СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2004 года по МПК B64G1/50 B64G1/22 

Изобретение относится к космической технике, в частности, к системам терморегулирования (СТР) связных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

В настоящее время для обеспечения теплового режима приборов, установленных в составе геостационарных связных спутников (например типа " Экспресс-А"), широко используются СТР, содержащие жидкостные тракты с циркулирующим в них теплоносителем, описание которых приведено:
- в материалах патента по заявке N 99102571 от 8.02.1999 г. [1];
- на стр. 14-16, рис. 2.3 монографии: О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: "Машиностроение", 1982 г. [2];
- а также на стр. 6, рис. 1.1, рис. 1.12 книги: Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б. В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: "Машиностроение", 1985 г. [3].

Как показал анализ, проведенный авторами при разработке вновь создаваемого связного спутника с минимально возможной массой, общим недостатком известных СТР является то, что при движении теплоносителя по замкнутому контуру и при работе электронасосного агрегата (в результате вращения ротора электродвигателя и рабочего колеса насоса с теплоносителем) относительно координатных осей (центра масс) спутника создается относительно большой суммарный нескомпенсированный кинетический момент, оказывающий возмущающее воздействие на систему ориентации, для компенсации чего на спутнике необходимо предусмотреть определенное количество расходуемого рабочего тела (например, около 7 кг).

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является СТР, выполненная на базе патента по заявке N 99102571 от 8.02.1999 г.

В настоящее время современная СТР космического аппарата разработки нашего предприятия, выполненная на базе патента по заявке N 99102571 от 8.02.1999 г. , содержит (см., фиг. 7, где 1 - платформа (модуль служебных систем); 2 - полезная нагрузка) замкнутый жидкостный контур с циркулирующим в нем теплоносителем и включает в себя соединенные между собой трубопроводами 1.6, 2.5 устройства: компенсатор объема 1.1; электронасосный агрегат 1.2 с основным и резервным насосами 1.2.1, 1.2,2; панели радиатора 1.3, 1.5; произвольно расположенные на аппарате панели с приборами служебных систем 1.4 и с приборами полезной нагрузки 2.1-2.4; вышеуказанные панели имеют жидкостные тракты с последовательным соединением витков и с параллельными ветвями с последовательным соединением витков (при этом требования по количеству и схеме соединения витков на панелях не оговорены; кроме того, в настоящее время установка панелей и электронасосного агрегата на космическом аппарате, выбор конструкции электронасосного агрегата и жидкостных трактов панелей производятся в основном с учетом требований теплового проектирования и общей компоновки аппарата и могут быть произвольными - требования по выбору конструкции, обеспечивающей минимально возможный нескомпенсированный кинетический момент, возникающий при работе СТР, не регламентированы).

По вышеуказанной причине, как показал анализ, существенными недостатками известной СТР являются относительно большой нескомпенсированный кинетический момент, возникающий при ее работе, приводящий к недопустимому увеличению массы вновь разрабатываемого космического аппарата.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Проведенный всесторонний анализ показал, что вышеуказанные существенные недостатки устраняются, если вновь разрабатываемая СТР космического аппарата выполнена с одновременным использованием следующего комплекса технических предложений авторов: максимально возможное количество панелей установлено на аппарате попарно симметрично относительно одной из координатных его плоскостей, причем жидкостные тракты на указанных панелях относительно этой координатной плоскости расположены зеркально одинаково и имеют одинаковые гидравлические диаметры, при этом жидкостные тракты панелей выполнены с четным числом витков и с разным направлением движения теплоносителя в соседних витках на последовательных участках, причем количество витков в параллельных ветвях одинаково, а электронасосный агрегат выполнен по соосной схеме продольных осей насосов, при этом проекции участков соединительного трубопровода между устройствами образуют на плоскости, перпендикулярной продольной оси электронасосного агрегата, виток с направлением движения теплоносителя, противоположным направлению вращения насосов, удовлетворяющий следующему условию:

где l_i - длины прямолинейных элементов витка, м;
R_i - кратчайшее расстояние от прямолинейного элемента витка до продольной оси электронасосного агрегата, м;
L - кинетический момент при работе насоса, Н•м•с;
- массовый расход теплоносителя в соединительном трубопроводе, кг/с,
что и является, 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.

Принципиальная схема предлагаемой СТР, которая будет использована во вновь создаваемом нашим предприятием космическом аппарате, изображена на фиг.1-6.

Предлагаемая СТР (см. фиг. 1, где 1 - платформа (модуль служебных систем); 2 - полезная нагрузка) содержит замкнутый жидкостный контур с циркулирующим в нем теплоносителем и включает в себя соединенные между собой минимально возможной суммарной длины трубопроводами 1.6, 2.5 устройства: компенсатор объема 1.1; электронасосный агрегат 1.2 с основным и резервным насосами 1.2.1, 1.2.2; панели: радиатора 1.3, 1.5, с приборами служебных систем 1.4, с приборами полезной нагрузки 2.1-2.4, имеющие жидкостные тракты (т.е. имеющие каналы, в которых циркулирует жидкий теплоноситель) с одинаковым гидравлическим диаметром (например, 16 мм):
- с последовательным соединением витков (витки - это параллельно расположенные на панели с определенным шагом жидкостные тракты; и выходы и входы соседних витков соединены, например, перемычками) (см. панели 1.4, 2.2, 2.3, 2.4);
- и с параллельными ветвями (ветви - это гидравлически параллельные линии - жидкостные тракты, отходящие от основного жидкостного тракта после входа в панель, которые вблизи выхода объединяются и снова образуют основной тракт) (см. панели 1.3, 1.5, 2.1) с последовательным соединением витков (общей протяженностью в несколько десятков метров).

При этом максимально возможное количество панелей (зависит от величин выделенных на КА зон для размещения панелей, а также зависит от количества панелей одинаковой формы), а именно: панели 1.3 и 1.5, 2.2 и 2.3 установлены на аппарате попарно симметрично относительно одной из координатных его плоскостей - Рх₁у₁, причем жидкостные тракты на указанных панелях относительно координатной плоскости Рх₁у₁ расположены зеркально одинаково (т.е. жидкостные тракты на двух симметричных панелях - реальные тракты и не являются взаимным отражением друг друга, но имеют вполне сходную форму расположения на симметричных панелях).

На фиг.2 изображена принципиальная схема компоновки панелей СТР на КА - СТР соответствует фиг.1.

В составе МСС 1 установлены три панели 1.3, 1.4, 1.5; панели 1.3 и 1.5 имеют одинаковую форму и расположены симметрично относительно координатной плоскости Рх₁у₁; жидкостные тракты на указанных панелях имеют одинаковую топологию и расположены по отношению друг к другу зеркально одинаково.

На фиг.3 изображена принципиальная схема панели 1.3, где 1.3.1 - первая (правая) ветвь; 1.3.2 - вторая (левая) ветвь (первая и вторая ветви образуют параллельную схему соединений ветвей и образуют два последовательных участка жидкостного тракта от точки "а" до точки "в" по направлению движения теплоносителя); 1.3.1.1-1.3.1.3 -витки первой ветви, которые соединены по последовательной схеме соединений; 1.3.2.1-1.3.2.3 - витки второй ветви, которые соединены по последовательной схеме соединений; виток 1.3.1.3 первой ветви и виток 1.3.2.3 второй ветви являются соседними и соединены по параллельной схеме соединений.

На фиг.4 изображена принципиальная схема панели 1.4, которая расположена параллельно координатной плоскости Ру₁z₁ и имеет два последовательно соединенных витка 1.4.1 и 1.4.2, расположенных симметрично относительно координатной оси Рх₁;
в составе МПН 2 установлены четыре панели 2.1, 2.2, 2.3, 2.4; панели 2.2 и 2.3 имеют одинаковую форму и расположены симметрично относительно координатной плоскости Рх₁у₁; жидкостные тракты на указанных панелях имеют одинаковую топологию и расположены по отношению друг к другу зеркально одинаково.

На фиг. 5 изображена принципиальная схема панели 2.3, где 2.3.1-2.3.4 - витки, которые соединены по последовательной схеме соединений;
панель 2.1 расположена параллельно координатной плоскости Ру₁z₁ и имеет две параллельные симметричные ветви, в каждой из которых витки соединены последовательно, расположенные симметрично относительно координатной плоскости Рх₁z₁;
панель 2.4 расположена в координатной плоскости Рх₁у₁ и одновременно расположена симметрично координатной плоскости Px₁z₁; имеет четыре равномерно расположенных параллельных витка; витки соединены последовательно.

При этом жидкостные тракты панелей 1.3-1.5, 2.1-2.4 (см. фиг.1, 3, 4, 5), имеющие одинаковые гидравлические диаметры (например, 16 мм), выполнены с четным числом витков и с разным направлением движения теплоносителя в соседних витках на последовательных участках, причем количество витков в параллельных ветвях одинаково.

Такое выполнение и установка панелей и их жидкостных трактов и такая организация направлений движения теплоносителя в их витках обеспечивают практически полную взаимную компенсацию возникающих при движении теплоносителя в жидкостных трактах 1.3 и 1.5, 2.2 и 2.3 кинетических моментов относительно всех координатных осей Рх₁, Ру₁, Pz₁, а также позволяют свести к минимуму нескомпенсированные кинетические моменты, возникающие при движении теплоносителя в жидкостных трактах панелей 1.4, 2.1, 2.4.

Электронасосный агрегат 1.2 выполнен по соосной схеме продольных осей насосов 1.2.1 и 1.2.2 (в этом случае продольные оси отдельных насосов расположены на одной линии и, если смотреть с конца этой линии на насосы, то роторы электродвигателей и крыльчатки при работе основного и резервного насосов вращаются в одну сторону [3]) и установлен на аппарате, например, продольной осью его параллельно одной из координатных осей (Рх₁).

На фиг. 6 (согласно данным фиг.1) изображено пространственное расположение участков соединительного трубопровода между устройствами (от выхода панели 1.5 до входа в электронасосный агрегат 1.2) и их проекции на плоскости П5, перпендикулярной оси вращения насосов (Рх₁), для чего условно показаны параллельные плоскости П1 (Рх₁у₁), П2, П3 и перпендикулярные им плоскости П4 (Рх₁z₁), П5. Участки трубопровода 1,5 - при движении теплоносителя в жидкостных трактах этих участков кинетический момент относительно оси вращения насосов (координатной оси Рх₁) не создается, т.к. векторы скорости теплоносителя пересекаются с оси вращения насосов. Участки трубопровода 2 и 4 - при движении теплоносителя в жидкостных трактах этих участков кинетический момент относительно оси вращения насосов (координатной оси Рх₁) не создается, т. к. векторы скорости теплоносителя параллельны с осью вращения насосов. Участок трубопровода 3 - теплоноситель в жидкостном тракте этого участка практически не движется и поэтому кинетический момент относительно оси вращения насосов (координатной оси Рх₁) не создается. При движении теплоносителя в жидкостных трактах участков соединительного трубопровода а, б, в, г, д (проекции которых на плоскости П5 образуют огибающую ломанную линию - петли или виток - по отношнению к оси вращения насосов) направление движения всех частиц теплоносителя (см., фиг. 1 и 6 - движение частиц теплоносителя направлено против часовой стрелки) противоположно направлении вращения (направлении движения всех частиц) насосов (см., фиг. 1 и 6 - движение частиц насосов направлено по часовой стрелке), и относительно оси вращения насосов создается кинетический момент, компенсирующий кинетический момент насосов, возникающий при их работе, в случае выполнения параметров вышеуказанных участков согласно предложенному авторами техническому решению, т.е. в случае удовлетворения следующего условия, установленного авторами в результате анализа физических процессов, происходящих при движении теплоносителя в соединительном трубопроводе и при работе насоса:

где l_i - длины прямолинейных элементов витка, м;
R_i - кратчайшее расстояние от прямолинейного элемента витка до продольной оси электронасосного агрегата, м;
L - кинетический момент при работе насоса, Н•м•с;
- массовый расход теплоносителя в соединительном трубопроводе, кг/с.

(в результате такого расположения и выполнения электронасосного агрегата и соединительного трубопровода относительно электронасосного агрегата возникающий при работе любого насоса кинетический момент полностью компенсируется кинетическим моментом, возникающим при движении теплоносителя в жидкостных трактах вышеуказанных участков).

Работа предложенной СТР происходит следующим образом.

Циркуляцию теплоносителя в жидкостных трактах обеспечивает электронасосный агрегат.

Избыточное тепло от работающих приборов, расположенных на панелях, передается движущемуся теплоносителю и далее с наружной радиационной поверхности панелей радиатора излучается в космическое пространство.

При этом возмущающее воздействие от работы СТР на систему ориентации космического аппарата в результате соответствующего выполнения конструкции и организации направлений движения теплоносителя в жидкостных трактах сведено к минимуму.

Проведенный авторами анализ показал, что в результате выполнения СТР вновь разрабатываемого связного спутника согласно предложенному техническому решению обеспечивается уменьшение нескомпенсированного кинетического момента, возникающего при работе СТР, эквивалентное уменьшению массы расходуемого рабочего тела на 2-4 кг, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

Предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которой будет изготавливаться СТР вновь создаваемого связного спутника.

Изобретение относится к космической технике и, в частности, к конструированию систем терморегулирования (СТР) связных спутников. Согласно изобретению, максимально возможное число панелей СТР установлено на спутнике попарно симметрично относительно одной из его координатных плоскостей. Жидкостные тракты теплоносителя выполнены с одинаковыми гидравлическими диаметрами, имеют параллельные ветви и установлены на панелях зеркально симметрично друг другу относительно указанной плоскости. Данные тракты выполнены с четным числом последовательно соединенных витков и с взаимно противоположным направлением движения теплоносителя в соседних витках. Число витков в параллельных ветвях одинаково. В состав СТР входят основной и резервный насосы, установленные соосно. Проекции участков соединительного трубопровода между агрегатами СТР образуют на плоскости, перпендикулярной оси насосов, виток с направлением движения теплоносителя, противоположным направлению вращения насосов. Изобретение обеспечивает уменьшение нескомпенсированного кинетического момента, возникающего при работе СТР, и содействует тем самым снижению массы вспомогательных систем спутника. 7 ил.

Система терморегулирования космического аппарата, содержащая замкнутый жидкостный контур с циркулирующим в нем теплоносителем, включающий в себя соединенные трубопроводом устройства: компенсатор объема, электронасосный агрегат с основным и резервным насосами, панели радиатора, панели с приборами служебных систем и полезной нагрузки, имеющие жидкостные тракты с последовательно соединенными витками и с параллельными ветвями, отличающаяся тем, что максимально возможное количество панелей установлено на аппарате попарно симметрично относительно одной из координатных его плоскостей, причем жидкостные тракты на указанных панелях относительно этой координатной плоскости расположены зеркально симметрично и имеют одинаковые гидравлические диаметры, выполнены с четным числом витков и с взаимно противоположным направлением движения теплоносителя в последовательных витках, причем количество витков в указанных параллельных ветвях одинаково, а электронасосный агрегат выполнен с соосным расположением продольных осей указанных насосов, при этом проекции участков соединительного трубопровода между указанными устройствами образуют на плоскости, перпендикулярной продольной оси электронасосного агрегата, виток с направлением движения теплоносителя, противоположным направлению вращения насосов в смысле компенсации их кинетического момента, согласно следующему условию:

где l_i - длины прямолинейных элементов витка, м;

R_i - кратчайшее расстояние от прямолинейного элемента витка до продольной оси электронасосного агрегата, м;

L - кинетический момент при работе насосов, Н*м*с;

- массовый расход теплоносителя в соединительном трубопроводе, кг/с.