СПОСОБ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК B64G1/50 B64G1/10 

Предлагаемое изобретение относится к космической технике и может использоваться в системах терморегулирования (СТР) автоматических космических аппаратов (КА) с приборными контейнерами из сотопанелей с применением тепловых труб (ТТ) или регулируемых тепловых труб (РТТ).

Каждый раз в процессе создания нового КА ведутся поиски лучших решений его компоновки и системы терморегулирования (СТР), которые позволяют обеспечивать рабочие температуры приборов в возможно более узком диапазоне, так как это повышает надежность их работы и КА в целом. Известно, что при снижении или повышении рабочей температуры бортовых приборов относительно их заданных средних температур на 10°С интенсивность их отказов увеличивается на 25% (см. Г.Н.Дульнев. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. Москва, "Высшая школа", 1984, с.7).

Известна платформа КА S B-44 (Jean J.Dechezelles, Dietric E Koelle gn and application of the AS/MBB Spasebus Famile AJAA 11 Communication Sattelite Sistems, March 17-20, 1986, pp.688-696. РЖ 41, 1986, реф.10.41.125-10.41.126). Платформа КА содержит негерметичный приборный контейнер в виде параллелепипеда с сотопанелями, выполненными в виде радиаторов-излучателей на северной и южной его сторонах, на внутренних сторонах которых установлены бортовые приборы. Во внутреннюю структуру радиаторов-излучателей встроены ТТ, посредством которых избыточное тепло отводится от приборов, распространяется по поверхностям (обшивкам) радиаторов-излучателей, с которых оно излучается в открытый космос.

В данном аналоге осуществлен способ терморегулирования КА, при котором осуществляют передачу избыточного тепла от приборов, установленных на внутренних поверхностях радиаторов-излучателей, к испарителям нерегулируемых ТТ и далее с их конденсаторов избыточное тепло отводят на радиаторы-излучатели с последующим излучением его в открытый космос. Так как приборы установлены непосредственно на радиаторах-излучателях, то частично избыточное тепло от приборов непосредственно нерегулируемо отводится на радиаторы-излучатели за счет теплопроводности его по элементам конструкции.

При таком способе терморегулирования, когда КА находится в режиме минимальных внутренних и внешних тепловых нагрузок, температура приборов понижается до предельно минимальных значений, при которых не обеспечивается достаточно надежная работа их, а в режиме максимальных тепловых нагрузок на КА рабочие температуры приборов повышаются до таких максимальных значений, при которых надежность работы приборов также не является достаточно высокой. Это обусловлено тем, что принцип работы данного устройства основан на применении нерегулируемых ТТ, а приборы непосредственно и без применения эффективных средств терморегулирования связаны непосредственно с радиаторами-излучателями.

Так как при штатной ориентации КА для более стабильного терморегулирования суммарная разница тепловых нагрузок между приборами, установленными на южном радиаторе-излучателе, и приборами, установленными на северном радиаторе-излучателе, обратно пропорциональна разнице внешних тепловых нагрузок на упомянутые радиаторы-излучатели, то в случае изменения штатной ориентации КА, например, при коррекции орбиты северный радиатор-излучатель может быть освещен Солнцем, а южный при этом будет находиться в затененном положении, это также приводит к исключению возможности обеспечения температуры приборов в диапазоне для их надежной работы.

Известна система терморегулирования по изобретению "Космический аппарат блочно-модульного исполнения" (патент RU №2092398, кл. В64G 1/10, приоритет 24.10.1995).

В указанном решении осуществлен способ терморегулирования КА, при котором с помощью ТТ отводится избыточное тепло от приборов, установленных на внутренних сторонах радиаторов-излучателей Н- и П-образных сотопанельных блоков, а также от приборов, установленных на средних сотопанелях Н- и П-образных сотопанельных блоков с помощью нерегулируемых и Г-образных регулируемых диодных ТТ.

Недостаток указанного решения заключается в том, что оно не обеспечивает достаточно высокой эффективности терморегулирования приборов и, как следствие этого, снижена надежность их работы и работы КА в целом. Причиной этому является то, что ТТ выполнены П-образными и, следовательно, нерегулируемыми, а Г-образные регулируемые ТТ встроены в структуру сотопанелей с параллельным расположением их испарителей с шагом (на расстоянии) 200 мм. Как следствие этого, возникает большая разница температур в промежутках между ТТ, что ухудшает точность выравнивания температуры в местах установки приборов.

Кроме того, для режима максимальных тепловых нагрузок на КА недостатком является применение неэффективной контактной тепловой связи между конденсаторами ТТ средней сотопанели с обшивками радиаторов-излучателей Н-образного сотопанельного блока. Это приводит к значительному превышению температуры приборов относительно заданного для них номинального уровня температуры, а следовательно, к дополнительному снижению надежности работы приборов и КА в целом.

Снижение эффективности терморегулирования приборов также связано с тем, что приборы установлены на радиаторах-излучателях с внутренних их сторон, поэтому часть избыточного тепла от приборов постоянно нерегулируемо отводится на радиаторы-излучатели за счет теплопередачи, а от этого их температура сильно подвержена влиянию температуры радиаторов-излучателей и изменениям внешних тепловых нагрузок на радиаторы-излучатели. Поэтому при режимах работы КА с максимальными и минимальными тепловыми нагрузками температуры приборов обеспечиваются в широком диапазоне, что снижает надежность их работы.

Применение в указанном решении раскрывающихся с помощью активных электромеханических приводов теплозащитных шторок с системой зачековки и расчековки, как вынужденная мера повышения эффективности терморегулирования КА, с одной стороны, имеет положительный эффект, а с другой, приносит отрицательный эффект, так как примененные активные электромеханические приводы и система зачековки и расчековки обладают надежностью меньше единицы, а значит при этом снижается надежность КА.

В качестве прототипа выбран "Способ терморегулирования космического аппарата и устройство для его осуществления" (Патент России №2268207, МПК B64G 1/50; B64G 1/10).

В указанном решении осуществлен способ терморегулирования КА, включающий отвод избыточного тепла от каждого прибора, установленного на теплопроводной сотопанели, через испарители и конденсаторы встроенных в сотопанель Г-образных регулируемых тепловых труб на боковые радиаторы-излучатели, в котором отвод избыточного тепла осуществляют через непосредственно попарно соединенные друг с другом в продольном направлении первые два и вторые два испарителя указанных Г-образных регулируемых тепловых труб, а отвод тепла от конденсаторов этих тепловых труб с указанными первыми и вторыми соединенными друг с другом испарителями осуществляют соответственно на первые боковые радиаторы-излучатели и расположенные ортогонально им вторые боковые радиаторы-излучатели.

Система терморегулирования космического аппарата для реализации указанного способа, включающая приборный контейнер с наружной теплоизоляцией, образованный путем объединения двух П-образных теплопроводных сотопанельных блоков, каждый из которых выполнен со встроенными в его внутреннюю структуру Г-образными параллельно расположенными регулируемыми тепловыми трубами с их конденсаторами в боковых сотопанелях, выполненных в виде боковых радиаторов-излучателей, а с их испарителями в средней его сотопанели, на внутренней стороне которой установлены приборы, выполнена так, что испарители указанных Г-образных регулируемых тепловых труб каждого П-образного теплопроводного сотопанельного блока выполнены непосредственно попарно соединенными друг с другом в продольном направлении, а конденсаторы каждой указанной пары тепловых труб выполнены соответственно в его боковых радиаторах-излучателях; на внутренние поверхности боковых радиаторов-излучателей установлена внутренняя теплоизоляция; она выполнена с двумя аналогичными приборными контейнерами, которые соединены плоскостями своих одних средних сотопанелей с расположением их боковых радиаторов-излучателей в параллельных или ортогональных плоскостях.

Недостаток прототипа заключается в его ограниченных возможностях по обеспечению точности терморегулирования средней сотопанели и приборов, установленных на ней, а значит и по обеспечению достаточно высокой надежности работы КА при условии применения его в условиях увеличенной разницы между максимальными и минимальными тепловыми нагрузками на КА. Это связано, с одной стороны, с ограниченными возможностями увеличения теплоизлучающих поверхностей СТР с учетом требований ее компактности для размещения под обтекателем ракеты-носителя, а с другой стороны, с отсутствием у нее возможности регулировать излучательную способность радиаторов-излучателей в процессе эксплуатации КА в различных условиях тепловых нагрузок. Это к тому же ограничивает возможности ее применения для более широкого класса КА.

Цель предлагаемого технического решения - повышение точности и надежности терморегулирования, расширение возможности применения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе терморегулирования космического аппарата, включающем отвод избыточного тепла от каждого прибора, установленного на теплопроводной сотопанели, через встроенные в сотопанель непосредственно попарно соединенные друг с другом в продольном направлении первые два и вторые два испарителя Г-образных регулируемых тепловых труб, а отвод тепла от конденсаторов этих тепловых труб с указанными первыми и вторыми соединенными друг с другом испарителями осуществляют соответственно на первые боковые радиаторы-излучатели и расположенные ортогонально им вторые боковые радиаторы-излучатели, осуществляют дополнительный отвод избыточного тепла от внутренних поверхностей одних радиаторов-излучателей из первых боковых радиаторов-излучателей и из расположенных ортогонально им вторых боковых радиаторов-излучателей на ортогонально расположенные относительно их конденсаторов испарители П-образных тепловых труб, а отвод избыточного тепла от конденсаторов указанных П-образных тепловых труб осуществляют соответственно на внутренние поверхности других радиаторов-излучателей соответственно из первых боковых радиаторов-излучателей и из расположенных ортогонально им вторых боковых радиаторов-излучателей с взаимно ортогональным расположением их конденсаторов относительно конденсаторов П-образных тепловых труб; в системе терморегулирования космического аппарата, включающей приборный контейнер с наружной теплоизоляцией, образованный путем объединения двух П-образных теплопроводных сотопанельных блоков, каждый из которых выполнен со встроенными в его внутреннюю структуру Г-образными параллельно расположенными регулируемыми тепловыми трубами, испарители которых выполнены непосредственно попарно соединенными друг с другом в продольном направлении в средней сотопанели, на внутренней стороне которой установлены приборы, а конденсаторы каждой указанной пары тепловых труб выполнены соответственно в его боковых сотопанелях, выполненных в виде боковых радиаторов-излучателей, каждый П-образный теплопроводный сотопанельный блок выполнен с параллельно расположенными П-образными тепловыми трубами, испарители и конденсаторы которых встроены в выполненные с внутренней стороны дополнительные сотопанельные слои соответствующих боковых радиаторов-излучателей и с ортогональным расположением относительно конденсаторов указанных радиаторов-излучателей.

Это позволило повысить точность терморегулирования средней сотопанели с приборами за счет уменьшения разницы рабочих температур между боковыми радиаторами-излучателями каждого П-образного теплопроводного сотопанельного блока путем обеспечения тепловой связи посредством П-образных ТТ, повысить надежность работы приборов и КА в целом, расширить применение СТР для КА различными внутренними и внешними тепловыми нагрузками, а также за счет возможности установки приборов на боковых радиаторах-излучателях с обеспечением их рабочей температуры в более узком диапазоне.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков, сходных с совокупностью признаков предложенного решения.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами: на фиг.1 показаны П-образные теплопроводные сотопанельные блоки (ПОТСБ); на фиг.2 - разрез средней сотопанели; на фиг.3 - разрез бокового радиатора-излучателя; на фиг.4 - приборный контейнер СТР КА в сборе.

СТР КА для осуществления способа содержит приборный контейнер 1, образованный путем объединения двух ПОТСБ 2, каждый из которых выполнен со встроенными в его наружный основной слой внутренней структуры 3 (жестко соединенный с параллельными металлическими обшивками 4), параллельно расположенными Г-образными регулируемыми тепловыми трубами (ГОРТТ) 5, испарители 6 которых выполнены в средней сотопанели 7 ПОТСБ 2, которые непосредственно попарно соединены друг с другом в продольном направлении, а конденсаторы 8 каждой указанной пары тепловых труб выполнены в наружном сотопанельном слое 3 боковых радиаторов-излучателей 9; параллельно расположенные П-образные тепловые трубы (ПОТТ) 10, испарители 11 и конденсаторы 12 которых встроены во внутренние дополнительные сотопанельные слои 13 соответствующих боковых радиаторов-излучателей (БРИ) 9 и с ортогональным расположением относительно их конденсаторов 8; приборы 14, установленные на внутренних сторонах БРИ 9 и средней сотопанели 7, с наружной стороны которой установлена теплоизоляция 15.

После вывода КА на орбиту в приборном контейнере 1 осуществляют включение в работу приборов 14. Избыточное тепло, выделяемое приборами 14, установленными на средней сотопанели 7, передается через алюминиевую обшивку 4 (выполненную толщиной 0,3-0,5 мм) на испаритель 6 ГОРТТ 5 и в процессе работы ТТ избыточное тепло передается соответственно к их конденсаторам 8, через обшивки 4 БРИ 9 избыточное тепло излучается в открытый космос.

Наружные поверхности БРИ 9 выполнены с терморегулирующим покрытием типа солнечного отражателя, обеспечивающим минимальную тепловую нагрузку на них от прямого освещения Солнцем и максимальную их теплоизлучающую способность (соответственно A_S≤0,43; ε≥0,85).

В зависимости от того, освещены ли Солнцем или нет БРИ 9, их температуры будут соответственно выше или ниже с разницей температур между ними до 40°С. Так как они связаны в тепловом отношении со средней сотопанелью 7 посредством ГОРТТ 5, то, несмотря на то, что ГОРТТ 5 осуществляют регулируемую тепловую связь, влияние различных температур БРИ 9 на среднюю сотопанель 7 будет значительным в силу исключения абсолютной точности регулирования, инерционности теплопередачи, деградации терморегулирующего покрытия в течение длительного срока активного существования КА (10 лет и более), нерегулируемой теплопередачи по конструкции приборного контейнера 1. Но так как испарители соседних ГОРТТ 5 каждого ПОТСБ 2 непосредственно попарно соединены друг с другом в продольном направлении с их конденсаторами 8, выполненными соответственно в БРИ 9, то это позволило улучшить выравнивание температуры средней сотопанели 7 и приборов 14 и тем самым повысить надежность их работы.

В процессе эксплуатации КА большую часть срока активного существования один радиатор-излучатель БРИ 9 каждого ПОТСБ 2 находится в состоянии, освещенном Солнцем, а другой в тени. При этом их температуры могут иметь большой перепад, например 10-40°С. Но так как в предложенном решении указанные радиаторы-излучатели кроме тепловой связи посредством ГОРТТ 5 дополнительно связаны посредством ПОТТ 10, то перепад температур между радиаторами-излучателями каждого ПОТСБ 2 значительно уменьшен. Возможность уменьшения этого перепада температур в общем случае зависит от количества установленных ПОТТ 10 на каждом ПОТСБ 2 и от их теплопередающей способности. Минимально достижимый перепад температур радиаторов-излучателей на каждом ПОТСБ 2 может быть обеспечен на уровне 4-6°С, так как перепад температур между испарителем и конденсатором ТТ во время ее работы при максимальной теплопередаче на практике осуществляется на уровне 3°С. За счет снижения перепада температур на радиаторах-излучателях обеспечивается повышение точности регулирования температур как средней сотопанели 7, так и внутренних поверхностей БРИ 9, на которые установлены приборы 14.

Положительный эффект обеспечивается, с одной стороны, за счет выравнивания температур между радиаторами-излучателями каждого ПОТСБ 2 путем их высокоэффективной тепловой связи посредством ГОРТТ 5 и ПОТТ 10, что позволяет ГОРТТ 5 обеспечивать температуру средней сотопанели в более узком диапазоне. А с другой стороны, за счет того, что диапазоны средних температуры ГОРТТ 5 и ПОТТ 10 примерно на 3-6°С уже диапазонов температур наружных поверхностей радиаторов-излучателей каждого ПОТСБ 2. Как следствие этого, температуры приборов 14, установленных на средних сотопанелях 7 и на внутренних поверхностях БРИ 9, будут обеспечиваться в более узком диапазоне по сравнению с прототипом, что обеспечивает их более высокую надежность работы. Повышение точности терморегулирования мест установки приборов позволяет расширить возможности применения предложенной СТР для КА с более жесткими требованиями по температурным режимам.

В процессе эксплуатации КА происходит чередование максимальных и минимальных внутренних и внешних тепловых нагрузок на него. За счет того, что в предложенном решении обеспечено высокоэффективное выравнивание температурных полей БРИ 9, средней сотопанели 7 и приборов 14 путем указанного применения ТТ, изменение температурных полей названных элементов происходит в более узком диапазоне за счет высокой тепловой связи массовых теплоемкостей отдельных элементов в одну общую более инерционную массовую теплоемкость, обеспечивающую изменение ее температуры в более узком диапазоне в условиях изменяющихся тепловых нагрузок на КА. Что в конечном счете повышает точность терморегулирования приборов и КА в целом и тем самым повышает надежность их работы.

Применение теплоизоляции 15 на наружной поверхности средней сотопанели 7 позволяет свести к минимуму нерегулируемый теплообмен КА с окружающей средой и тем самым способствовать обеспечению более точного его терморегулирования.

Рабочие тела, которыми заправлены ГОРТТ 5 и ПОТТ 10, - аммиак (теплоноситель). Регулирующее тело для заправки ГОРТТ 5 - азот. Дозы их заправок осуществляются с учетом конструктивных размеров ТТ, заданных температурных условий их работы при эксплуатации и требований по обеспечиваемым температурам испарителей 6 и 11. Работа ГОРТТ 5 осуществляется следующим образом. В режиме максимальных тепловых нагрузок на испаритель ТТ давление насыщенных паров аммиака повышается, и так как движение пара осуществляется от испарителя к конденсатору, азот (неконденсирующийся газ) вытесняется парообразным аммиаком в конец конденсатора или в специально выполненную для азота емкость, при этом конденсация аммиачного пара происходит во всем объеме конденсатора и ТТ работает с максимальной теплопередачей. В режиме минимальных тепловых нагрузок на испаритель ТТ давление насыщенных паров аммиака понижается, при этом неконденсирующийся газ расширяется и вытесняет пары аммиака из конденсатора и тем самым исключает возможность конденсации паров аммиака в конденсаторе. При этом прекращается теплопередача тепла от испарителя к конденсатору ТТ за счет испарительно-конденсационного эффекта и таким образом осуществляется тепловая развязка между средней сотопанелью 7 и БРИ 9.

ПОТТ 10 обеспечивает теплопередачу от испарителя к конденсатору (или от более нагретого участка к менее нагретому в любом ее месте) путем парожидкостной циркуляции теплоносителя внутри ее герметичной полости. Под воздействием тепла жидкость в испарителе испаряется и перемещается в зону наименьшего давления в области конденсатора, где она, охлаждаясь, конденсируется и за счет смачиваемости капиллярной структуры на внутренней поверхности стенки ТТ перемещается к испарителю, обеспечивая таким образом замкнутый теплопередающий рабочий цикл ТТ.

Приборный контейнер 1 выполнен блочно-модульного типа, что позволяет осуществлять его компоновку с одним или несколькими другими аналогично выполненными приборными контейнерами с обеспечением тепловой связи между ними без выполнения каких либо сложных конструктивных их доработок. Это позволяет расширить возможность применения предложенной СТР для КА различных типов и компоновок (например, с двумя соединенными контейнерами на орбите или для одновременного запуска одним ракето-носителем нескольких КА и т.д.).

Данное техническое решение в настоящее время проходит исследование по условиям и оптимальным возможностям его применения.

Изобретения относятся к системам терморегулирования, преимущественно автоматических космических аппаратов. Предлагаемый способ включает отвод избыточного тепла от приборов, установленных на средней теплопроводной сотопанели, к боковым радиаторам-излучателям посредством Г-образных регулируемых тепловых труб (ТТ). При этом приборный контейнер космического аппарата образован путем объединения двух П-образных теплопроводных сотопанельных блоков, в каждый из которых встроены указанные Г-образные ТТ. Испарители этих ТТ выполнены непосредственно попарно соединенными друг с другом в продольном направлении в средней сотопанели. Конденсаторы данных ТТ выполнены в боковых сотопанелях П-образного блока, являющихся боковыми радиаторами-излучателями. Помимо Г-образных ТТ для дополнительного отвода избыточного тепла от одних внутренних поверхностей этих радиаторов-излучателей и передачи его на поверхности других радиаторов-излучателей используют параллельные П-образные ТТ. Испарители и конденсаторы данных ТТ встроены в дополнительные сотопанельные слои соответствующих боковых радиаторов-излучателей и ортогонально расположены относительно конденсаторов соответствующих Г-образных ТТ. Технический результат изобретений состоит в повышении точности и надежности работы, а также в расширении возможностей применения системы терморегулирования. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ терморегулирования космического аппарата, включающий отвод избыточного тепла от каждого прибора, установленного на теплопроводной сотопанели, через встроенные в сотопанель и непосредственно попарно соединенные друг с другом в продольном направлении первые два и вторые два испарителя Г-образных регулируемых тепловых труб, а также отвод тепла от конденсаторов этих тепловых труб соответственно на первые боковые радиаторы-излучатели и расположенные ортогонально им вторые боковые радиаторы-излучатели, отличающийся тем, что осуществляют дополнительный отвод избыточного тепла от внутренних поверхностей одних радиаторов-излучателей из числа первых боковых радиаторов-излучателей и из числа расположенных ортогонально им вторых боковых радиаторов-излучателей - на испарители П-образных тепловых труб, расположенные ортогонально конденсаторам Г-образных регулируемых тепловых труб, отводящим тепло на указанные одни радиаторы-излучатели, а отвод избыточного тепла от конденсаторов указанных П-образных тепловых труб осуществляют на внутренние поверхности других радиаторов-излучателей соответственно из числа первых боковых радиаторов-излучателей и из числа расположенных ортогонально им вторых боковых радиаторов-излучателей, причем конденсаторы данных П-образных тепловых труб расположены ортогонально конденсаторам Г-образных регулируемых тепловых труб, отводящим тепло на указанные другие радиаторы-излучатели.2. Система терморегулирования космического аппарата, включающая приборный контейнер с наружной теплоизоляцией, образованный путем объединения двух П-образных теплопроводных сотопанельных блоков, каждый из которых выполнен со встроенными в его внутреннюю структуру Г-образными параллельно расположенными регулируемыми тепловыми трубами, испарители которых выполнены непосредственно попарно соединенными друг с другом в продольном направлении в средней сотопанели, на внутренней стороне которой установлены приборы, а конденсаторы каждой указанной пары тепловых труб выполнены соответственно в боковых сотопанелях П-образного блока, являющихся боковыми радиаторами-излучателями, отличающаяся тем, что каждый П-образный теплопроводный сотопанельный блок выполнен с параллельно расположенными П-образными тепловыми трубами, испарители и конденсаторы которых встроены в выполненные с внутренней стороны дополнительные сотопанельные слои соответствующих боковых радиаторов-излучателей и ортогонально расположены относительно конденсаторов указанных Г-образных тепловых труб, выполненных в этих радиаторах-излучателях.