СПОСОБ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ С ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯМИ НА ПРИБОРНЫХ ПАНЕЛЯХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2008 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к космической технике и может использоваться в системах терморегулирования космических аппаратов (КА).

Известны способы терморегулирования радиационных приборных панелей КА при помощи жидкостных трактов теплоносителя, расположенных внутри указанных панелей, см. [1]. Циркулирующий внутри трактов теплоноситель обеспечивает отвод тепла от приборов на радиационную панель, обеспечивающую внешний теплообмен излучением с окружающим космическим пространством. Величина сбрасываемого тепла определяется величиной поверхности панели, ее радиационными характеристиками и температурой теплоносителя. Регулирование сброса тепла осуществляется за счет изменения температуры панели. В свою очередь, температура панели регулируется циркуляцией теплоносителя. При высокой тепловой нагрузке циркуляция теплоносителя максимальна, а при низкой - минимальна. Массовый расход теплоносителя в жидкостных трактах регулируется скоростью вращения насосов.

В процессе терморегулирования указанной приборной панели температура в зонах установки приборов относительно равномерно распределяется по поверхности панели. При этом отсутствуют большие градиентные перепады температур в зонах, а вместо них осуществляется постепенный переход от одного температурного поля к другому с постоянным увеличением температуры в местах установки приборов с большим собственным тепловыделением.

Недостатком является наличие дополнительной массы, прежде всего приходящейся на насосные агрегаты, и понижение отказоустойчивости системы терморегулирования. У систем такого типа существует опасность метеоритного пробоя или разгерметизации всего одной трубки, после чего контур системы терморегулирования в целом выходит из строя.

Известен способ терморегулирования тепловых труб с электронагревателями, установленными на приборных панелях КА, см. [2], выбранный в качестве прототипа, при реализации которого не требуется затрат энергии на прокачку теплоносителя; не задействованы движущиеся части, поэтому ТТ более надежны и бесшумны; приборная панель с использованием ТТ более надежна по отношению к внешним воздействующим факторам и способна обеспечить высокую теплопроводность между источниками тепла и стоками, что дает возможность использовать меньшие поверхности и, следовательно, снизить массу панели и КА в целом.

Способ терморегулирования ТТ с ЭН включает в себя измерение температур в зонах размещения тепловых труб с электронагревателями на приборных панелях КА. Сравнение температур с нижними и верхними значениями их допустимых пределов и подвод тепла в зонах установки приборов на панелях при выходе измеренных температур на предельные нижние значения и до момента достижения указанными температурами верхних предельных значений. При этом регулирование температур осуществляется за счет включения-отключения электронагревателей (ЭН), установленных на тепловых трубах.

При соответствующем проектировании системы терморегулирования (СТР) с тепловыми трубами (ТТ) более эффективны в тепловом отношении, более надежны и имеют меньший вес по сравнению с СТР, содержащими жидкостные контура.

К недостаткам способа-прототипа управления терморегулированием ТТ с ЭН на приборных панелях КА можно отнести то, что температурное регулирование производится только в зоне каждой ТТ, при этом не учитываются тепловые потоки от самих приборов, а также температурное влияние соседних зон.

За счет этого на приборных панелях могут возникать большие скорости изменения температур на плоскостях установки приборов, с термоциклированием зон установки приборов.

Указанные недостатки негативно сказываются на работе приборов, установленных на панелях - приводят к повышенной деградации приборов и способствуют их отказам.

Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является продление срока эксплуатации КА за счет исключения неблагоприятных циклических воздействий температур с высокими скоростями изменения на приборный состав в зонах его установки на панелях и уменьшение тем самым вероятности отказов систем.

Для достижения технического результата в способе терморегулирования тепловых труб с электронагревателями на приборных панелях космических аппаратов, включающем измерение температур в зонах размещения тепловых труб с электронагревателями, сравнение температур с их нижними и верхними допустимыми значениями и подвод тепла к панелям в зонах установки приборов с помощью электронагревателей при достижении измеренными температурами их предельных нижних значений до момента достижения указанными температурами верхних предельных значений, в отличие от известного в моменты времени воздействия на панели попеременно изменяющимися внешними тепловыми потоками при выключенных приборах производят измерения скоростей изменения температур в зонах установки приборов, сравнивают измеренные значения скоростей изменения температур с допустимыми для них значениями в зонах с учетом тепловой энергии, подводимой с помощью электронагревателей, и в случае, если измеренные скорости изменения температур не превышают своих допустимых значений, осуществляют их поддержание, в противном случае в момент начала убывания температур осуществляют последовательные включения электронагревателей до достижения допустимых значений скоростей изменения температур вплоть до выравнивания их в зонах, а в момент начала возрастания температур осуществляют последовательные отключения электронагревателей до достижения допустимых значений скоростей изменения температур вплоть до выравнивания их в зонах, далее производят вышеуказанное поддержание температур с помощью электронагревателей, при этом фиксируют мощность включаемых электронагревателей и моменты времени их включения и выключения, а перед включением приборов определяют величину выделяемой ими суммарной тепловой энергии на интервалах совместной работы приборов, по фиксированной мощности включаемых электронагревателей и по указанным моментам времени определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую электронагревателями, расположенными в зонах включения приборов, при поддержании допустимых скоростей изменения температур на интервалах совместной работы приборов, сравнивают величины тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, и в том случае, если тепловая энергия, получаемая от приборов, превышает или равна тепловой энергии, получаемой от электронагревателей, производят отключение электронагревателей в зонах установки включаемых приборов, а в случае, если тепловая энергия, выделяемая электронагревателями, больше определенной величины тепловой энергии, выделяемой приборами, определяют разность между значениями указанных энергий и изменяют значения подводимой тепловой энергии на определенную разность с помощью электронагревателей в зонах установки работающих приборов на интервалах их совместной работы, кроме того, в процессе работы приборов контролируют измеренные значения температур в зонах их установки и в случае достижения температурами верхних предельных значений при включенных электронагревателях производят их отключения до достижения измеренными скоростями изменения температур значений ниже допустимых скоростей изменения и достижении при этом в зонах установки приборов температурных значений в пределах допустимого диапазона, в случае отключенных электронагревателей в зонах работающих приборов производят их отключение в соседних зонах до получения указанных значений скоростей изменения температур и самих температур, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по нижним допустимым значениям температур и скоростей изменения температур, далее для очередных интервалов совместной работы приборов повторно сравнивают значения тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, по результатам сравнения осуществляют вышеуказанным образом повторное изменение температур с помощью электронагревателей, при этом в случаях дополнительных изменений внешних тепловых потоков, воздействующих на панель, производят по измеренным значениям скоростей изменения температур дополнительные изменения режимов включения и выключения электронагревателей до получения допустимых значений скоростей изменения температур и осуществляют поддержание вышеуказанных температур с помощью электронагревателей с учетом нового распределения скоростей изменения температур, а при постоянной работе приборов уменьшают подвод тепла в зонах их установки путем отключения электронагревателей в указанных зонах, измеренные значения температур в зонах с постоянно работающими приборами сравнивают с их допустимыми верхними и нижними предельными значениями и в случае достижения температурами нижних предельных значений, осуществляют подвод тепла в зоны путем включения электронагревателей до достижения скоростями изменения температур их допустимых значений и до достижения температурами пределов допустимого диапазона, а при достижении температурами верхних предельных значений уменьшают поток тепловой энергии в зонах установки постоянно работающих приборов путем отключения электронагревателей в соседних зонах до достижения скоростями изменения температур их допустимых значений и достижения температурами пределов допустимого диапазона, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по допустимым значениям скоростей изменения температур и по нижним предельно допустимым значениям температур, сравнивают измеренные значения скоростей изменения температур в зонах, с учетом тепловой энергии, подводимой электронагревателями и включенными приборами, с допустимыми для них значениями, и в случае, если измеренные указанные скорости не превышают своих допустимых значений производят поддержание температур, в противном случае в момент начала убывания температур осуществляют последовательные включения электронагревателей до достижения скоростями изменения температур своих допустимых значений вплоть до выравнивания температур в зонах, а в начальный момент возрастания температур осуществляют последовательное отключение электронагревателей до достижения скоростями изменения температур допустимых для них значений, вплоть до выравнивания температур в зонах, далее производят поддержание вышеуказанных температур с помощью электронагревателей, а в случае подключения других приборов определяют величины выделяемых ими тепловых энергий, на интервалах с заданными моментами времени их включения и выключения, определяют величину тепловой энергии, выделяемой включенными электронагревателями на указанных интервалах, сравнивают значения тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и включенными электронагревателями, и в том случае, если тепловая энергия, получаемая от приборов, превышает или равна тепловой энергии, получаемой от электронагревателей, отключают электронагреватели в зонах подключаемых приборов, а в случае, если тепловая энергия, выделяемая электронагревателями, больше тепловой энергии, выделяемой приборами, определяют разность между значениями указанных энергий и изменяют значения подводимой тепловой энергии на определенную разность с помощью электронагревателей в зонах установки подключаемых приборов на интервалах их совместной работы, сравнивают измеренные значения температур в зонах с постоянно включенными и подключаемыми приборами с их верхними и нижними предельными значениями, а также измеренные значения скоростей изменения температур, учитывающие тепловую энергию, подводимую электронагревателями, с допустимыми скоростями изменения температур и осуществляют изменение температур с помощью электронагревателей на приборных панелях, так же как и для случаев с постоянно работающими приборами, а после полного или частичного отключения приборов цикл изменения температур с помощью электронагревателей производят вышеуказанным образом в зависимости от числа работающих приборов в зонах и в соответствии с вышеприведенными условиями.

Полученный технический результат позволяет уменьшить вероятность отказов бортовых систем и тем самым продлить срок эксплуатации КА на орбите.

Для объяснения сути предлагаемого технического решения введены фиг.1 - 4.

На фиг.1 представлен фрагмент радиационной приборной панели КА с ТТ и ЭН.

На фиг.2 представлен график изменения температуры в зоне установки приборов при воздействии на панель попеременно изменяющегося внешнего теплового потока, Т (τ).

На фиг.3 представлен график изменения температуры в зоне установки приборов при включении ЭН для достижения температурами значений допустимого диапазона, Т (τ).

На фиг.4 представлен график изменения выравненной температуры в зоне установки приборов, Т (τ).

На фиг.1 введены обозначения:

1 - приборная панель;

2 - приборы, установленные на панели;

3 - ТТ;

4 - ЭН;

5 - температурные датчики (ДТ).

Дополнительно введены обозначения 1-й - 4-й зон для установки приборов. Каждая зона определена границами участка расположения группы приборов, а также расположенными в ней ТТ 3 с ЭН 4. В зонах размещения ТТ 3 на приборной панели 1 установлены ДТ 5.

Тепловая энергия на радиационную панель в зоны размещения приборов может подводиться как при помощи ЭН, установленных на ТТ, так и внешним тепловым потоком от лучистой энергии Солнца на наружную часть радиационной панели с определенными характеристиками ее покрытий (коэффициентом поглощения солнечного излучения (A_S) и степенью черноты поверхности (ε)). Площадь радиационной панели, являющейся радиатором системы обеспечения теплового режима, выбирается из условия обеспечения сброса выделяемого приборами тепла при максимально допустимой температуре панелей КА под приборами в конце требуемого периода его штатной эксплуатации (в соответствии с прогнозом деградации на радиаторах с учетом возможного загрязнения в полете при максимальном тепловыделении приборов и максимально возможных внешних тепловых потоков от Солнца).

Учитывая недостаточную теплопроводность как правило облегченной конструкции сотовых панелей вдоль их плоскостей, они разбиваются на зоны, для которых расчет необходимой площади радиатора производится индивидуально с учетом тепловыделения аппаратуры, установленной в этой зоне. Для повышения эффективности радиаторов и выравнивания поля температур по зоне, в ней внутри панели устанавливаются с определенным шагом ТТ, см. [2]. Затем по результатам тепловакуумных наземных испытаний КА площадь радиаторов уточняется и в случае ее избытка закрывается экрано-вакуумной тепловой изоляцией (ЭВТИ).

ТТ за счет переноса тепловой энергии производят перераспределение неравномерных тепловых потоков, полученных как от приборов, так и от ЭН до выравнивания температуры в зонах на радиационных панелях. Для того чтобы при управлении тепловыми потоками можно было учитывать имеющиеся, как правило, незначительные градиенты температур распределенные по поверхности и внутри панели, в разных местах зон устанавливается по несколько ТД, см. фиг.1. Число ТД определяется на этапе проектирования панели для контроля степени неравномерности распределения температур. А управление подводом тепла в зону от ЭН осуществляется по среднему температурному значению, рассчитанному по измеренным значениям температур в разных точках зоны.

Выбранная мощность нагревателей СТР является необходимой для предельных наиболее «холодных» условий эксплуатации КА. При этом она будет избыточной для промежуточных внешних тепловых условий и режимов работы бортовой аппаратуры. Поэтому предусмотрено активное автоматическое управление работой ЭН ТТ путем их включения и выключения по командам, вырабатываемым бортовым контуром управления СТР. Панели КА условно разбиваются на зоны обогрева с учетом компоновки аппаратуры и ее тепловыделения. В каждой зоне обогрева управление ЭН осуществляется независимо от других зон.

Таким образом, реализована гибкая возможность настройки режима работы ЭН ТТ, позволяющая управлять минимальной температурой, поддерживаемой в зонах обогрева, частотой включения ЭН, амплитудой колебания температуры в месте установки управляющих ТД, а также позволяющая учитывать и нейтрализовать негативное тепловое влияние приборов и нагревателей в соседних зонах обогрева (если оно проявляется) и исключить аномально работающие ДТ и группы ЭН.

В предлагаемом техническом решении принимают допущения о квазиравномерном распределении температур в зоне размещения ТТ с ЭН. Далее рассматриваются скорости изменения указанных температур (dT/dτ), при этом пренебрегаем неоднородностью градиентов распределения температур в пределах зоны в элементах конструкции, из которых состоит приборная панель.

Допустим, что панель освещена Солнцем и на нее воздействуют попеременно изменяющиеся внешние тепловые потоки, связанные только с ориентацией ее на Солнце. Тепловыми потоками от других внешних источников энергии пренебрегаем. Такие допущения можно отнести, например, к восточной и западной приборным панелям геостационарного спутника связи (ГСС), см. [2].

Указанные потоки приводят к постранственно-временной неоднородности тепловой нагрузки. Для указанного случая представлен пример графика распределения равновесных температур в одной из зон панели на фиг.2. При этом приборы и ЭН, установленные в зоне, выключены.

Мощность поглощаемого теплового потока от лучистой энергии Солнца, приходящегося на единицу площади указанных панелей, можно определить по выражению:

,

где q_s - поверхностная плотность теплового потока от лучистой энергии Солнца, (Вт/м²);

γ - угол между нормалью к поверхности панели и направлением на Солнце, γ=f(w, τ), |γ|≤90 угл. град;

w - орбитальная скорость ГСС.

А мощность излучаемого теплового потока, приходящегося на единицу площади, определяется по выражению:

,

где σ₀ - постоянная Стефана-Больцмана [Вт/(м²·К⁴)];

Т - температура поверхности панели, К.

Угол γ в текущие сутки полета зависит не только от w, но и от угла возвышения Солнца над экватором, который изменяется в зависимости от дат солнцестояния до равноденствия, сезонно попеременно в пределах ±23,5 угл. град.

Однако при поддержании орбитальной ориентации ГСС для нескольких суток его полета на восточной и западной приборных радиационных панелях наблюдаются в зонах на одних и тех же интервалах полетного времени постоянные скорости изменения (дрейфа) температур. При этом приборы и электронагреватели ТТ находятся в выключенном состоянии. В таких случаях внешние тепловые потоки принимаются как неизменные. Пример указанного дрейфа средней температуры на теплоотводящей поверхности в одной из зон приборной панели в виде графика Т (τ) на протяжении суток, представлен на фиг.2.

На неосвещенных для указанных панелей интервалах полета КА текущие значения температур могут достигать предельно низких величин.

Поэтому производят постоянное измерение температур в i-x зонах установки приборов, где i=1, 2, 3, ..., I - число зон, см. фиг.1, содержащих j-e ТТ с ЭН, где j=1, 2, 3, ..., J - число ТТ в зоне, на к-х приборных панелях КА, где к=1,2,3,..., К - число панелей, сравнение указанных температур с допустимыми их значениями и при достижении определенных нижних уровней температур, включают ЭН. А при достижении верхних допустимых, настраиваемых для ЭН уровней, отключают их.

На фиг.3 показан пример изменения температуры Т (τ) в той же зоне, что и на фиг.2 при включении ЭН с 22:45:00 текущих суток до 03:20:00 последующих суток по декретному московскому времени (ДМВ). При этом ЭН настроен на работу в пределах температурного диапазона (-2, ..., +4)°С. Таким образом обеспечивается поддержание температур, превышающих нижнее предельное значение -2°С.

Имеющееся колебание температуры демпфируется теплоемкими основаниями приборов, установленных в зоне на панели. А изменение скорости температуры в зоне оценивается по среднему ее значению. Как видно из графика на фиг.3 на указанном интервале полетного времени среднее значение выравненной температуры имеет примерно постоянное значение, соответствующее ˜0°С.

Таким образом, для одних и тех же попеременно изменяющихся внешних тепловых потоков, воздействующих на панели, и выключенных приборах осуществляют выравнивание средних температур в i-x зонах приборных панелей [(dT/dτ)_i≈0] до уровня нижнего предельно допустимого значения путем включения и выключения j-x ЭН. Фиксируют внешние тепловые потоки, например, по n-м ориентациям панелей на Солнце (к_n), при которых потоки можно принять за неизменные.

Для рассматриваемого случая, см.фиг.1, приборы 2, относящиеся к бортовому радиотехническому комплексу (БРК), могут быть выключены в начальный период полета ГСС, когда на спутнике проводятся тестовые проверки служебных систем.

Выравнивание температур панели производится путем настройки работы ЭН. При этом для управления каждым j-м ЭН устанавливается номинальное значение температуры его включения и верхнее значение температуры его выключения. Настройкой j-x ЭН 4, установленных на ТТ в i-x зонах, добиваются необходимого результата.

Далее производят измерения скорости изменения температур в зонах. Для этого используются дифференцирующие устройства, подключенные к выходам ТД. В качестве такого устройства, например, может быть использована бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ), к которой подключаются указанные датчики через цифровые адаптеры.

Сравнивают измеренные значения скоростей изменения температур в зонах с допустимыми для них значениями, с учетом тепловых потоков от работающих ЭН. И в случае, если измеренные скорости изменения температур не превышают допустимых значений, поддерживаем полученные температуры.

Пусть допустимое значение средней скорости изменения температуры в зоне |dT/dτ|≤2,5°С/ч, тогда для рассматриваемого примера (см. фиг.3), имеются интервалы полетного времени, где скорости убывания и возрастания температуры выше допустимого значения.

В таких случаях в момент начала убывания температур в зоне осуществляют последовательные включения ЭН до достижения допустимых значений скоростей изменения температур вплоть до выравнивания их в зоне, а в момент начала возрастания температур осуществляют последовательные отключения ЭН до достижения допустимых значений скоростей изменения температур вплоть до выравнивания их в зонах.

Пример указанного управления ЭН представлен на фиг.4, где показано изменение температуры в той же зоне, что и на фиг.3 после выравнивания ее среднего значения до ˜17,0°С. При этом последовательным включением ЭН в зоне, начиная с ˜10:30 по ДМВ, добиваются поддержания указанной температуры на интервале ее равномерного убывания. А начиная с ˜15:00 по ДМВ, ЭН работает непрерывно до ˜03::00 часов. Далее переводим режим работы ЭН в дискретный режим последовательных отключений, продолжая поддерживать среднее значение указанной температуры на заданном уровне.

При больших мощностях ЭН равномерный подвод тепловой энергии в зоны осуществляется за счет более частого включения - выключения нагревателей, а при меньших мощностях - более продолжительной их работы.

При поддержании равномерно распределенных по поверхности панели в различных ее зонах равновесных температур, фиксируют мощность включаемых j-x ЭН , располагаемых в i-х зонах на к-й панели при ее n-й ориентации (n-х попеременно изменяющихся однородных внешних тепловых потоках) и моменты времени включения и выключения ЭН.

Перед включением р-х приборов, расположенных в каждой из i-х зон на к-х панелях при n-й ориентации , определяют суммарную величину тепловой энергии, выделяемой указанными приборами на заданных m-х интервалах, где m=1, 2, 3, ..., - число заданных интервалов для предстоящих одновременных включений приборов продолжительностью

где - мощность тепловыделения прибором, где - число приборов, установленных в i-x зонах на к-й панели при n-й ориентации.

Мощность тепловой энергии, выделяемой каждым из указанных приборов, величина, как правило, известна.

Если прибор находится в нескольких зонах (см., например, размещение прибора в 3-й и 4-й зонах на фиг.1), его тепловыделение пропорционально делится на число зон.

Пусть в 1-й зоне (i:=1), см. фиг.1, на 1-й панели (к:=1) находятся два прибора (р:=1, р:=2), при заданной 10-й ориентации панели на Солнце. При этом мощность тепловыделения первого прибора составляет 15 Вт, а второго 25 Вт. С учетом введенных обозначений , .

Заданные в программе полета КА моменты времени на включение и выключение приборов позволяют, например, определить продолжительности включения первого и второго приборов составляющую соответственно 30 мин и 50 мин. Тогда с учетом введенных обозначений:

где m:=1 - первый интервал одновременных включений первого и второго приборов в первой зоне.

В соответствии с (3) суммарная энергия тепловыделения приборов составляет

На последующем интервале (m:=2) будет включен один из приборов с тепловыделением

Далее определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую j-ми ЭН, расположенными в i-x зонах на к-х панелях при их n-й ориентации на Солнце на интервалах включения приборов при поддержании допустимых скоростей изменения температур на заданном m-м интервале

В первой зоне, см. фиг.1, установлено на ТТ два ЭН, мощность каждого 20 Вт. Поскольку зона «крайняя» на панели для поддержания равномерно распределенных температур в зоне и на панели в целом, оба нагревателя были, например, постоянно включены. С учетом ранее принятых обозначений .

В общем случае мощность нагревателей может быть не постоянной, а регулируемой и должна выбираться в зависимости от ориентации панелей на Солнце. При "затененных" панелях мощность выбирается более высокой, а при освещении их Солнцем - должна понижаться.

По (4) определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую двумя электронагревателями ТТ, расположенными в 1-й зоне при поддержании равномерно распределенных температур на интервале m=1 одновременного включения приборов:

Далее сравнивают и и в случае выполнения условия

отключают все j-e ЭН в i-x зонах перед включением приборов.

В конкретном примере тепловые энергии, выделяемые ЭН и включаемыми приборами, равны. Следовательно, выравненное распределение температур в зоне будет обеспечиваться за счет тепловой энергии, выделяемой работающими приборами. При этом предполагаем, что теплообмен между установочной поверхностью прибора и панелью происходит путем теплопроводности, а теплообмен излучением отсутствует. При укрытии наружных поверхностей приборов теплоизоляцией ЭВТИ, такие условия могут быть соблюдены.

А если условие (5) не выполняется, определяют разность между указанными величинами энергий и на полученную величину этой разности производят равномерный подвод тепловой энергии в зоны установки работающих приборов на m-х интервалах заданной продолжительности.

Допустим, что мощность каждого из ранее рассмотренных ЭН составляла 30 Вт.

Тогда мощности тепловыделения приборов в рассмотренном ранее примере для поддержания равномерно распределенных температур в зоне становится недостаточно. Указанная разница составляет 20 Вт, а для рассматриваемого интервала дефицит тепловой энергии составляет 10 Вт·ч.

Для поддержания температур в зоне за счет последовательного включения каждого из ЭН продолжительностью ˜10 мин, с паузой между включениями ˜10 мин, можно ликвидировать указанный недостаток тепловой энергии. Для более равномерного подвода тепла в зону можно увеличить дискретность работы ЭН, сохранив при этом их общую суммарную продолжительность работы ˜20 мин.

При работающих приборах в зоне продолжают контроль над температурами. В случае, если при включенных ЭН начинается рост температур в зоне, то при достижении ими верхних предельных значений отключают ЭН. Указанный рост может быть связан с нестабильностью в тепловыделении работающих приборов. Например, на начальном временном интервале выхода на режим некоторых из приборов происходит большее тепловыделение, чем при установившемся режиме работы. Связано это с тем, что существуют "форсированные" разогревы приборов внутренними ЭН.

В таких случаях верхние предельные температуры могут задаваться несколькими пороговыми значениями, связанными с режимами работы приборов. Последовательные отключения ЭН осуществляют также, если скорость изменения температур в зоне превышает допустимые значения, см. фиг.4.

А в случае, когда ЭН в зоне отключены и наблюдается рост температур, охлаждение необходимо производить за счет соседних зон.

Очевидно, что с помощью теплопроводности происходит передача тепловой энергии между зонами, приводящая к изменениям температур, прежде всего в соседних зонах. Поэтому, по мере роста температур в рассматриваемой зоне, необходимо оценивать влияние происходящих процессов на соседние зоны.

И, если температура в рассматриваемых зонах начинает расти при включенных в соседних зонах ЭН, необходимо уменьшить теплоприток от них. Осуществляется это полным или частичным отключением ЭН. Однако указанные отключения не должны нарушать условия термостатирования соседних зон по допустимым значениям температур и скоростям их изменения. Прежде всего здесь может идти речь об охлаждении соседних зон ниже предельно допустимого уровня. Поэтому, по мере достижения указанных нижних температур, включают ЭН и поддерживают равномерное распределение температур в зоне регулирования на достигнутом уровне до завершения работы включенных приборов. При этом учитывают скорость изменения температур в зоне и, в случае превышения скоростью допустимых значений, последовательной выборкой числа включений ЭН добиваются получения допустимых значений.

При одновременном включении приборов в нескольких смежных зонах учитывается взаимное температурное влияние соседних зон. Поскольку каждая радиационная панель рассчитывается на максимальную тепловую нагрузку от включенных приборов при отключенных ЭН, то отключением нагревателей можно достичь температурного уровня ниже верхних предельно допустимых значений.

До завершения работы приборов на m-м интервале производят оценку тепловых потоков для (m+1)-го интервала и в зависимости от выполнения условия (5), в начале очередного интервала, производят вышеуказанным образом повторное терморегулирование приборных панелей КА с помощью ЭН, установленных на ТТ.

В случае изменения внешних тепловых потоков, воздействующих на панели, производят повторные циклы по выравниванию тепловых потоков в зонах на нижних предельных уровнях температур, принадлежащих допустимому диапазону, и осуществляют поддержание вышеуказанных температур с помощью ЭН с учетом нового распределения скоростей изменения температур.

В рассматриваемом примере "существенное изменение внешнего теплового потока", воздействующего на панель, можно считать при изменении угла γ на ˜4°, см. [1], а также сезонном изменении q_sm на ˜3% от текущего значения.

В случае продолжительной постоянной работы приборов на панелях уменьшают подвод тепла в зоны их установки путем отключения ЭН указанных зон.

Если предположить, что приборный состав, расположенный на панели (см. фиг.1), относится к БРК ГСС, то после тестирования бортовых ретрансляторов их включают на постоянную работу.

Следовательно, указанные приборы самостоятельно, постоянно нагревают панель до определенного равновесного состояния. В таких случаях дополнительные суточные изменения температур при попеременно изменяющихся внешних тепловых потоках будут зависеть, в основном, от освещенности панели Солнцем, зависящей, в свою очередь, в годовых циклах от изменяющегося его угла возвышения над экватором.

Поэтому после отключения ЭН измеренные температуры в зонах сравнивают с их допустимыми верхними и нижними предельными значениями. В случае достижения температурами нижних допустимых пределов, осуществляют равномерный подвод тепла в зоны путем включения ЭН до получения температур в зонах выше нижних предельных значений, принадлежащих допустимому диапазону. Охлаждение панели до нижних предельных температур при работающих приборах возможно лишь в том случае, если она на продолжительных интервалах времени не освещается Солнцем. При этом дополнительно контролируют скорости изменения температур и с помощью включения-отключения ЭН добиваются получения для них допустимых значений.

Например, пусть приборы находятся на западной или на восточной панелях ГСС, см. [2], при изменении наклонения Солнца над экватором со стороны южного или северного полушария Земли.

В каждом из таких случаев, за счет тепловых потоков от ЭН выравнивают температуры в зонах на уровнях выше нижнего допустимого значения, соблюдая при этом принцип необходимой достаточности расходования электроэнергии на указанный нагрев.

По мере роста температур на панелях, при переходе наклонения Солнца от экватора к крайним точкам стояния, уменьшают тепловые потоки в зоны установки приборов за счет частичного отключения ЭН, вплоть до их полного выключения.

В случаях достижения температурами верхних допустимых пределов в отдельных зонах уменьшают поток тепловой энергии в зону установки работающих приборов путем отключения ЭН в соседних зонах.

Для рассматриваемого примера такой случай возможен лишь тогда, когда в соседних зонах ЭН были включены и выключены приборы. Если же приборы были выключены во всех зонах и был достигнут предельный температурный уровень, то указанную ситуацию необходимо рассматривать как нештатную. За собой она влечет принудительное отключение части приборов для уменьшения тепловой нагрузки на приборную панель.

В случае изменения тепловых потоков соседних зон, вышеуказанным образом исключают влияния, нарушающие их условия термостатирования путем настройки, например, ЭН соседних зон для работы на более низком уровне.

Возможно также в определенных зонах попеременное включение приборов на заданных временных интервалах. В таком случае осуществляют подвод тепловой энергии от ЭН на ТТ установленных в указанных зонах на интервалах продолжительностью где - интервал одновременного отключения приборов, на величину

где - мощность тепловыделения отключаемыми приборами, где - число приборов, отключаемых в i-x зонах на к-й панели при n-й ориентации, при этом

В процессе подвода указанной энергии, осуществляют ее равномерное распределение по всему заданному интервалу продолжительностью за счет настройки работы ЭН. При этом дополнительно контролируют скорость изменения температур и путем изменения дискретности включения ЭН добиваемся получения допустимых изменений указанной скорости. Для этого в начальный момент возрастания температур осуществляют последовательное отключение ЭН до достижения скоростями изменения температур, допустимых для них значений, вплоть до выравнивания температур в зонах, см. фиг.4.

Например, в 1-й зоне, на 1-й панели постоянно работает 1-й прибор мощностью а 2-й прибор, мощностью периодически включается и выключается с интервалом в 4 часа.

Тогда на время отключения 2-го прибора для выравнивания температур в зоне при помощи ЭН необходимо на 4-х часовом интервале подвести 100 Вт·ч тепловой энергии. Поскольку в зоне стоит два ЭН, мощностью каждый 20 Вт, то равномерный подвод можно осуществить непрерывной работой одного из них (всего 80 Вт·ч), с подключением второго ЭН в дискретном режиме работы при общей продолжительности 1 час. При этом включения второго ЭН производятся в начале каждого часа интервала на 15 мин.

Если указанная дискретность включения-выключения второго ЭН будет приводить к скоростям изменения температур, не соответствующим техническим требованиям для эксплуатации приборов, то частоту включений ЭН можно увеличить при сохранении общей продолжительности его работы. Изменением указанной частоты добиваемся необходимой достаточности включения ЭН для допустимых изменений температур в зоне установки приборов.

В процессе управления тепловыми потоками продолжают контролировать температуры в зонах. Для этого измеренные значения температур сравнивают с верхними и нижними предельными значениями. И в случае достижения температурами нижнего предельного значения включают ЭН и осуществляют равномерный подвод тепловой энергии в зоны установки включенных приборов на m-х интервалах заданной продолжительности до получения значений выравненных температур выше указанного уровня.

А в случае достижения верхнего предельного значения уменьшают поток тепловой энергии в зоны установки приборов. Для этого уменьшают продолжительность включения ЭН на промежуточных интервалах отключения приборов, вплоть до их полного отключения. После получения температур ниже верхнего предельного уровня, за счет дискретности включения ЭН, выравнивают температуры в зонах. При этом одновременно добиваются, чтобы скорости изменения температур, вызванные работой ЭН в зонах расположения приборов, не превышали допустимых для них изменений в соответствии с эксплуатационными требованиями.

В случае дальнейшего повышения температур в зонах после полного отключения ЭН, уменьшают поток тепловой энергии путем отключения ЭН в соседних зонах до получения выравненных температур меньше верхних допустимых значений в пределах допустимого диапазона. Отключение ЭН в соседних зонах проводим с необходимой достаточностью, обеспечивающей их термостатирование. Поскольку уменьшается величина тепловых потоков в соседних зонах, то охлаждение не должно приводить к нарушению нижних предельно допустимых границ в указанных зонах.

Далее в процессе управления ЭН, учитывают каждый раз полное или частичное отключение приборов. При этом учитываем изменения температур в зонах и с помощью ЭН производим вышеуказанным образом выравнивание скоростей изменения температур в них в пределах допустимого диапазона термостатирования.

Рассмотренный пример с радиационной приборной панелью является наиболее типичным для терморегулирования ТТ с ЭН. Однако предложенный способ может использоваться и в любых других системах охлаждения авиаэлектроники, снабженных ТТ с ЭН, см. [3].

Известно, что ряд приборов содержит в себе свои собственные контура термостатирования. Например, два контура термостатирования содержит гироскопический измеритель вектора скорости: первый контур термостатирования основания прибора и второй контур термостатирования (прецизионный) чувствительного элемента прибора, см. [4].

Контур термостатирования основания представляет собой реверсивную систему, работающую в режиме подогрева основания, в диапазоне температур в зоне установки прибора 0-15°С, и в режиме охлаждения основания, в диапазоне температур в указанной зоне 15-35°С.

В каждом цикле изменения температур в зоне установки прибора происходят (см. фиг.2) пересечения пограничной температуры 15°С. Указанный температурный режим приводит к колебательным температурным процессам внутри прибора.

Различного рода тепловые переходные процессы, например, могут нарушить схему управления тепловой мощностью системы термостатирования блока чувствительных элементов и привести к ее отказу.

К замечаниям могут также привести усталостные дефекты в материалах приборных элементов, вызванные воздействием на них объемного и линейного температурных расширений, а также проявлением «эффекта температурной памяти формы» интерметаллическими соединениями, которые прибор может содержать.

Указанные изменения будут носить явно не расчетный характер и могут привести к отказу прибора. Подвергнуть прибор испытаниям на земле с целью проверки на отказоустойчивость, полностью имитируя при этом указанные температурные условия эксплуатации в условиях космического полета, практически не возможно. В этом и заключается не расчетность ситуации.

Как показывает опыт эксплуатации, в условиях космического полета электроника бортовой аппаратуры КА систематически подвергаемая отрицательным температурным воздействиям, указанным на фиг.2, более быстро выходит из строя или более быстро ухудшаются ее выходные рабочие характеристики, чем в случаях поддержания в зонах установки приборов выравненных температур (см. фиг.4). Тем самым, убрав указанные негативные температурные факторы, повышаем надежность в работе бортовых систем КА и продлеваем срок его эксплуатации.

Литература

1. Акчурин В.П. и др. Система терморегулирования космического аппарата. Патент РФ 2221733.

2. Ашурков Е.А. и др. Космический аппарат блочно-модульного исполнения. Патент РФ 2092398.

3. Навигация, наведение и стабилизация в космосе. Изд. Машиностроение. Москва. 1970 г.

4. Гироскопический измеритель вектора угловой скорости КА. РКК «Энергия» им. С.П.Королева, 1999 г.

Изобретение относится к области терморегулирования космических аппаратов. Предлагаемый способ включает поддержание температур в зонах установки приборов в заданных переделах, а также измерение скоростей изменения данных температур. В зависимости от этих скоростей включают или отключают электронагреватели тепловых труб в указанных зонах, поддерживая допустимые значения данных скоростей. Перед включением приборов определяют выделяемую ими суммарную тепловую энергию, а также суммарную тепловую энергию, выделяемую электронагревателями. В результате сравнения этих энергий либо отключают электронагреватели, либо изменяют на определенную разность значения тепловой энергии, подводимой к зонам установки работающих приборов. При достижении в этих зонах верхних пределов температур электронагреватели отключают до падения скоростей изменения температур ниже допустимых. Таким же образом отключают электронагреватели в соседних зонах, исключая температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по нижним температурным пределам. Для очередных интервалов совместной работы приборов повторно изменяют температуры с помощью электронагревателей. При изменении внешних тепловых потоков, воздействующих на панель, соответственно изменяют режимы включения и выключения электронагревателей, поддерживая температуры в зонах с учетом нового распределения скоростей изменения температур. Действия, подобные описанным выше, производят и при постоянной работе приборов, а также в случае подключения других приборов. После полного или частичного отключения приборов цикл изменения температур производят вышеуказанным образом в зависимости от числа работающих приборов в зонах. Техническим результатом изобретения является продление срока эксплуатации космических аппаратов путем исключения неблагоприятных циклических воздействий температур. 4 ил.

Способ терморегулирования тепловых труб с электронагревателями на приборных панелях космических аппаратов, включающий измерение температур в зонах размещения тепловых труб с электронагревателями, сравнение температур с их нижними и верхними допустимыми значениями и подвод тепла к панелям в зонах установки приборов с помощью электронагревателей при достижении измеренными температурами их предельных нижних значений до момента достижения указанными температурами верхних предельных значений, отличающийся тем, что в моменты времени воздействия на панели попеременно изменяющимися внешними тепловыми потоками при выключенных приборах производят измерения скоростей изменения температур в зонах установки приборов, сравнивают измеренные значения скоростей изменения температур с допустимыми для них значениями в зонах с учетом тепловой энергии, подводимой с помощью электронагревателей, и в случае, если измеренные скорости изменения температур не превышают своих допустимых значений, осуществляют их поддержание, в противном случае в момент начала убывания температур осуществляют последовательные включения электронагревателей до достижения допустимых значений скоростей изменения температур вплоть до выравнивания их в зонах, а в момент начала возрастания температур осуществляют последовательные отключения электронагревателей до достижения допустимых значений скоростей изменения температур вплоть до выравнивания их в зонах, далее производят вышеуказанное поддержание температур с помощью электронагревателей, при этом фиксируют мощность включаемых электронагревателей и моменты времени их включения и выключения, а перед включением приборов определяют величину выделяемой ими суммарной тепловой энергии на интервалах совместной работы приборов, по фиксированной мощности включаемых электронагревателей и по указанным моментам времени определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую электронагревателями, расположенными в зонах включения приборов, при поддержании допустимых скоростей изменения температур на интервалах совместной работы приборов, сравнивают величины тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, и в том случае, если тепловая энергия, получаемая от приборов, превышает или равна тепловой энергии, получаемой от электронагревателей, производят отключение электронагревателей в зонах установки включаемых приборов, а в случае, если тепловая энергия, выделяемая электронагревателями, больше определенной величины тепловой энергии, выделяемой приборами, определяют разность между значениями указанных энергий и изменяют значения подводимой тепловой энергии на определенную разность с помощью электронагревателей в зонах установки работающих приборов на интервалах их совместной работы, кроме того, в процессе работы приборов контролируют измеренные значения температур в зонах их установки и в случае достижения температурами верхних предельных значений при включенных электронагревателях производят их отключения до достижения измеренными скоростями изменения температур значений ниже допустимых скоростей изменения и достижении при этом в зонах установки приборов температурных значений в пределах допустимого диапазона, в случае отключенных электронагревателей в зонах работающих приборов производят их отключение в соседних зонах до получения указанных значений скоростей изменения температур и самих температур, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по нижним допустимым значениям температур и скоростей изменения температур, далее, для очередных интервалов совместной работы приборов повторно сравнивают значения тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, по результатам сравнения осуществляют вышеуказанным образом повторное изменение температур с помощью электронагревателей, при этом, в случаях дополнительных изменений внешних тепловых потоков, воздействующих на панель, производят по измеренным значениям скоростей изменения температур дополнительные изменения режимов включения и выключения электронагревателей до получения допустимых значений скоростей изменения температур и осуществляют поддержания вышеуказанных температур с помощью электронагревателей с учетом нового распределения скоростей изменения температур, а при постоянной работе приборов уменьшают подвод тепла в зонах их установки путем отключения электронагревателей в указанных зонах, измеренные значения температур в зонах с постоянно работающими приборами сравнивают с их допустимыми верхними и нижними предельными значениями и в случае достижения температурами нижних предельных значений, осуществляют подвод тепла в зоны путем включения электронагревателей до достижения скоростями изменения температур их допустимых значений и до достижения температурами пределов допустимого диапазона, а при достижении температурами верхних предельных значений уменьшают поток тепловой энергии в зонах установки постоянно работающих приборов путем отключения электронагревателей в соседних зонах до достижения скоростями изменения температур их допустимых значений и достижения температурами пределов допустимого диапазона, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по допустимым значениям скоростей изменения температур и по нижним предельно допустимым значениям температур, сравнивают измеренные значения скоростей изменения температур в зонах, с учетом тепловой энергии, подводимой электронагревателями и включенными приборами, с допустимыми для них значениями, и в случае, если измеренные указанные скорости не превышают своих допустимых значений производят поддержание температур, в противном случае в момент начала убывания температур осуществляют последовательные включения электронагревателей до достижения скоростями изменения температур своих допустимых значений вплоть до выравнивания температур в зонах, а в начальный момент возрастания температур осуществляют последовательное отключение электронагревателей до достижения скоростями изменения температур допустимых для них значений, вплоть до выравнивания температур в зонах, далее производят поддержание вышеуказанных температур с помощью электронагревателей, а в случае подключения других приборов определяют величины выделяемых ими тепловых энергий, на интервалах с заданными моментами времени их включения и выключения, определяют величину тепловой энергии, выделяемой включенными электронагревателями на указанных интервалах, сравнивают значения тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и включенными электронагревателями, и в том случае, если тепловая энергия, получаемая от приборов, превышает или равна тепловой энергии, получаемой от электронагревателей, отключают электронагреватели в зонах подключаемых приборов, а в случае, если тепловая энергия, выделяемая электронагревателями, больше тепловой энергии, выделяемой приборами, определяют разность между значениями указанных энергий и изменяют значения подводимой тепловой энергии на определенную разность с помощью электронагревателей в зонах установки подключаемых приборов на интервалах их совместной работы, сравнивают измеренные значения температур в зонах с постоянно включенными и подключаемыми приборами с их верхними и нижними предельными значениями, а также измеренные значения скоростей изменения температур, учитывающие тепловую энергию, подводимую электронагревателями, с допустимыми скоростями изменения температур и осуществляют изменение температур с помощью электронагревателей на приборных панелях, так же как и для случаев с постоянно работающими приборами, а после полного или частичного отключения приборов цикл изменения температур с помощью электронагревателей производят вышеуказанным образом в зависимости от числа работающих приборов в зонах и в соответствии с вышеприведенными условиями.