СПОСОБ КВАЛИФИКАЦИИ ГИДРОАККУМУЛЯТОРА СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2010 года по МПК B64G1/50 

Изобретение, созданное авторами в порядке выполнения служебного задания, относится к космической технике, в частности к способам квалификации гидроаккумуляторов (компенсаторов объема) систем терморегулирования (СТР) телекоммуникационных спутников.

Известны способы квалификации - подтверждения работоспособности гидроаккумуляторов (компенсаторов объема) (обеспечения гидроаккумулятором необходимого рабочего давления теплоносителя на входе в электронасосный агрегат (ЭНА) СТР), имеющих газовые полости с частично заполненной двухфазной рабочей жидкостью - двухфазным рабочим телом, имеющим при выбранных рабочих температурах жидкую и паровую фазы, (и с электрообогревателем) или заполненные рабочим газом (см. патенты Российской Федерации № 2209750 [1]; № 2151722 [2]; монографию «Центр научно-технической информации «Поиск». А.А.Никонов, Г.А.Горбенко, В.Н.Блинков. Теплообменные контуры с двухфазным теплоносителем для систем терморегулирования космических аппаратов (обзор по материалам отечественной и зарубежной печати). Серия: Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Москва, 1991 г., страницы 44-52» [3]) испытаниями отработочных образцов, соответствующих штатным, при наземных условиях при имитации воздействий различных факторов, возможных в условиях эксплуатации: если отработочные образцы выдержали все предусмотренные испытания и они работоспособны при и после воздействия всех предусмотренных факторов, то считается, что штатные образцы гидроаккумуляторов (компенсаторов объема) также работоспособны в составе СТР космических аппаратов (КА), в том числе в условиях космоса.

Анализ опыта эксплуатации СТР КА показал, такой вывод верен в отношении гидроаккумуляторов (компенсаторов объема), газовая полость которых заполнена рабочим газом, и в отношении гидроаккумуляторов (компенсаторов объема), герметичная газовая полость которых частично заполнена двухфазной рабочей жидкостью, установленных на борту КА согласно патенту Российской Федерации по заявке № 2005139244 [4] (когда жидкая фаза рабочей жидкости смачивает поверхность днища компенсатора объема с электрообогревателем и обеспечивает наилучшие условия теплообмена для испарения (кипения) рабочей жидкости).

Однако такой вышеуказанный гидроаккумулятор (компенсатор объема) по требованиям компоновки КА может быть установлен на борту, например, вблизи центра масс КА или в периферии КА (в удалении от оси ОХ), и в этом случае из-за неопределенного места нахождения жидкой фазы рабочей жидкости в газовой полости на орбите для обеспечения работоспособности потребуется более мощный и более длительная работа его электрообогревателя из-за худших (и неопределенных) условий теплообмена в космосе по сравнению с работой в наземных условиях, и для обеспечения работоспособности его на борту КА необходимо предусмотреть увеличенный (но конкретно неизвестный) расход электроэнергии, чем определенный по данным наземных испытаний гидроаккумулятора (компенсатора объема).

Таким образом, существенным недостатком известных способов квалификации гидроаккумуляторов (компенсаторов объема), герметичная газовая полость которых частично заполнена двухфазной рабочей жидкостью, является то, что в общем случае наземная квалификация их обеспечивает недостаточную надежность определения работоспособности гидроаккумулятора из-за недостаточного надежного определения количества потребной электроэнергии на борту КА для обеспечения работоспособности в условиях эксплуатации в космосе: в условиях орбитального функционирования в газовой полости необходимо поддерживать давление паров рабочей жидкости в определенном (гарантированном) диапазоне в течение всего ресурса соответствующим нагревом рабочей жидкости, что возможно только при наличии достаточного запаса электроэнергии на борту КА.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является способ квалификации гидроаккумулятора (компенсатора объема), раскрытый в способе изготовления СТР КА [1], герметичная газовая полость которого частично заполнена двухфазной рабочей жидкостью, который снабжен электрообогревателем, наземными испытаниями.

Как было указано выше, такой известный способ квалификации гидроаккумулятора обладает существенным недостатком, а именно: недостаточно надежно определяется работоспособность гидроаккумулятора на орбите из-за недостаточно надежного определения количества потребной электроэнергии на борту КА для работы электрообогревателя гидроаккумулятора для обеспечения работоспособности его в условиях эксплуатации в космосе.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается тем, что

1) в способе квалификации гидроаккумулятора СТР КА с герметичной газовой полостью, частично заполненной двухфазной рабочей жидкостью, разделенной от его жидкостной полости сильфоном, и с периодически включаемым в работу электрообогревателем и датчиком температуры на его корпусе, включающем наземные испытания на работоспособность в составе системы терморегулирования аппарата, содержащей замкнутый циркуляционный контур с теплоносителем и электронасосным агрегатом, на входе которого установлены датчик давления и компенсатор объема (гидроаккумулятор), газовая полость которого соединена с емкостью с газом, а жидкостная полость, разделенная сильфоном от газовой полости, сообщена с жидкостным трактом, после наземных испытаний на работоспособность с положительными результатами гидроаккумулятора для наземной отработки изготавливают вновь гидроаккумулятор, устанавливают его на борту космического аппарата с штатным расположением его относительно осей координат аппарата, сообщают его жидкостную полость с жидкостной полостью бортового компенсатора объема системы терморегулирования аппарата и периодически в течение срока эксплуатации аппарата на орбите включают в работу электрообогреватель гидроаккумулятора и поддерживают давление теплоносителя по показаниям датчика давления в диапазоне от выше максимально возможного рабочего давления теплоносителя при работе компенсатора объема до максимально допустимого рабочего давления в жидкостном тракте на входе в электронасосный агрегат системы и по обеспечению вышезаданного диапазона изменения давления теплоносителя в течение требуемого срока эксплуатации судят о работоспособности гидроаккумулятора в условиях его эксплуатации в космосе;

2) в способе квалификации гидроаккумулятора СТР КА в случае разгерметизации емкости с газом гидроаккумулятор выполняет функцию компенсатора объема, что и является по мнению авторов 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 квалификации гидроаккумулятора СТР КА.

Предложенный способ квалификации гидроаккумулятора СТР КА включает в себя следующие последовательно осуществляемые операции (см. фиг.1, где изображена СТР КА, когда функционирует бортовой компенсатор объема, а испытуемый гидроаккумулятор не работает, и фиг.2, где изображена СТР КА, когда функционирует испытуемый гидроаккумулятор, а компенсатор объема не работает; на фиг.1 и 2 изображены: 1 - замкнутый циркуляционный контур с жидким теплоносителем (жидкостный тракт); 1.1 - электронасосный агрегат (ЭНА); 1.2 - датчик давления; 1.3 - компенсатор объема; 1.3.1 - газовая полость компенсатора объема, сообщенная с емкостью с газом 1.4; 1.3.2 - жидкостная полость компенсатора объема, заполненная жидким теплоносителем; 1.3.3 - сильфон компенсатора объема; 2 - гидроаккумулятор; 2.1 - газовая полость гидроаккумулятора, частично заполненная двухфазной жидкостью; 2.2 - жидкостная полость гидроаккумулятора, заполненная жидким теплоносителем; 2.3 - сильфон гидроаккумулятора; 2.4 - соединительный трубопровод; 2.5 - датчик температуры; 2.6 - электрообогреватель; 3 - теплоизоляция):

- изготавливают гидроаккумулятор 2 для наземной отработки (в том числе газовую полость 2.2 частично заполняют двухфазной жидкостью, например, фреоном 141в, и герметизируют газовую полость 2.1) согласно штатной технической документации и испытывают его при наземных условиях при имитации воздействий различных факторов, возможных в условиях эксплуатации (механические воздействия; воздействия температуры, влажности, давления, в том числе, вакуума; радиационные воздействия; испытания на ресурс; воздействия теплоносителя в жидкостной полости); при и после каждого этапа испытаний проверяют работоспособность гидроаккумулятора 2: периодически включают в работу электрообогреватель 2.6 в течение промежутка времени, достаточного для обеспечения изменения температуры гидроаккумулятора 2 в требуемых пределах и контролируют изменение давления в газовой полости в допустимом диапазоне - и на основе вышеуказанных положительных результатов предварительно расчетным путем определяют потребное предполагаемое количество расхода электроэнергии с запасом, например с запасом 2 (гидроаккумулятор снабжают двумя секциями электрообогревателя одинаковой потребляемой мощности, например, по 15 Вт), необходимое на борту КА для обеспечения работоспособности гидроаккумулятора 2 в условиях его работы на орбите в течение требуемого срока эксплуатации;

- после наземных испытаний на работоспособность с положительными результатами гидроаккумулятора для наземной отработки изготавливают вновь гидроаккумулятор 2 (его изготавливают по технической документации, согласно которой был изготовлен выдержавший наземные испытания гидроаккумулятор для наземной отработки), устанавливают его на борту космического аппарата со штатным расположением его относительно осей координат аппарата, сообщают его жидкостную полость 2.2 с жидкостной полостью 1.3.2 бортового компенсатора объема 1.3 квалифицированной в космосе системы терморегулирования [2] космического аппарата, содержащей замкнутый циркуляционный контур 1 с жидким теплоносителем и электронасосным агрегатом 1.1, на входе которого установлены датчик давления 1.2 и компенсатор объема 1.3, газовая полость 1.3.1 которого соединена с емкостью с газом 1.4, а жидкостная полость 1.3.2, разделенная сильфоном 1.3.3 от газовой полости 1.3.1, сообщена с жидкостным трактом, и периодически при наземных испытаниях, а затем в течение срока эксплуатации аппарата на орбите включают в работу электрообогреватель 2.6 (одну или обе секции обогревателя) гидроаккумулятора 2 (например, 6 месяцев СТР работает с компенсатором объема 1.3 (основное устройство), затем 1 месяц работает с аккумулятором 2 (резервное, одновременно квалифицируемое устройство) и так далее), обеспечив изменение его температуры 2.5 в требуемых пределах (при этом измеряют и фиксируют величины напряжения питания, потребляемого тока и продолжительности работы электрообогревателя), и поддерживают давление теплоносителя по показаниям датчика давления 1.2 в диапазоне от выше максимально возможного давления теплоносителя при работе компенсатора объема 1.3 до максимально допустимого рабочего давления в жидкостной полости 1.3.2 компенсатора объема 1.3 и жидкостном тракте на входе в электронасосный агрегат 1.1 и по обеспечению вышезаданного диапазона изменения давления теплоносителя в течение требуемого срока эксплуатации судят о работоспособности гидроаккумулятора 2 в условиях его эксплуатации в космосе; кроме того, в случае отказа компенсатора объема 1.3 СТР (в случае потери герметичности емкости с газом 1.4, соединенной с газовой полостью 1.3.1 компенсатора объема 1.3) гидроаккумулятор 2 выполняет функцию компенсатора объема (согласно фиг.2) и работоспособность СТР и, следовательно, КА в условиях эксплуатации на орбите не нарушается: в результате обеспечения гидроаккумулятором 2 требуемого давления теплоносителя на входе в ЭНА 1.1 в жидкостном тракте поддерживается требуемый расход теплоносителя и отвод избыточного тепла от работающих приборов в космическое пространство, т.е. наличие вышеуказанного гидроаккумулятора 2 на борту КА повышает его надежность эксплуатации на орбите;

- по результатам вышепроведенных измерений (напряжения питания, тока потребления и продолжительности работы электрообогревателя) определяют реальную величину требуемого на борту расхода электроэнергии, обеспечивающую работоспособность гидроаккумулятора в течение всего срока эксплуатации на орбите.

Если гидроаккумулятор для наземной отработки и вновь изготовленный гидроаккумулятор 2 выдержали все испытания на работоспособность как при наземных условиях, так и при испытаниях в космосе, то он считается квалифицированным и его штатные образцы после приемо-сдаточных испытаний допускаются к эксплуатации в составе СТР конкретных типов КА в качестве штатного (основного) ее устройства (предусмотрев при этом на борту КА оптимальное требуемое количество расхода электроэнергии для нужд гидроаккумулятора), гарантировав его работоспособность в условиях орбитального функционирования в течение требуемого срока эксплуатации КА на орбите.

Таким образом, как следует из вышеизложенного, аналоги гидроаккумулятора, прошедшего квалификацию согласно предложенному авторами способу, установленные на борту КА, в условиях эксплуатации, в том числе в космосе, гарантированно работоспособны с высокой надежностью, потребляют оптимальное количество электроэнергии, а также обеспечивается повышение надежности КА, на борту которого установлен вышеуказанный гидроаккумулятор, и, следовательно, предложенный способ устраняет существенный недостаток известных технических решений, т.е. тем самым достигается цель изобретения.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) преимущественно телекоммуликационных спутников. Способ включает наземные испытания на работоспособность и летную квалификацию гидроаккумулятора (ГА) в составе СТР космического аппарата. СТР содержит жидкостный тракт с теплоносителем и электронасосным агрегатом, на входе которого установлены датчик давления и компенсатор объема. Газовая полость компенсатора соединена с емкостью с газом, а жидкостная полость, отделенная сильфоном от газовой полости, сообщена с жидкостным трактом. После наземных испытаний с положительными результатами вновь изготавливают ГА и устанавливают его на борту космического аппарата со штатным расположением относительно осей аппарата. Сообщают жидкостную полость ГА с жидкостной полостью бортового компенсатора объема. Периодически в течение срока эксплуатации аппарата на орбите включают в работу электрообогреватель ГА и поддерживают давление теплоносителя в заданном диапазоне (от значения выше максимально возможного при работе компенсатора объема до максимально допустимого на входе в электронасосный агрегат). По факту обеспечения заданного диапазона в течение требуемого срока эксплуатации судят о работоспособности ГА в условиях его эксплуатации в космосе. При разгерметизации емкости с газом ГА используют в качестве компенсатора объема СТР космического аппарата. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы штатных ГА на орбите при оптимальном потреблении электроэнергии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ квалификации гидроаккумулятора системы терморегулирования космического аппарата, причем гидроаккумулятор имеет герметичную газовую полость, частично заполненную двухфазной рабочей жидкостью и отделенную от его жидкостной полости сильфоном, и снабжен периодически включаемым в работу электрообогревателем и датчиком температуры на его корпусе, включающий наземные испытания на работоспособность в составе системы терморегулирования, содержащей замкнутый циркуляционный контур с теплоносителем и электронасосным агрегатом, на входе которого установлены датчик давления и компенсатор объема (гидроаккумулятор), газовая полость которого соединена с емкостью с газом, а жидкостная полость, отделенная сильфоном от газовой полости, сообщена с жидкостным трактом, отличающийся тем, что после наземных испытаний гидроаккумулятора на работоспособность с положительными для наземной отработки результатами вновь изготавливают гидроаккумулятор, устанавливают его на борту космического аппарата со штатным расположением относительно осей координат аппарата, сообщают его жидкостную полость с жидкостной полостью бортового компенсатора объема системы терморегулирования аппарата, и периодически в течение срока эксплуатации аппарата на орбите включают в работу электрообогреватель гидроаккумулятора, поддерживая давление теплоносителя по показаниям датчика давления в диапазоне от значения, превышающего максимально возможное рабочее давление теплоносителя при работе бортового компенсатора объема, до максимально допустимого рабочего давления в жидкостном тракте на входе в электронасосный агрегат системы терморегулирования, и по факту обеспечения данного диапазона изменения давления теплоносителя в течение требуемого срока эксплуатации судят о работоспособности гидроаккумулятора в условиях его эксплуатации в космосе.

2. Способ квалификации гидроаккумулятора системы терморегулирования космического аппарата по п.1, отличающийся тем, что в случае разгерметизации указанной емкости с газом гидроаккумулятор выполняет функцию компенсатора объема системы терморегулирования аппарата.