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

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

В настоящее время для обеспечения требуемого теплового режима приборов, установленных в составе геостационарных спутников связи и телевещания (например, типа "Экспресс", выводимого на рабочую орбиту с помощью ракеты-носителя типа "Протон"), состоящих из модуля служебных систем (МСС) и модуля полезной нагрузки (МПН), широко используются СТР, содержащие замкнутый циркуляционный контур с жидким теплоносителем, описание которых приведено в патентах Российской Федерации № 2151720, № 2158703.

Анализ, проведенный авторами, показал, что общим существенным недостатком известных СТР является неприемлемое возрастание массы их при возрастании (например, не менее чем в 2 раза) мощности тепловыделения работающих приборов ретранслятора.

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 № 2158703.

В настоящее время СТР эксплуатирующегося спутника связи и телевещания типа "Экспресс", выполненная на базе патента № 2158703, содержит (см. фиг.6-8) замкнутый циркуляционный контур с жидким теплоносителем и включает в себя соединенные между собой с помощью гидроразъемов 1, 2, 3, 4 жидкостный подконтур модуля служебных систем с установленными в его жидкостном тракте 5 радиатором 6, жидкостным трактом для отвода тепла от приборов МСС 7 (или жидкостным трактом газожидкостного теплообменника), компенсатором объема 8, электронасосным агрегатом 9, регулятором расхода теплоносителя 12 и жидкостный подконтур модуля полезной нагрузки аппарата, жидкостный тракт 10 которого проходит через термостатируемые панели 11.1, 11.2, 11.3, расположенные в плоскостях, перпендикулярных к продольной оси аппарата, на наружных поверхностях которых установлены тепловыделяющие приборы. Панели 11.1 (11.2, 11.3) представляют из себя (см. фиг.8) две пластины 11.1.1 и 11.1.2, объединенные в единую конструкцию с помощью ряда стоек 11.1.3, приваренных своими концами к внутренним поверхностям пластин; в пластинах с внутренней стороны для организации циркуляции теплоносителя выфрезерованы каналы - жидкостные тракты, закрытые крышками 11.1.4; на наружной поверхности пластин установлены тепловыделяющие приборы (для исключения нерегулируемого теплообмена с космическим пространством приборы с панелями покрыты теплоизоляцией).

В современных условиях весьма актуальна задача дальнейшего снижения общих материальных и финансовых затрат, расходуемых нa каждый спутник, функционирующий на геостационарной орбите, и в настоящее время вновь разрабатываемый спутник типа "Экспресс", выводимый на рабочую орбиту с помощью ракеты-носителя типа "Протон", существенно мощнее, чем эксплатирующиееся спутники, и имеет повышенную, например не менее чем в 2 раза, мощность тепловыделения от функционирующих приборов ретранслятора.

Анализ, проведенный авторами, показал, что в этом случае, если СТР вновь разрабатываемого спутника выполнить по известному техническому решению, то ее масса получается неприемлемо большой и она не может быть использована в разрабатываемом спутнике, т.е. существенными недостатками известной СТР являются относительно большая масса ее, а также высокие общие материальные и финансовые затраты, связанные с этой проблемой (т.к. в этом случае для решения поставленной задачи пришлось бы разработать более мощный новый ракету-носитель).

Проведенный всесторонний комплексный анализ показал, что возрастание массы СТР при увеличении мощности тепловыделения приборов обусловлено:

- увеличением при этом количества панелей не менее чем в 2 раза;

- неоптимальной с точки зрения массы конструкцией существующих панелей;

- существенным увеличением площади радиатора, установленного на унифицированном МСС.

Кроме того, при увеличении количества панелей МПН и площади радиатора МСС по известному существующему способу компоновки не представляется возможным установить их в выделенных зонах размещения на спутнике.

Следовательно, вновь разрабатываемая СТР вышеназванного мощного спутника для устранения вышеуказанных существенных недостатков должна иметь такую компоновку и конструкцию, чтобы обеспечивались существенное уменьшение массы ее, а также экономия общих материальных и финансовых затрат.

Таким образом, существенными недостатками известной СТР являются относительно большая масса ее, а также высокие общие материальные и финансовые затраты.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Проведенный авторами анализ показал, что устранение вышеуказанных существенных недостатков и решение вышеупомянутой задачи достигается выполнением вновь разрабатываемой СТР следующим образом:

1) термостатируемые панели выполнены в виде сотовых панелей с встроенными в них жидкостными трактами, при этом базовая панель расположена в плоскости, перпендикулярной к продольной оси аппарата, и на ней перпендикулярно к ее поверхности установлены две боковые панели в параллельных плоскостях, перпендикулярных к поперечной оси аппарата, параллельной в условиях геостационарного орбитального функционирования оси вращения Земли, и не менее одной центральной панели между боковыми панелями, установленной перпендикулярно им;

2) жидкостные тракты в сотовых панелях выполнены из трубопроводов с полками на участках контакта их с внутренними поверхностями обшивок в зонах расположения на их наружных поверхностях тепловыделяющих приборов и со стороны полок приклеены к внутренним поверхностям обшивок панелей, при этом на участках с симметричным расположением зон с приборами на наружной и внутренней обшивках панелей трубопроводы выполнены с двумя полками, а на остальных участках - с одной полкой, причем в боковых панелях полки трубопроводов приклеены только к внутренним поверхностям их внутренних обшивок,

что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

Дополнительно к вышеизложенному для устранения вышеуказанных существенных недостатков жидкостные тракты в сотовых панелях на участках трубопроводов с полками выполнены с оптимальными параметрами, удовлетворяя условии (обеспечивающему минимально возможную массу сотовых панелей с встроенными в них трубопроводами с полками):

где L - длина участка трубопровода с полкой, м;

К - требуемый погонный коэффициент теплопередачи от тепловыделяющих приборов к теплоносителю на участке трубопровода с полкой, Вт/(м· К);

N=0,89 - коэффициент, учитывающий возможное отклонение действительного значения К от расчетного;

Мстр → мин - масса СТР стремится к минимуму при сочетании оптимальных параметров жидкостного тракта в панелях;

а - коэффициент теплоотдачи между теплоносителем и стенкой трубопровода на участке, Вт/(м²·^К);

D - внутренний диаметр трубопровода с полкой на участке, м;

R - термическое сопротивление участка трубопровода с полкой, м²·^К/Вт;

Нп - ширина полки трубопровода, м;

hк - толщина клея между полкой и обшивкой панели, м;

h0 - толщина обшивки панели, м;

π ₁, π ₂ - коэффициенты теплопроводности материалов клея и обшивки, Вт/(м· К);

Р - отводимая от приборов тепловая мощность, Вт;

Тп - допустимая температура основания приборов, К;

Тт - максимально допустимая температура теплоносителя на участке в трубопроводе, K.

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 космического аппарата изображена на фиг. 1-5.

Предлагаемая СТР, конструктивно выполненная как единое целое, содержит замкнутый циркуляционный контур с жидким теплоносителем и включает в себя соединенные между собой с помощью гидроразъемов 1, 2, 3, 4 жидкостный подконтур модуля служебных систем аппарата с установленными в его жидкостном тракте 5 радиатором 6, жидкостным трактом для отвода тепла от приборов 7, компенсатором объема 8, электронасосным агрегатом 9, регулятором расхода теплоносителя 12 и жидкостный подконтур модуля полезной нагрузки аппарата, жидкостный тракт 10 которого проходит через термостатируемые панели (на их наружных поверхностях установлены тепловыделяющие приборы, покрытые теплоизоляцией) 11.1, 11.2, 11.3, 11.4.

Термостатируемые панели 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 выполнены в виде сотовых панелей с встроенными в них жидкостными трактами (см. фиг.3, 4, 5, где 1 - верхняя (или наружная обшивка) панели; 2 - сотовый заполнитель; 3 - жидкостный тракт (трубопровод) панели; 3.1 - полка трубопровода; 4 - нижняя (или внутренняя) обшивка панели; 5 - тепловыделяющий прибор); при этом (см. фиг.2) базовая панель 11.3 расположена в плоскости, перпендикулярной к продольной оси аппарата (в направлении Х), и на ней перпендикулярно к ее поверхности установлены три панели: две боковые панели 11.1 и 11.2 в параллельных плоскостях, перпендикулярных к поперечной оси аппарата, параллельной в условиях геостационарного орбитального функционирования оси вращения Земли, и не менее одной центральной панели 11.4 между этими боковыми панелями, установленной перпендикулярно им.

(В результате такого выполнения конструкции панелей, как показал анализ, обеспечивается относительное уменьшение массы жидкостного подконтура за счет того, что удельная масса сотовых панелей с встроенными в них жидкостными трактами получается в 1,4-1,7 раза легче, чем известные панели с жидкостными трактами; кроме того, в результате такой компоновки вышеуказанными панелями удается установить панели в заданной (требуемой) зоне размещения на спутнике).

При этом жидкостный тракт модуля полезной нагрузки в сотовых панелях 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 выполнен из трубопроводов с полками (см. фиг.3, 4, 5) на участках контакта их с внутренними поверхностями обшивок в зонах расположения на их наружных поверхностях тепловыделяющих приборов и со стороны полок приклеены к внутренним поверхностям обшивок панелей и последовательно проложен (см. фиг.1, 2) через боковые панели 11.1, 11.2, затем через нижнюю 11.3.1 и верхнюю 11.3.2 стороны базовой панели 11.3 и через центральную панель 11.4; причем (см. фиг.3) в боковых панелях трубопроводы со стороны полок приклеены к внутренней поверхности внутренней обшивки панелей, а на незадействованной стороне полок приклеен электрообогреватель, включающийся в работу, например, когда приборы не работают (наружные поверхности наружных обшивок боковых панелей предназначены для использования в качестве излучающей поверхности, и на них приклеено оптическое покрытие, и на них приборы не устанавливаются, в связи с чем к наружным обшивкам боковых панелей трубопроводы не подведены); в базовой панели (см. фиг.4) трубопроводы имеют одну полку, и они приклеены к внутренним поверхностям нижней и верхней ее обшивок; в центральной панели (см. фиг.5) трубопроводы выполнены с двумя полками, которые приклеены к внутренним поверхностям обшивок.

(В результате такого выполнения конструкции трубопроводов и такой последовательности соединения панелей выигрыш по массе получается по следующей причине: как известно, потребная площадь радиатора обратно пропорциональна его температуре в четвертой степени, т.е. чем выше температура теплоносителя на его входе, тем меньше требуемая площадь радиатора - поэтому приборы ретранслятора на панелях установлены, исходя из следующего:

- малотеплонагруженные приборы установлены на боковых панелях;

- теплонагруженные приборы с относительно низкой максимально допустимой рабочей температурой расположены на базовой панели;

- теплонагруженные приборы с относительно высокой максимально допустимой рабочей температурой установлены на центральной панели, что обеспечивает поступление теплоносителя в радиатор с максимально возможной температурой и, как показал анализ, нет необходимости увеличения площади радиатора МСС, т.е. обеспечивается выигрыш по массе).

Причем жидкостные тракты в сотовых панелях на участках трубопроводов с полками выполнены удовлетворяющими следующему условию, установленному авторами в результате анализа теплофизических процессов, происходящих в панелях, и экспериментальных данных, полученных авторами к настоящему времени на опытных образцах панелей, и обеспечивающему минимально возможную массу сотовых панелей с встроенными в них трубопроводами с полками:

где L - длина участка трубопровода с полкой, м;

К - требуемый погонный коэффициент теплопередачи от тепловыделяющих приборов к теплоносителю на участке трубопровода с полкой, Вт/(м· К);

N=0,89 - коэффициент, учитывающий возможное отклонение действительного значения К от расчетного (установлено авторами);

Мстр → мин - масса СТР стремится к минимуму при сочетании оптимальных параметров жидкостного тракта в панелях;

а - коэффициент теплоотдачи между теплоносителем и стенкой трубопровода на участке, Вт/(м²·^К);

D - внутренний диаметр трубопровода с полкой на участке, м;

R - термическое сопротивление участка трубопровода с полкой, м²·^{К / Вт:}

Нп - ширина полки трубопровода, м;

hк - толщина клея между полкой и обшивкой панели, м;

h0 - толщина обшивки панели, м;

π ₁, π ₂ - коэффициенты теплопроводности материалов клея и обшивки, Вт/(м· К);

Р - отводимая от приборов тепловая мощность, Вт;

Тп - допустимая температура основания приборов, К;

Тт - максимально допустимая температура теплоносителя на участке в трубопроводе, К.

(В результате выполнения условия (1) сотовые панели и жидкостные тракты в сотовых панелях получаются с минимально возможной массой в результате обеспечения подбора оптимальных параметров элементов - для вновь разрабатываемой СТР они имеют следующие значения:

- минимально возможные толщины стенок и полок трубопроводов равны 1,2 мм и 1,5 мм соответственно;

- минимально возможная ширина полок равна 30 мм;

- количество полок: в боковых и базовой панелях трубопроводы имеют одну полку, а в центральной - две полки;

- оптимальные внутренние диаметры трубопроводов и типы соединения жидкостных трактов: в боковых панелях допускается параллельное соединение жидкостных трактов с внутренним диаметром трубопроводов, равным 12 мм, а в остальных панелях - последовательное соединение жидкостных трактов с внутренним диаметром, равным 16 мм;

- материал обшивки - алюминиевый сплав с толщиной 0,5-0,8 мм;

- клей между поверхностями полок и обшивок: толщина клея не более 100 мкм, коэффициент теплопроводности не менее 0,8 Вт/(м· К).

Работа предложенной СТР при орбитальном функционировании происходит следующим образом.

Циркуляцию жидкого теплоносителя в жидкостных трактах СТР по замкнутому контуру осуществляет электронасосный агрегат.

Избыточное тепло от работающих приборов, расположенных на панелях, непосредственно (практически полностью) воспринимается теплоносителем, движущимся в жидкостном тракте, расположенном под каждым тепловыделяющим прибором.

В процессе движения теплоносителя в жидкостном тракте радиатора происходит отвод основного количества избыточного тепла излучением в космическое пространство; а меньшая часть избыточного тепла (около 15% от общего количества) отводится излучением в космическое пространство с наружных поверхностей наружных обшивок боковых панелей: здесь происходит процесс передачи аккумулированного тепла всей внутренней обшивке, а затем теплопроводностью через сотовый заполнитель и переизлучением между поверхностями обшивок тепло передается наружной обшивке и далее с наружной радиационной поверхности ее излучается в космическое пространство.

Во всех условиях требуемое рабочее давление теплоносителя в жидкостном тракте СТР поддерживается с помощью компенсатора объема, жидкостная полость которого сообщена с жидкостным трактом вблизи входа в электронасосный агрегат.

Проведенный авторами анализ показал, что в результате выполнения СТР вновь разрабатываемого спутника связи и телевещания согласно предложенному техническому решению обеспечивается:

- относительное уменьшение массы СТР на ≈ 27 кг:

- экономия материальных и финансовых средств и времени при решении задачи создания вышеуказанного мощного спутника, предназначенного для функционирования на геостационарной орбите.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения СТР спутника связи и телевещания согласно предложенному авторами техническому решению обеспечиваются существенное уменьшение относительной массы СТР и экономия материальных и финансовых средств и времени при решении задачи создания вышеуказанного мощного спутника, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которой начато изготовление СТР вновь создаваемого мощного спутника связи и телевещания.

Изобретение относится к космической технике и, в частности, к системам терморегулирования (СТР) геостационарных связных и телевещательных спутников. Согласно изобретению СТР содержит замкнутый контур с жидким теплоносителем, включающий в себя жидкостный подконтур модуля служебных систем с установленными в его жидкостном тракте радиатором, жидкостным трактом отвода тепла от приборов, компенсатором объема, электронасосным агрегатом и регулятором расхода теплоносителя. Указанный контур также включает в себя жидкостный подконтур модуля полезной нагрузки, жидкостный тракт которого проходит через термостатируемые панели. На наружных поверхностях обшивок панелей установлены тепловыделяющие приборы, а сами панели выполнены сотовыми, с встроенными в них жидкостными трактами. Из этих панелей базовая расположена в плоскости, перпендикулярной продольной оси космического аппарата. Боковые панели установлены на базовой панели перпендикулярно ей, в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси “север - юг” аппарата. Центральная панель установлена между боковыми панелями перпендикулярно им. Встроенные жидкостные тракты выполнены в виде трубопроводов с полками в зонах установки тепловыделяющих приборов. Трубопроводы со стороны полок приклеены к внутренним поверхностям обшивок. Технический результат изобретения состоит в снижении относительной массы СТР и экономии ресурсов при создании последующих модификаций спутников данного класса. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система терморегулирования космического аппарата, содержащая замкнутый циркуляционный контур с жидким теплоносителем, включающий в себя соединенные между собой с помощью гидроразъемов жидкостный подконтур модуля служебных систем космического аппарата с установленными в его жидкостном тракте радиатором, жидкостным трактом отвода тепла от приборов, компенсатором объема, электронасосным агрегатом и регулятором расхода теплоносителя, а также жидкостный подконтур модуля полезной нагрузки аппарата, жидкостный тракт которого проходит через термостатируемые панели, на наружных поверхностях которых установлены тепловыделяющие приборы, отличающаяся тем, что указанные термостатируемые панели выполнены в виде сотовых панелей с встроенными в них жидкостными трактами и включают в себя базовую, две боковые и не менее одной центральной панели, причем базовая панель расположена в плоскости, перпендикулярной продольной оси космического аппарата, боковые панели установлены на базовой панели перпендикулярно ее поверхности, в параллельных плоскостях, перпендикулярных поперечной оси аппарата, параллельной в условиях функционирования на геостационарной орбите оси вращения Земли, а центральная панель установлена между боковыми панелями перпендикулярно им.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанные жидкостные тракты в сотовых панелях, имеющих наружные и внутренние обшивки, выполнены в виде трубопроводов с полками на участках контакта с внутренними поверхностями обшивок в зонах установки, на наружных поверхностях обшивок, указанных тепловыделяющих приборов, при этом трубопроводы со стороны полок приклеены к внутренним поверхностям обшивок, имея по две полки на участках контакта с симметричным расположением указанных зон установки тепловыделяющих приборов на наружной и внутренней обшивках панелей, и по одной полке на остальных участках контакта, причем в указанных боковых панелях трубопроводы приклеены к внутренним поверхностям только внутренних обшивок.