СПОСОБ КОМПОНОВКИ СТАЦИОНАРНОГО ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2008 года по МПК B64G1/10 B64G1/22 

Изобретение относится к космической технике, в частности к стационарным искусственным спутникам Земли, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

В составе космических аппаратов, например телекоммуникационных спутников, используются емкости, в которых в условиях орбитального функционирования хранится определенный запас рабочего тела:

в системе ориентации и управления движением (СОУД) (Космические аппараты./Под общей редакцией К.П.Феоктистова. М., Военное издательство, 1983 г., стр.54, 56 [1]) - это емкость для хранения рабочего тела, внутренняя полость которого первоначально заправлена, например, ксеноном под давлением ≈200 кгс/см²; в процессе активного существования спутника количество ксенона постепенно уменьшается и при давлениях ниже критического давления (≈59,45 кгс/см²) и температурах ниже критической температуры (≈289,7К) (см. Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., «Наука», 1972 г. стр.580 [3]) в баке образуется двухфазная среда. С точки зрения функционального назначения из бака в редуктор давления, затем в реактивные сопла для их нормального функционирования ксенон должен поступать в парообразном состоянии, иначе в случае подачи из емкости жидкой фазы, расход ксенона будет существенно завышенным и поэтому с целью экономии массы ксенона ее до редуктора необходимо преобразовать в пар, т.е. в СОУД имеется дополнительное устройство - достаточно мощный электрообогреватель (например, при расходе ксенона ≈2 г/с мощность нагревателя равна ≈120 Вт, который включается в работу с включением в работу СОУД в случае нахождения жидкой фазы вблизи отверстия для подачи ксенона в линию редуктора);

- в системе терморегулирования (СТР) (согласно авторскому свидетельству СССР №2117891 [2]) - это устройство для поддержания давления теплоносителя в контуре СТР космического аппарата (КА), внутренняя полость которого заправлена определенным количеством двухфазного рабочего тела (теплоносителя), например аммиака; с точки зрения функционального назначения в условиях орбитального функционирования необходимо обеспечить подачу (или прием) жидкой фазы аммиака в магистраль СТР и поддерживать определенное давление паров аммиака в газовой полости емкости.

Как видно из вышеизложенного, в емкостях обеих систем спутника для нормального и оптимального функционирования систем жидкая фаза рабочего тепла в емкостях должна находиться в определенных постоянных зонах на внутренней поверхности стенки емкости:

- в емкости СОУД - напротив отверстия для подачи парообразного рабочего тела в линию подачи на редуктор;

- в емкости СТР - вблизи выходного отверстия для подачи жидкой фазы из емкости в магистраль СТР и вблизи электрообогревателей.

В настоящее время в известных технических решениях для обеспечения нормального функционирования вышеназванных систем в условиях орбитального функционирования:

- в СОУД предусматривают электрообогреватель с системой его автоматического включения в случае начала подачи в редуктор жидкой фазы ксенона или, в случае отсутствия электрообогревателя, предусматривают дополнительный запас ксенона в емкости с еще большей вместимостью для обеспечения работоспособности СОУД в течение заданного срока эксплуатации, которые усложняют конструкции и увеличивают массы, энергопотребление вышеуказанных систем;

- в емкости СТР внутри ее всего объема и в районе расположения выходного отверстия устанавливают капиллярную структуру и электрообогреватели сложной конструкции (такая сложная и достаточно массивная конструкция предусмотрена исходя из допущения, что в условиях орбитального функционирования положение жидкой фазы аммиака в емкости неопределенное).

В известных технических решениях электрообогреватели включаются в работу периодически (например, 0,5 ч включены, затем не менее 2-2,5 ч выключены) для создания (поддержания) определенного рабочего давления парообразной фазы рабочего тела в допустимом диапазоне. При включенном электрообогревателе происходит вскипание жидкой фазы, смачивающей поверхность стенки емкости, находящейся в зоне напротив расположения электрообогревателей. При этом в результате вскипания (парообразования) жидкой фазы частицы жидкости и пара выбрасываются в центральную зону емкости. После выключения электрообогревателя частицы жидкости согласно известному физическому закону (В.В.Белецкий. Движение искусственного спутника относительно центра масс. М., «Наука», 1965 г., стр.24, рис.2 на стр.25, стр.26 (абзацы 1 и 2 снизу), стр.27 (формулы для компонентов центробежной силы: Фz, а также Фх, Фy) [4]) будут иметь определенное направление движения - они будут двигаться параллельно радиусу-вектору центра масс спутника в направлении от центра масс спутника.

Так как в настоящее время неизвестно техническое решение, оговаривающее определенное размещение вышеуказанной емкости на спутнике, эти частицы жидкости вполне могут двигаться в противоположную от требуемой сторону - это означает, что жидкая фаза постепенно будет собираться на внутренней поверхности емкости, противоположной от требуемой, т.е. в этом случае конструктивное расположение емкости на спутнике не способствует концентрации жидкой фазы в определенной постоянной зоне на внутренней поверхности стенки емкости, и эта техническая проблема в настоящее время требует разрешения.

Анализ источников информации - патентной и научно-технической литературы - показал, что наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемого технического решения является способ компоновки емкости СОУД для хранения рабочего тела - ксенона на борту спутника [1].

В настоящее время требования по компоновке указанной емкости, используемой, например, на стационарном искусственном спутнике Земли, не оговорены (см. фиг.2, где С - центр Земли (центр притяжения); О - центр масс (центр инерции) спутника; Oxyz - правая прямоугольная орбитальная система координат (В.В.Белецкий. Движение искусственного спутника относительно центра масс. М., «Наука», 1965 г., стр.17 (3-й абзац снизу), 23 (3-й абзац сверху); r - текущий радиус-вектор орбиты спутника; А - стационарная орбита спутника (орбита центра масс спутника); 1 - модуль полезной нагрузки спутника; 2 - модуль служебных систем спутника; 3 - емкость СОУД; 3.1 - отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 4 - трубопровод отбора паров рабочего тела; 5 - пары рабочего тела; 6 - жидкая фаза рабочего тела; 7 - электрообогреватель; 8 - продольная ось спутника).

Как было указано выше, существенные недостатки известного устройства - это повышенная масса из-за необходимости иметь на борту дополнительный запас рабочего тела и повышенное энергопотребление для превращения жидкой фазы рабочего тела в парообразное состояние.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается компоновкой спутника таким образом, что указанную емкость устанавливают на максимально возможном удалении от центра масс спутника по направлению, параллельному указанной продольной оси, располагая при этом емкость таким образом, чтобы нормаль в точке поверхности ее стенки, расположенной напротив отверстия для отвода паров рабочего тела из емкости, была направлена в сторону центра масс спутника, а указанная точка находилась на минимально возможном удалении от продольной оси спутника, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе компоновки искусственного спутника.

Компоновку спутника согласно предложенному авторами способу осуществляют следующим образом (см. фиг.1, где С - центр Земли; О - центр масс; Oxyz - правая прямоугольная орбитальная система координат; r - текущий радиус-вектор орбиты спутника; А - стационарная орбита спутника; 1 - модуль полезной нагрузки; 2 - модуль служебных систем; 3 - емкость СОУД; 3.1 - отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 4 - трубопровод отбора паров рабочего тела; 5 - пары рабочего тела; 6 - жидкая фаза рабочего тела; 7 - электрообогреватель; 8 - продольная ось спутника):

- проводят анализ требований по компоновке стационарного искусственного спутника Земли, продольная ось 8 (ось наименьшего момента инерции или наибольшая ось центрального эллипсоида инерции) которого должна быть постоянно направлена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты r, соединяющего центр Земли С с центром масс О спутника;

- проводят анализ функционального назначения емкости 3 заданной конструкции, заправленной двухфазной рабочей жидкостью (рабочим телом), и определяют требуемую постоянную зону местонахождения жидкой фазы 6 на поверхности стенки в ней;

- определяют место на спутнике, которое максимально возможно удалено от центра масс О по направлению, параллельному вышеназванной оси 8;

- устанавливают емкость 3 на борту спутника в вышевыбранной зоне таким образом, чтобы нормаль n в точке Ц поверхности ее стенки, расположенной напротив отверстия для отвода паров рабочего тела из емкости, была направлена в сторону центра масс спутника, а указанная точка Ц находилась на минимально возможном удалении от продольной оси 8 спутника.

Проведенные на основе [4] расчеты для емкости конкретного телекоммуникационного стационарного спутника, размещенной на борту спутника согласно предложенному новому техническому решению, показывают, что ускорение частиц жидкости будет не ниже 3·10^-8 м/с² и в течение ≈40 минут эти частицы проходят расстояние между взаимно противоположными зонами емкости, т.е. к моменту следующего включения в работу электрообогревателя жидкая фаза будет находиться в требуемой зоне емкости, тем самым обеспечивая нормальную ее работу.

Таким образом, в результате такой компоновки жидкая фаза 6 теплоносителя в условиях орбитального функционирования всегда будет находиться в требуемой зоне: в результате совместного воздействия гравитационных и центробежных сил (которые по величине и направлению относительно стабильны на стационарной орбите) на частицы жидкости они будут двигаться параллельно радиусу-вектору r центра масс О спутника в направлении от центра масс О спутника и будут сконцентрированы на поверхности емкости 3 в районе напротив ее отверстия 3.1 для отвода паров рабочего тела из емкости 3 и прижаты к поверхности в зоне точки Ц, и одновременно под воздействием возмущений (влияние Луны и Солнца, несферичность Земли, кратковременная периодическая работа СОУД) жидкая фаза теплоносителя будет с небольшими флуктуациями находиться в указанной зоне емкости [4], тем самым, обеспечивая отвод паров рабочего тела в трубопровод отбора их.

Следует дополнительно отметить, что в случае поддержания температуры стенки, расположенной в районе напротив указанного отверстия, ниже температуры остальной части стремление жидкой фазы к вышеуказанной зоне будет дополнительно усиливаться за счет повышенной степени смачиваемости более холодной жидкости по сравнению с теплой - для реализации этого необходимо эту часть емкости теплоизолировать теплоизоляцией с меньшим тепловым сопротивлением, чем остальная теплоизоляция.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате компоновки КА согласно предложенному авторами техническому решению уменьшается масса СОУД в результате заполнения ее емкости оптимальным количеством рабочего тела, а электрообогреватель для превращения жидкой фазы в пар является резервным элементом и, следовательно, энергопотребление его в течение эксплуатации минимально возможное, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации предприятия на разработку вновь создаваемых телекоммуникационных спутников.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании, например, телекоммуникационных спутников, на борту которых устанавливают емкости, заправленные двухфазными рабочими жидкостями. Предлагаемый способ включает установку на борту подобной емкости с требуемой постоянной зоной расположения жидкой фазы на поверхности стенки этой емкости. Продольная ось спутника Земли в рабочем состоянии постоянно направлена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты центра масс. Указанную емкость устанавливают на максимально возможном удалении от центра масс спутника по направлению, параллельному указанной продольной оси. При этом емкость располагают так, чтобы нормаль в точке поверхности ее стенки, расположенной напротив отверстия для отвода паров рабочего тела из емкости, была направлена в сторону центра масс спутника. Данная точка поверхности должна находиться на минимально возможном удалении от продольной оси спутника. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и уменьшение массы служебных систем спутника. 2 ил.

Способ компоновки стационарного искусственного спутника Земли, продольная ось которого должна быть постоянно направлена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты, соединяющего центр Земли с центром масс спутника, включающий установку на борту емкости, заправленной двухфазной рабочей жидкостью, с требуемой постоянной зоной расположения жидкой фазы на поверхности стенки емкости, отличающийся тем, что указанную емкость устанавливают на максимально возможном удалении от центра масс спутника по направлению, параллельному указанной продольной оси, располагая при этом емкость таким образом, чтобы нормаль в точке поверхности ее стенки, расположенной напротив отверстия для отвода паров рабочего тела из емкости, была направлена в сторону центра масс спутника, а указанная точка находилась на минимально возможном удалении от продольной оси спутника.