КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 2002 года по МПК B64G1/00 B64G1/50 F28D15/00 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА).

В космической технике среди прочих стоит задача по увеличению срока активного существования КА. Наиболее трудные технические проблемы на этом пути возникают при проектировании автоматических КА.

Как известно, космический аппарат представляет собой техническое устройство, состоящее, как правило, из целевой аппаратуры и обеспечивающих систем (Космические аппараты. Под общей редакцией К.П. Феоктистова, М., Воениздат, 1993). В качестве целевой аппаратуры могут быть использованы оптические, оптико-электронные, радиотехнические или иные системы, в зависимости от типа и назначения КА, непосредственно выполняющие поставленную задачу. В число обеспечивающих систем входят двигательная установка, система электропитания (СЭП), бортовой комплекс управления (БКУ), система терморегулирования (СТР) и другие системы.

К числу систем современных КА, существенно влияющих на его срок активного существования относятся, в первую очередь, непрерывно функционирующие, в частности СЭП и СТР.

У системы электропитания слабым звеном являются аккумуляторные батареи (АБ), а у СТР - подвижные электромеханические устройства (вентиляторы, насосы, регуляторы) и гидромагистрали.

Для продления срока службы (ресурса) АБ необходимо обеспечивать в процессе их работы требуемые температурные режимы, в сравнительно узком диапазоне. Для низкоорбиталъных КА оптимальный диапазон рабочих температур АБ, характеризующихся сравнительно высокими токами заряда и разряда, составляет, как правило, 10-25^oС (Система терморегулирования и рабочие характеристики аккумуляторных батарей для западно-европейских ИСЗ. Астронавтика и ракетодинамика, экспресс-информация, 6, с. 23-29, 1989). Кроме того, на ресурс АБ существенное влияние оказывает количество циклов "заряд - разряд".

Надежность работы СТР зависит от многих факторов, в том числе и от протяженности гидромагистралей, определяющих степень загрузки прокачивающих насосов. При этом крайне нежелательно производить расстыковку гидромагистралей в процессе проведения испытаний КА как на заводе, так и в эксплуатирующей организации.

Подобные операции могут привести к скрытым дефектам СТР: повреждение, изнашивание уплотнительных стыков, химическое изменение теплоносителя, загрязнение и коррозия гидромагистралей, - это повлечет отказы СТР, проявляющиеся в процессе штатной работы КА.

Известна система терморегулирования для искусственного спутника Земли (Патент США 4880050, Е 28 D 15/00, 1989, аналог), которая для эффективного отвода тепла от оборудования к внешним радиационным панелям снабжена термоплатами. В данном техническом устройстве наиболее важные приборы могут быть установлены на термоплаты, по каналам которых циркулирует жидкий теплоноситель. Такой способ охлаждения приборов позволяет существенно сузить диапазон изменения рабочих температур до оптимальных значений и обеспечить тепловой режим бортовой аппаратуры, расположенной как в герметичном, так и в негерметичном отсеках, что положительно сказывается на ресурсных характеристиках КА.

Недостатком аналога является то, что применение термоплат с циркулирующим теплоносителем приводит к увеличению массы КА, так как они имеют значительную площадь и толщину. Кроме того, использование термоплат с подключением их к гидромагистрали СТР ухудшает характеристики последней, так как увеличивается протяженность гидромагистрали с соответствующим увеличением гидравлического сопротивления, уменьшается надежность работы СТР, так как разгерметизация любой термоплаты однозначно выводит из строя СTP в целом.

Другим недостатком аналога является то, что при проведении наземных испытаний КА его СТР должна быть постоянно включена для охлаждения систем КА. Продолжительные наземные испытания КА в этом случае приводят к ограничению ресурса СТР, а значит и к уменьшению срока активного существования КА.

Известен космический аппарат (патент РФ 2144889 от 27.01.2000 г., прототип), содержащий отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненными в виде термоплат с гидравлическими каналами, включенными в контур указанной системы терморегулирования, систему электропитания, включающую в себя солнечную батарею, установленный в приборном отсеке комплекс автоматики и стабилизации напряжения, а также размещенные в агрегатном отсеке аккумуляторные батареи, по длине каждой аккумуляторной батареи закреплена образующая с ней моноблок термоплата, узлы крепления моноблока к конструкции агрегатного отсека выполнены в корпусе каждой аккумуляторной батареи, а в термоплате каждого моноблока выполнены дополнительные гидравлические каналы, соединенные между собой с помощью трубопроводов, при этом указанные каналы и трубопроводы образуют автономную разомкнутую магистраль.

Данное техническое решение позволяет частично устранить недостатки аналога. При наземных испытаниях можно термостатировать КА без включения СТР, тем самым сохраняя необходимый ресурс СТР для штатной работы. Кроме того, возможно сохранение ресурса аккумуляторных батарей при использовании в процессе испытаний технологических АБ.

Недостатком прототипа является прежде всего то, что при замене технологических АБ на штатные или вышедших из строя АБ на исправные обязательно нужно расстыковать гидромагистраль с последующим проведением продолжительных и дорогостоящих испытаний СТР на герметичность. Также сохраняются недостатки, свойственные для аналога и перечисленные выше: увеличение массы КА, снижение надежности работы СТР.

Задачей изобретения является повышение надежности работы СТР и уменьшение массы КА при прочих равных условиях.

Указанная задача решается тем, что в известном КА, содержащем отсек с целевой аппаратурой, приборный отсек, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе в виде термоплат, включенных в контур указанной системы терморегулирования, систему электропитания, включающую в себя солнечную батарею, установленную в приборном отсеке аппаратуру регулирования, а также размешенные в агрегатном отсеке аккумуляторные батареи, установленные на соответствующих теплообменных устройствах, объединенных с последними в моноблоки, каждый моноблок содержит набор тепловых труб, расположенных в одной плоскости, при этом одни концы тепловых труб жестко закреплены в корпусе моноблока, а другие концы прижаты механическим разъемным соединением к гидравлической термоплате, образованной частью гидравлического контура системы терморегулирования и расположенной на корпусе агрегатного отсека со стороны приборного отсека по отношению к аккумуляторной батарее, причем сторона днища аккумуляторной батареи, параллельная тепловым трубам, меньше длины последних.

На чертеже показано предлагаемое устройство КА.

Он состоит из отсека с целевой аппаратурой 1, приборного отсека 2, системы терморегулирования 3, агрегатного отсека 4 с размещенной в нем комплексной двигательной установкой 5, системы электропитания, содержащей аппаратуру регулирования 6. солнечную батарею 7 и аккумуляторные батареи 8. Аккумуляторные батареи 8 и соответствующие теплообменные устройства 9 образуют моноблоки, поскольку последние прикреплены к АБ стягивающими винтами (не показано). Моноблоки установлены на конструкции агрегатного отсека 4. Теплообменное устройство 9 выполнено из тепловых труб 10, которые расположены в одной плоскости параллельно на заданном расстоянии друг от друга. При этом тепловые трубы 10 имеют плоскую поверхность для установки на них АБ 8. Поверхность тепловых труб под АБ 8 образует термоплату-испаритель 11. При этом концы тепловых труб 10 со стороны термоплаты-испарителя 11 жестко закреплены в корпусе моноблока. Аналогично поверхность конденсаторов тепловых труб 10 образует термоплату-конденсатор 12, которая удалена от термоплаты-испарителя 11 и соединена с ней транспортными зонами тепловых труб 10. Сторона днища АБ 8, параллельная тепловым трубам 10, меньше длины последних.

Тепловые трубы 10 частично заполнены жидким аммиаком и герметизированы. При этом тепловые трубы 10 со стороны термоплаты-конденсатора 12 жестко по всей поверхности механическим разъемным соединением 13 прижаты к гидравлической термоплате 14 таким образом, что между ними образован надежный тепловой контакт. Гидравлическая термоплата 14 является частью гидравлической магистрали 15 системы терморегулирования 3 и расположена на корпусе агрегатного отсека 4 со стороны приборного отсека 2 по отношению к АБ 8. По гидравлической магистрали 15 циркулирует жидкий теплоноситель.

Наличие теплообменного устройства 9, разнесение на необходимое расстояние термоплаты-испарителя 11 и термоплаты-конденсатора 12, их способ подключения к гидромагистрали 15 системы терморегулирования 3 с соответствующей компоновкой приборов СТР позволяет полностью решить поставленную задачу.

Уменьшение массы КА достигается за счет использования относительно тонких и легких тепловых труб 10 в качестве теплопередающего элемента теплообменного устройства аккумуляторных батарей 8. Действительно, при повышении температуры АБ жидкий аммиак, находящийся в тепловых трубах 10, непрерывно испаряется с поглощением теплоты, транспортируется в газовой фазе за счет образовавшейся разности давлений в зону конденсации, контактируя с теплоносителем гидравлической термоплаты 14 отдает ему теплоту и, конденсируясь, в жидкой фазе по фитильной структуре за счет капиллярных сил возвращается в исходное положение. Причем в условиях невесомости ориентация труб 10 относительно центра Земли не оказывает влияния на их эффективность. Тепловые трубы также эффективно работают в процессе проведения испытаний КА на заводе и в эксплуатирующей организации, так как при этом КА устанавливается вертикально на агрегатный отсек. Так как гидравлическая термоплата 15 расположена между приборным отсеком 2 и аккумуляторными батареями 8 вдоль стенки агрегатного отсека 4, то тепловые трубы 10 практически располагаются вертикально, при этом жидкая фаза аммиака находится внизу, контактируя теплопроводностью с аккумуляторной батареей, а газообразная - вверху, контактируя теплопроводностью с гидравлической термоплатой 15. Таким образом, в наземных условиях теплообменное устройство аккумуляторной батареи работает также эффективно, так как его тепловые трубы функционируют как термосифоны.

Повышение надежности СТР, а значит и увеличение ее ресурса, достигается за счет уменьшения протяженности гидромагистрали СТР, так как термоплаты, на которых располагаются аккумуляторные батареи, не связаны гидравлически с контурами СТР, а также за счет отсутствия влияния на работоспособность СТР факта разгерметизации некоторого количества тепловых труб.

Увеличение ресурса аккумуляторных батарей может быть достигнуто за счет использования в процессе испытаний технологических АБ, поскольку монтаж и демонтаж АБ не требуют разборки и разгерметизации гидромагистралей СТР. Этот факт также способствует повышению надежности СТР и КА в целом.

Необходимо отметить, что длина тепловых труб должна быть больше стороны днища аккумуляторной батареи, параллельной тепловым трубам. В этом случае достигается максимальный отбор тепла от аккумуляторной батареи, так как в теплообмене участвует вся поверхность днища АБ 8.

Таким образом, применение предлагаемого космического аппарата позволит существенно повысить надежность СТP и КА в целом, а также снизить его массу.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании космических аппаратов. Устройство содержит отсеки с целевой аппаратурой, приборный с аппаратурой регулирования, агрегатный с аккумуляторными батареями, установленными на теплообменных устройствах с образованием моноблоков, систему терморегулирования с термоплатами, а также систему электропитания. Каждый моноблок содержит набор тепловых труб, расположенных в одной плоскости. Одни концы тепловых труб жестко закреплены в корпусе моноблока, а другие концы прижаты механическим разъемным соединением к гидравлической термоплате, образованной частью гидравлического контура системы терморегулирования и расположенной на корпусе агрегатного отсека. Длина стороны днища аккумуляторной батареи, параллельной тепловым трубам, меньше длины последних. Изобретение позволяет улучшить ресурсные характеристики и повысить надежность космического аппарата. 1 ил.

Космический аппарат, содержащий отсек с целевой аппаратурой, приборный отсек, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и агрегатами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе в виде термоплат, включенными в контур указанной системы терморегулирования, систему электропитания, включающую в себя солнечную батарею, установленную в приборном отсеке аппаратуру регулирования, а также размещенные в агрегатном отсеке аккумуляторные батареи, установленные на соответствующих теплообменных устройствах, объединенных с последними в моноблоки, отличающийся тем, что каждый моноблок содержит набор тепловых труб, расположенных в одной плоскости, при этом одни концы тепловых труб жестко закреплены в корпусе моноблока, а другие концы прижаты механическим разъемным соединением к гидравлической термоплате, образованной частью гидравлического контура системы терморегулирования и расположенной на корпусе агрегатного отсека со стороны приборного отсека по отношению к аккумуляторной батарее, причем длина стороны днища аккумуляторной батареи, параллельной тепловым трубам, меньше длины последних.