольцевую перегородку 9 с равномерно расположенными отверстиями 9.1, имеющую в периферии буртик 9.2, установленный в стыке между ними, и выполненную в форме проходного сечения гидроразъемов в месте ее установки, причем количество отверстий и их диаметр выполнены удовлетворяющими соотношению

где d - диаметр отверстия, м;
A = 1,121 - постоянная величина;
ρ - плотность теплоносителя, кг/м³;
- требуемый расход теплоносителя в жидкостном тракте охлаждения ретранслятора, м³/с;
n - выбранное число отверстий;
ΔP₂ - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта охлаждения ретранслятора при средней рабочей температуре и требуемом расходе теплоносителя в нем, Па.

Анализ показал, что для удовлетворения вышеуказанного условия при существующих гидроразъемах перегородка должна быть выполнена толщиной 4 - 5 мм в месте расположения отверстий и толщиной буртика 0,5 - 1 мм, а диаметр отверстия должен быть не менее 2 мм, при этом количество отверстий должно находиться в диапазоне от 2 до 8;
- датчики расхода 12 и температуры теплоносителя 13;
- подключаемый перед испытаниями спутника к выходному и входному гидроразъемам 7 и 2 СТР жидкостный тракт охлаждения ретранслятора 14 с гидроразъемами 14.1 и 14.2 на концах.

Работа СТР происходит следующим образом.

Изготавливают СТР согласно фиг.1. Заправляют жидкостный тракт СТР жидким теплоносителем. После этого СТР испытывают на работоспособность: включают в работу электронасосный агрегат 6 и начинается циркуляция теплоносителя по замкнутому контуру; контролируют расход теплоносителя с помощью датчика 12 при различных положениях клапана 1.2.2 регулятора расхода жидкости 1 - ВЫХОД1 открыт полностью и ВЫХОД2 открыт полностью (для изменения положения клапана 1.2.2 температуру теплоносителя изменяют с помощью наземных средств термостатирования); т. к. в стыке между состыкованными гидроразъемами 2 и 7 имеется (установлена) перегородка 9 и тем самым имитируется гидравлическое сопротивление отсутствующего жидкостного тракта охлаждения ретранслятора, расход теплоносителя должен находиться в заданном диапазоне - выполнение этого условия показывает, что СТР, в частности регулятор расхода жидкости 1 и электронасосный агрегат 6, работоспособны и удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям.

После этого к жидкостному контуру СТР подключают жидкостный тракт охлаждения ретранслятора 14, предварительно заправленный жидким теплоносителем; расстыковывают (см.фиг. 1) гидроразъемы 2 и 7 и удаляют из одного из гидроразъемов перегородку 9; состыковывают (см.фиг.2) гидроразъем 2 с гидроразъемом 14.1, гидроразъем 7 с гидроразъемом 14.2; после этого СТР испытывают на работоспособность: включают в работу электронасосный агрегат 6 и начинается циркуляция теплоносителя по замкнутому контуру; контролируют расход теплоносителя с помощью датчика 12 при различных положениях клапана 1.2.2 регулятора расхода жидкости 1 - ВЫХОД1 открыт полностью и ВЫХОД2 открыт полностью (для изменения положения клапана температуру теплоносителя изменяют с помощью наземных средств термостатирования); при этом расход теплоносителя должен находиться в заданном диапазоне - выполнение этого условия показывает, что СТР, в частности регулятор расхода жидкости 1 и электронасосный агрегат 6, работоспособны и удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям; после этого включают в работу ретранслятор и проверяют работу спутника, в том числе СТР в целом, и после подтверждения работоспособности спутника его запускают на орбиту.

В условиях орбитального функционирования СТР работает непрерывно - включен в работу электронасосный агрегат 6 и циркулирующий в жидкостных трактах теплоноситель снимает избыточное тепло, например, в количестве 3000 Вт, выделяющееся при работе ретранслятора и других приборов, и переносит на радиатор-холодильник 3, с поверхности которого оно излучается в космическое пространство. Регулирование количества отводимого на радиатор-холодильник 3 тепла осуществляет регулятор расхода жидкости 1, изменяя расход теплоносителя через и мимо него.

Как показал численный анализ, проведенный авторами в процессе разработки СТР с повышенной холодопроизводительностью (не менее 3000 Вт), в результате выполнения указанной СТР согласно предложенному техническому решению в ее части обеспечиваются:
- повышение надежности (с 0,98 до 0,995);
- увеличение срока орбитального функционирования с 5 до 10-15 лет;
- уменьшение массы до 7 кг;
- снижение общих затрат средств и времени на изготовление на (3-7)%,
т.е. тем самым достигаются цели предложенного технического решения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на изготовление СТР вновь создаваемого связного спутника.

Изобретение относится к космической технике и, в частности, к системам терморегулирования связных спутников. Согласно изобретению система содержит теплообменники приборов, компенсатор, электронасосный агрегат и жидкостный контур с регулятором расхода и распределителем. Последний имеет один вход и два выхода. Второй выход распределителя соединен байпасом с выходом радиатора-холодильника системы. Параметры линии от первого выхода распределителя до точки соединения с байпасом удовлетворяют специальному условию. Через гидроразъемы к системе перед испытаниями спутника подключается жидкостный тракт охлаждения ретранслятора. До этого подключения гидроразъемы состыкованы друг с другом через кольцевую перегородку со специально выбираемым числом отверстий. Установленные в жидкостном контуре элементы предпочтительно квалифицированы в ходе прошлых разработок системы. Изобретение направлено на повышение надежности и ресурса системы при работе на орбите, а также на снижение ее массы и стоимости изготовления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система терморегулирования связного спутника, выполненная в виде жидкостного контура, содержащего регулятор расхода жидкости, включающий в себя чувствительный элемент и распределитель, содержащий упругий элемент с клапаном, установленным на штоке, связанном с приводом, причем распределитель имеет один вход и два выхода, так что вход сообщен с входным гидроразъемом, первый выход через радиатор-холодильник, теплообменники приборов и чувствительный элемент соединен с входами компенсатора объема и электронасосного агрегата, сообщенного своим выходом с выходным гидроразъемом, а второй выход распределителя соединен байпасом с выходом радиатора-холодильника, при этом система содержит жидкостный тракт охлаждения ретранслятора с гидроразъемами на концах, подключаемый перед испытаниями спутника к указанным выходному и входному гидроразъемам, отличающаяся тем, что линия от первого выхода распределителя до точки соединения выхода радиатора-холодильника с байпасом выполнена удовлетворяющей условию

где ΔP₁ - гидравлическое сопротивление линии от первого выхода распределителя до точки соединения выхода радиатора-холодильника с байпасом при температуре полного открытия первого выхода распределителя и требуемом расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, Па;
k = 1,5 - коэффициент запаса;
F - результирующее усилие упругого элемента и привода, приложенное к штоку, Н;
S - площадь упругого элемента, м²,
при этом входной и выходной гидроразъемы жидкостного контура выполнены с возможностью стыковки, до подключения жидкостного тракта охлаждения ретранслятора, между собой через кольцевую перегородку с равномерно расположенными отверстиями, имеющую по периферии буртик, установленный в стыке между этими гидроразъемами, и выполненную в форме проходного сечения гидроразъемов в месте ее установки, причем количество отверстий и их диаметр выполнены удовлетворяющими соотношению

где d - диаметр отверстия, м;
А = 1,121 - постоянная величина;
ρ - плотность теплоносителя, кг/м³;
- требуемый расход теплоносителя в жидкостном тракте охлаждения ретранслятора, м³/с;
n - выбранное число отверстий;
ΔP₂ - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта охлаждения ретранслятора при средней рабочей температуре и требуемом расходе теплоносителя в нем, Па. 2. Система терморегулирования связного спутника по п.1, отличающаяся тем, что в жидкостном контуре установлены квалифицированные в предыдущих разработках указанные регулятор расхода жидкости, гидроразъемы, электронасосный агрегат и компенсатор объема.