КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С РЕГУЛЯРНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ ОТНОСИТЕЛЬНО СОЛНЦА Российский патент 2005 года по МПК B64G1/10 B64G1/50 

Изобретение относится к космической технике и может использоваться при разработке космических аппаратов (КА), в которых ориентация относительно Солнца носит регулярный характер, например КА на геостационарной орбите (ГСО), КА с солнечно-земной ориентацией на круговых высокоэллиптических орбитах и т.д.

В качестве аналога может быть принят КА, описанный в патенте RU 2053937.

На данном КА, основой которого является герметичный корпус и который снабжен солнечной энергоустановкой, для повышения надежности функционирования и улучшения объемно-массовых характеристик устанавливаются дополнительные негерметичные контейнеры, имеющие форму параллелепипеда с малой высотой, с размещенными внутри них аккумуляторными батареями, аппаратурой управления и контроля солнечной энергоустановкой (СЭУ), средствами обеспечения теплового режима. При этом негерметичные контейнеры шарнирно закреплены на корпусе КА и зафиксированы в развернутом положении относительно корпуса КА с помощью фиксаторов. Основания аккумуляторных батарей (АБ) и аппаратуры СЭУ связаны теплопередающими элементами с основаниями негерметичного контейнера, являющимися излучателями для радиационного сброса тепла.

К недостаткам рассматриваемого аналога можно отнести:

АБ и СЭУ размещены на едином основании негерметичного контейнера, а следовательно, объединены в тепловом отношении. Учитывая, что допустимые рабочие диапазоны температур АБ и электронных блоков аппаратуры СЭУ могут существенно различаться (температура на основании электронных приборов может поддерживаться на уровне +40°С, в то время как для комфортных условий заряда и хранения температура под АБ на указанных участках полета не должна превышать +10°С), площади радиационных поверхностей негерметичных контейнеров будут переразмерены, что потребует дополнительных затрат электроэнергии на подогрев установленного оборудования.

Наличие дополнительных механизмов перевода негерметичных контейнеров из транспортировочного положения в рабочее с последующим раскрытием панелей солнечных батарей (СБ), шарнирно закрепленных на боковой поверхности негерметичных контейнеров, приводит к усложнению конструкции и системы управления КА и вносит дополнительный элемент ненадежности.

В качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности, может быть принят КА с регулярной ориентацией относительно Солнца, защищенный патентом RU 2092398.

КА содержит корпус (контейнер), состоящий из установленных вдоль продольной оси модулей, которые могут быть П-, U- и Н-образной конфигурации. Внутри корпуса расположены n (n=1, 2 ...) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры многоцелевой полезной нагрузки и служебных систем. Две противоположенные грани корпуса КА (стороны П- и U-образных модулей) при номинальной орбитальной ориентации аппарата на ГСО развернуты от направления на Солнце и направлены в стороны севера и юга Земли.

Указанные грани являются радиаторными сотопанелями со встроенными тепловыми трубами (ТТ). На гранях непосредственно установлены теплонагруженные n-е узлы и приборы КА.

КА содержит также двигательный блок с двигателями системы коррекции, ориентации и стабилизации, топливными баками и магистралями подачи рабочего тела. Кроме того, аппарат содержит выступающие относительно корпуса элементы конструкции. К ним относятся панели СБ, антенны бортовых ретрансляторов "С-" и "Ku-" диапазона. Причем два крыла раскладывающиеся панелей батареи солнечной установлены симметрично продольной оси со стороны "северного" и "южного" радиаторов и могут вращаться относительно корпуса КА.

Один из модулей (в прототипе - модуль Н-образной конфигурации) содержит две дополнительные радиаторные сотопанели со встроенными тепловыми трубами с "восточной" и "западной" сторон, попадающих в зону освещения Солнцем, заключенной в единый обратимый тепловой контур с "западными" и "восточными" сотопанелями.

Теплонагруженные приборы и узлы бортовой аппаратуры размещены на центральной поперечной ("приборной") сотопанели блока.

В модуле Н-образной конфигурации соединены в единую сеть ТТ на сотопанелях "восток" и "запад" с ТТ "приборной" сотопанели.

На радиаторных сотопанелях блока Н-образной конфигурации установлены раскрывающиеся и компактно складывающиеся механические приводами по краям или на середине радиаторов теплоизоляционные шторки.

Рассмотрим основные недостатки прототипа.

Вся тепловая схема по отводу тепла в Н-образном блоке может работать только в попеременно-периодическом режиме, так как внешний тепловой поток от Солнца всегда будет воздействовать на одну из сотопанелей - "восточную" или "западную". Более того, чтобы внешний тепловой поток от освещенной сотопанели не подводился к аппаратуре, размещенной на центральной сотопанели, освещенная сотопанель должна периодически закрываться шторками.

Таким образом, в плане хладопроизводительности в Н-образном блоке постоянно работает примерно половина типовой сети ТТ с двумя радиаторами. Другая половина должна быть заблокирована.

С учетом этого, а также наличия на борту массы имеющихся двух шторок можно сделать нижеследующий вывод: необходимая масса хладопроизводительных устройств на единицу произведенного ими номинального холода в течение суток для "северных" и "южных" сотопанелей будет более чем в 2 раза меньше, чем для "восточных" и "западных" сотопанелей, при условии использования одной и той же конструкции панелей с ТТ. При этом к хладопроизводительным устройствам относим как тепловые трубы, так и шторки, обеспечивающие защиту "западной" и "восточной" сотопанелей от перегрева.

Существенным недостатком прототипа является и то, что система обеспечения теплового режима (СОТР) построена таким образом, что не учитывает тепловыделение отдельных блоков. Так, в прототипе все тепловые трубы каждого блока расположены в параллельных плоскостях с одним и тем же шагом (не более 200 мм). В то же время известно, что бортовая аппаратура и отдельные узлы КА по-разному нагружают теплом КА. Так, например, силовая автоматика регулирования работы системы энергоснабжения КА, силовая аппаратура стационарных плазменных двигателей в процессе их работы, модули металл-водородных аккумуляторов и т.д. в значительно большей степени выделяют тепло при своей работе, чем электронные приборы - цифровые вычислительные машины, приемопередающая бортовая аппаратура служебного канала управления и т.д. Поэтому необходимо в определенной степени дифференцировать и работу СОТР КА.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение массы хладопроизводительных агрегатов на борту КА на единицу вырабатываемого ими холода за счет увеличения хладопроизводительности системы терморегулирования КА.

Технический результат достигается тем, что в космическом аппарате с регулярной ориентацией относительно Солнца, содержащем корпус с выступающими элементами конструкции, состоящий из установленных вдоль продольной оси модулей, две противоположные грани каждого из которых, являющиеся радиаторами со встроенными тепловыми трубами, развернуты от направления на Солнце, при этом в модулях расположены n (n=1, 2, ...) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, двигательный блок с двигателями системы коррекции, ориентации и стабилизации, топливными баками и магистралями подачи рабочего тела, в отличие от известного к двигательному блоку прикреплены k (k=1, 2, ...) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, теплоизолированных экранно-вакуумной теплоизоляцией от n-х теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, а указанные k-е узлы и приборы бортовой аппаратуры крепятся к двигательному блоку кронштейнами, устанавливаемыми на теплоизолирующие прокладки, при этом двигательный блок выполнен в виде трехслойной панели, состоящей из двух установочных плоскостей с сотовым наполнителем, внутри которой проложены тепловые трубы с нагревателями, каждый из k-x узлов и приборов бортовой аппаратуры охвачен аксиальной U-образной тепловой трубой, имеющей тепловой контакт с их корпусами, а каждая из тепловых аксиальных труб, в свою очередь, имеет тепловой контакт с испарителем контурной тепловой трубы, выход которого через паропровод соединен с входом радиатора-излучателя, а выход радиатора-излучателя через конденсатопровод соединен с входом испарителя, при этом радиаторы-излучатели установлены в плоскостях, параллельных граням, развернутым от направления на Солнце, за границами зон затенения выступающими элементами конструкции открытого для радиаторов-излучателей космоса.

Кроме того, в указанном космическом аппарате теплонагруженные узлы выполнены в виде корпусов металл-водородных аккумуляторных батарей из цельных силовых плит сотовой конструкции, в цилиндрических отверстиях которых установлены металл-водородные аккумуляторы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение хладопроизводительности системы терморегулирования КА, достигаемое за счет размещения радиаторов ТТ, снимающих тепло с наиболее теплонагруженных узлов и приборов в плоскостях, параллельных граням КА, развернутым от направления на Солнце. Кроме этого указанный эффект предполагается достичь также за счет использования площади радиаторов, необходимой и достаточной для решения задачи теплосъема с выбранных конкретных узлов и агрегатов КА.

Для обеспечения сущности изобретения далее предоставлены фиг.1-4.

На фиг.1, 2 показан КА с регулярной ориентацией относительно Солнца, при нахождении на рабочей геостационарной орбите.

На фиг.3 показана структурная блочно-модульная схема КА.

На фиг.4 показано место установки на КА корпусов металл-водородных аккумуляторных батарей.

На фиг.1, 2 изображен КА связи и телевещания на рабочей геостационарной орбите. При этом введены нижеследующие обозначения:

1 - КА;

2 - солнечные батареи (СБ) КА;

3 - антенны-ретрансляторы;

4, 5 - корпусные панели-радиаторы КА, "северная" и "южная" соответственно;

6 - радиаторы-излучатели.

СБ2 установлены вдоль продольной оси OZ КА со стороны "южной" и "северной" сотопанелей радиаторов, при этом "+" OZ направлен в сторону южного полюса Земли. Антенны-ретрансляторы КА размещены вдоль продольной оси OY КА со стороны "восточной" и "западной" панелей КА. Кроме этого, на фиг.2 условно показан угловой диапазон падения солнечного излучения относительно плоскости ГСО ±23,5°. Как видно из представленных фигур, радиаторы-излучатели устанавливаются в плоскостях, параллельных плоскостям расположения "северного" и "южного" радиаторов. В частном случае они могут находиться в тех же плоскостях, не затеняя при этом сами панели-радиаторы. Место радиаторов-излучателей должно быть определено таким образом, чтобы они находились вне зон затенения панелями СБ и антеннами ретрансляторов открытого космоса. В случаях установки на КА не ретрансляторов, а другой полезной нагрузки не должно происходить затенение радиаторов-излучателей другими выступающими относительно корпуса конструктивными элементами.

При выполнении указанных условий хладопроизводительность конденсаторов хладогена ТТ, расположенных внутри радиаторов-излучателей, будет максимальной.

Это следует из того, что в зависимости от времени года угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце меняется в пределах ±23,5°, а при углах ±8,7° орбита проходит через "тень" Земли. Период обращения по орбите 24 часа. Ориентация КА в процессе полета - осью "X" вдоль радиуса-вектора к Земле, при этом ось "У" находится в плоскости орбиты и направлена по вектору скорости, а ось "Z" перпендикулярна ей и направлена в сторону Южного полюса.

Таким образом, радиаторы-излучатели будут находиться постоянно в зонах минимального освещения Солнцем, наименее подверженных воздействию внешнего теплового потока солнечного излучения.

На фиг.3 показана структурная блочно-модульная схема КА. Кроме ранее принятых, на фиг.3 введены новые обозначения:

7 - модуль полезной нагрузки (МПН);

8 - модуль служебных систем (МСС);

9 - сотопанель двигательного блока (СДБ);

10 - корпуса теплонагруженных узлов и приборов;

11 - дополнительные кронштейны крепления корпусов теплонагруженных узлов и приборов.

Как видно из фиг.3, КА выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, состыкованного из двух частей. Одна часть является МЛН 7, где в основном размещается аппаратура бортового ретрансляционного комплекса, вторая - МСС 8.

Корпус КА образуют "южные" и "северные" (соответственно, по осям "+Z" и "-Z") панели МСС и МПН, "восточные" и "западные" (соответственно, по осям "+У" и "- У") панели, верхняя торцевая панель по оси "+Х" ОПН и нижняя торцевая панель по оси "-Х" МСС. В стыке между МПН и МСС размещается СДБ 9 с установленными на ней двигателями систем коррекции ориентации и стабилизации, топливными баками и магистралями подачи рабочего тела.

Основная тепловыделяющая аппаратура размещается на "северных" и "южных" панелях МПН 7 и МСС 8. В МПН 7 размещается аппаратура полезной нагрузки КА (например, бортового ретрансляционного комплекса), частично аппаратура системы управления движением (СУД) аппарата (например, датчики внешней ориентации КА и т.д.) В МСС 8 размещается бортовой цифровой вычислительный комплекс, инерционные исполнительные органы системы поддержания ориентации КА, логически-преобразующие устройства системы управления бортовой аппаратурой и другие приборы и агрегаты служебных систем КА.

Корпус КА, состоящий из установленных вдоль продольной оси модулей, ориентируется в пространстве при помощи СУД, использующей для управления датчики внешней ориентации КА, а в качестве исполнительных органов - реактивные двигатели или силовые гироскопы. При этом обеспечивается регулярная ориентация аппарата относительно Солнца (см. фиг.2), при которой всегда можно выделить две противоположные грани, отвернутые от него (для ГСО это "северная" и "южная" грани), и две грани, регулярно освещаемые Солнцем (для ГСО это "западная" и "восточная" грани). Исходя из указанной ориентации, производится и конструирование модулей КА. Отвернутые от Солнца грани модулей являются радиаторами для сброса тепла с теплонагруженных узлов и приборов КА. На СДБ 9 расположен двигательный блок с двигателями системы коррекции, ориентации и стабилизации, топливными баками, магистралями подачи рабочего тела к реактивным двигателям. Тепловыделяющая аппаратура управления двигательным блоком находится в основном в МСС 8. Поэтому ТТ, размещенные в СДБ 9, имеют, как правило, зону обогрева с целью подвода тепла к отдельным узлам и агрегатам двигательного блока для исключения их переохлаждения и даже возможного замерзания.

Указанные панели выполнены трехслойными - два листа из алюминиевого сплава, между которыми установлен сотовый заполнитель. Трехслойной выполнена также СДБ 9.

"Западные" и "восточные" панели, нижняя и верхняя торцевые панели представляют собой силовые каркасы, закрываемые однослойными листами из алюминиевого сплава.

В отличие от прототипа k-e (k=1, 2, ...) корпуса наиболее теплонагруженных узлов и агрегатов 10 крепятся к СДБ 9 (снизу, см. фиг.3) через дополнительные кронштейны 11. Для того чтобы исключить влияние тепловых потоков от указанных корпусов на оборудование n-х узлов и приборов бортовой аппаратуры, где n=1, 2, ..., размещенное внутри КА, указанные корпуса k-e, где k=1, 2, ..., теплоизолированы от окружающих приборов и элементов конструкции при помощи многослойной экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) (на фиг.3 условно не показано), а также теплоизолирующими прокладками, установленными, в частности, под кронштейнами 11.

Применяемая модульная структура КА с регулярной ориентацией позволяет провести разделение его конструкции на силовую и тепловую части. Все теплонагруженные приборы полезной нагрузки и служебных систем скомпонованы на двух радиационных панелях "северной" и "южной" гранях указанных модулей. Предлагаемое техническое решение в существующей структуре модульного деления объединяет в себе обе указанные функции, так как с одной стороны корпуса теплонагруженных узлов и приборов, установленные на кронштейнах СДБ 9, используются в качестве силовых элементов конструкции (например, усиливая ее жесткость), с другой стороны они является теплопередающими элементами СОТР аппарата.

Выделение отдельных теплонагруженных узлов и приборов из всей аппаратуры КА и помещение их специальным образом в отдельные корпуса, позволяет создать для них "особые условия" работы, обеспечивающие повышенный теплоотвод, увеличить локально хладопроизводительность системы обеспечения теплового режима (СОТР).

В качестве одного из наиболее типичных можно рассматривать пример обеспечения теплового режима модулей металл-водородных аккумуляторных батарей (МВАБ).

Так, в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию при работе в составе КА температура корпусов МВАБ должна быть в диапазоне от 5 до 25°С при заряде и не более 45°С при разряде.

На фиг.4 показано, каким образом обеспечивается тепловой режим работы теплонагруженных корпусов, в частности МВАБ, при этом введены нижеследующие дополнительные обозначения:

12 - корпуса МВАБ;

13 - аксиальные тепловые трубы (АТТ);

14 - испарители контурных тепловых труб (ИКТТ);

15 - контурные тепловые трубы (КТТ).

Кроме этого штриховыми линиями обозначены зоны размещения оборудования на "северной" и "южной" панелях КА.

АТТ 13 предлагается выполнить U-образной формы, охватывающими корпуса МВАБ 12 и имеющими тепловой контакт с ИКТТ 14, конденсаторы КТТ 15 помещены в радиаторы-излучатели 6. В свою очередь, установка радиаторов-излучателей указанным выше образом позволяет обеспечить максимальную хладопроизводительность конденсаторов КТТ 15. Таким образом, обеспечивается температурный режим для двух корпусов МВАБ 12. При этом каждый из корпусов выполнен в виде цельной силовой плиты из магниевого сплава МАГ-1. Сама плита представляет собой сотовую конструкцию с цилиндрическими отверстиями для установки металл-водородных аккумуляторов, a U-образные АТТ крепятся между корпусами МВАБ 12 и ИКТТ 14 при помощи клея герметика "Эластосил 137-242".

Для регулировки тепловых потоков от теплонагруженных корпусов КА можно использовать, например, СОТР, выполненную на основе тепловых труб различного типа (транспортных и диодных), конфигурации, внутренней структуры и профиля.

АТТ 13 служит для сбора избыточного тепла от МВАБ 12 и его транспортировки к ИКТТ 14.

В нижней части U-образной АТТ 13 при наземной подготовке размещаются технологический электрический нагреватель, обеспечивающий запуск АТТ.

Каждая КТТ представляет собой герметичное устройство, состоящее из:

испарителя из пористого никеля со средним диаметром пор ˜1,2 мкм с продольными пароотводными каналами;

паропровода, изготовленного из тонкостенной нержавеющей трубки, служащего каналом для транспортировки пара от испарителя к конденсатору;

байпасной линии с клапаном;

конденсатора, выполненного в виде радиатора-излучателя, служащего для конденсации паров теплоносителя и передачи тепла излучающей поверхности;

конденсатопровода, изготовленного из тонкостенной нержавеющей трубки, служащего для транспортировки жидкого теплоносителя от конденсатора к испарителю.

Принцип работы КТТ 15 основан на использовании фазовых превращений теплоносителя (испарение ↔ конденсация). Тепло, выделяемое источником тепла (МВАБ 12), поступает в испаритель КТТ и расходуется на испарение рабочей жидкости. Образовавшийся пар поступает через паропровод в конденсатор-радиатор, где конденсируется. Выделяемое при конденсации тепло отводится в окружающую среду. Движителем теплоносителя в КТТ является капиллярный насос, который отсасывает сконденсировавшийся теплоноситель в испаритель. Регулирование величины сбрасываемого тепла осуществляется с помощью байпасных линий с клапанами.

Напор, который способны развивать современные капиллярные насосы, достигает 0,6 кг/см², что позволяет поднимать теплоноситель на 6 м против силы тяжести. Таким образом, КТТ могут работать в земных условиях при произвольном расположении панели и испарителя относительно друг друга.

По сравнению с прототипом предложенная конструкция КА имеет целый ряд существенных преимуществ.

Обеспечивается оптимальное размещение радиационных панелей (радиаторов) для сброса избыточного тепла (являющихся одновременно конденсаторами КТТ) по отношению к внешним тепловым потокам от Солнца и Земли. Указанное размещение радиаторов позволяет минимизировать потребную массу конструкций КА, исключив ту ее часть, которая потребовала бы на установку дополнительных ТТ и защитных шторок на радиаторы.

Эффективная хладопроизводительность системы, получаемая за счет предлагаемого расположения радиаторов, позволяет обеспечивать сброс тепла от наиболее теплонапряженных n-х узлов и агрегатов. При этом площади указанных панелей могут быть разные, необходимые и достаточные для обеспечения теплового режима конкретного прибора или агрегата. В прототипе СОТР должна обеспечивать работу КА с максимальным избыточным тепловым потоком от установленных на панелях узлов и агрегатов. В случае, когда не все приборы включены (не все источники тепла задействованы) может потребоваться дополнительный расход энергии для нагрева "приборной" и других указанных в прототипе панелей. Иначе можно переохладить указанные приборы и агрегаты.

Обеспечение размещения корпусов теплонагруженных приборов и агрегатов (в частности корпусов МВАБ) на силовой панели двигательного блока позволяет оптимизировать компоновку отсеков КА, минимизировать при этом массу дополнительных конструкций для установки указанных корпусов и усиление прочности корпуса самого КА.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в космических аппаратах (КА) на геостационарной или высокоэллиптических орбитах. Предлагаемый КА содержит модульный корпус с выступающими элементами. Две противоположные грани каждого модуля служат радиаторами со встроенными тепловыми трубами. В модулях расположены двигательный блок и часть (числом n) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры. При этом другая часть (числом k) указанных узлов (например, металл-водородных аккумуляторных батарей) и приборов прикреплена к двигательному блоку и теплоизолирована от первой их части. Данные узлы и приборы крепятся к двигательному блоку кронштейнами на теплоизолирующих прокладках. Сам блок выполнен в виде трехслойной сотовой панели, внутри которой проложены тепловые трубы (ТТ) с нагревателями. Каждый из k-x узлов и приборов имеет тепловой контакт с охватывающей их аксиальной U-образной ТТ. Эта ТТ контактирует с испарителем контурной ТТ, соединенным паропроводом с радиатором-излучателем, сообщенным через конденсатопровод контурной ТТ с ее испарителем. Радиаторы-излучатели установлены за границами зон их затенения, со стороны открытого космоса, выступающими элементами КА. Технический результат изобретения состоит в повышении хладопроизводительности системы терморегулирования КА и уменьшении вследствие этого ее массы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Космический аппарат с регулярной ориентацией относительно Солнца, содержащий корпус с выступающими элементами конструкции, состоящий из установленных вдоль продольной оси модулей, две противоположные грани каждого из которых, являющиеся радиаторами со встроенными тепловыми трубами, развернуты от направления на Солнце, при этом в модулях расположены n (n=1, 2, ...) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, двигательный блок с двигателями системы коррекции, ориентации и стабилизации, топливными баками и магистралями подачи рабочего тела, отличающийся тем, что к двигательному блоку прикреплены k (k=1, 2, ...) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, теплоизолированных экранно-вакуумной теплоизоляцией от n-х теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, причем указанные k-e узлы и приборы бортовой аппаратуры крепятся к двигательному блоку кронштейнами, устанавливаемыми на теплоизолирующие прокладки, а двигательный блок выполнен в виде трехслойной панели, состоящей из двух установочных плоскостей с сотовым наполнителем, внутри которой проложены тепловые трубы с нагревателями, каждый из k-x узлов и приборов бортовой аппаратуры охвачен аксиальной U-образной тепловой трубой, имеющей тепловой контакт с их корпусами, при этом каждая из аксиальных тепловых труб, в свою очередь, имеет тепловой контакт с испарителем контурной тепловой трубы, выход которого через паропровод соединен с входом радиатора-излучателя, а выход радиатора-излучателя через конденсатопровод контурной тепловой трубы соединен с входом испарителя этой тепловой трубы, при этом радиаторы-излучатели установлены в плоскостях, параллельных граням, развернутым от направления на Солнце, за границами зон затенения выступающими элементами конструкции открытого для радиаторов-излучателей космоса.2. Космический аппарат по п.1, отличающийся тем, что указанные теплонагруженные узлы выполнены в виде корпусов металлводородных аккумуляторных батарей из цельных силовых плит сотовой конструкции, в цилиндрических отверстиях которых установлены металлводородные аккумуляторы.