СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОСТНОГО ТРАКТА 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 изготовления жидкостных трактов систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА).

Известны способы изготовления жидкостных трактов систем терморегулирования (СТР) космического аппарата (КА) по патентам Российской Федерации (РФ) №2151722 [1], №2237600 [2], 2144891 [3].

На основе вышеуказанных технических решений жидкостный тракт СТР КА, представляющий из себя замкнутый герметичный циркуляционный контур, заполненный деаэрированным (без растворенного воздуха) жидким теплоносителем (включающий компенсатор объема, газовая полость которого заполнена газом, поступающим из полости термоконтейнера, имеет заправочный клапан и разделена сильфоном от его жидкостной полости, заполненной деаэрированным теплоносителем, соединенной с остальной частью жидкостного тракта, содержащей радиатор, сотовые панели с встроенными жидкостными трактами, электронасосный агрегат (ЭНА), заправочный вентиль, соединительные трубопроводы, датчики абсолютного давления и температуры), изготавливают следующим образом:

- изготавливают комплектующие элементы жидкостного тракта СТР (компенсатор объема, ЭНА, заправочный клапан, заправочный вентиль, датчики абсолютного давления и температуры, радиатор, сотовые панели с встроенными жидкостными трактами, соединительные трубопроводы) и осуществляют его сборку;

- проверяют степень герметичности жидкостного тракта на соответствие требуемой норме;

- деаэрируют теплоноситель в емкости заправщика, затем предварительно вакуумированный жидкостный тракт полностью заполняют деаэрированным теплоносителем, после чего из жидкостной полости компенсатора объема сливают требуемую дозу теплоносителя, достаточную для обеспечения компенсации температурного изменения объема теплоносителя в жидкостном тракте СТР в условиях эксплуатации;

- вакуумируют объем газовой полости компенсатора объема;

- измеряют температуру теплоносителя по показаниям датчиков температур и абсолютное давление в жидкостном тракте по показанию датчика абсолютного давления;

- через 20-30 минут зафиксируют значения измеренных абсолютного давления в жидкостном тракте и температуры теплоносителя;

- устанавливают степень деаэрированности заправленного в жидкостный тракт теплоносителя по выполнению установленного авторами соотношения

где p_ДД - значение абсолютного давления в жидкостном тракте в точке измерения датчиком абсолютного давления, Па;

p_{St_изм} - давление насыщенных паров теплоносителя при измеренной температуре теплоносителя, Па;

ρ - плотность теплоносителя, кг/м³;

q - ускорение силы тяжести, м/с²;

ΔН - разность высот (по жидкому теплоносителю) относительно уровня Земли между областью паровой фазы теплоносителя в верхней части жидкостного тракта, образовавшейся после вакуумирования газовой полости, и местом установки датчика абсолютного давления, м;

δp - технологический допуск, Па.

Если после подстановки известных и измеренных данных в вышеуказанное соотношение требуемое равенство (неравенство) выполняется, то это означает, что жидкостный тракт заправлен требуемым деаэрированным теплоносителем, т.е. обеспечено качественное изготовление жидкостного тракта СТР;

- заключительной операцией заправляют газовую полость компенсатора объема газом требуемого давления - его газовую полость соединяют с полостью термоконтейнера, заправленной газом с необходимым рабочим давлением.

В настоящее время приборы КА работоспособны в вакууме и КА изготавливают без термоконтейнера: в связи с этим в жидкостном тракте СТР на основе патента РФ №2209750 [4] вместо компенсатора объема применяется гидроаккумулятор, герметизированная газовая полость которого заправлена определенным количеством двухфазного рабочего тела (т.е. не представляется возможным вакуумировать газовую полость в процессе заправки СТР с целью проверки степени деаэрированности заправленного теплоносителя), а предварительно вакуумированная жидкостная полость, разделенная сильфоном, затем заполнена предварительно деаэрированным теплоносителем и соединена с остальной частью предварительно вакуумированного жидкостного тракта, затем заполненного определенным количеством предварительно деаэрированного теплоносителя.

Как показал анализ, в этом случае нет полной гарантии, что теплоноситель в жидкостном тракте по параметру качества «Степень деаэрированности заправленного в жидкостный тракт теплоносителя» соответствует требуемой норме, т.к. в процессе заправки жидкостного тракта теплоносителем не исключены ошибки операторов и качество заправленного теплоносителя ухудшено (скрытый брак) (возможно, что в теплоносителе растворено недопустимо большое количество воздуха и в этом случае в процессе эксплуатации на орбите в течение требуемого срока ЭНА, начиная с некоторого момента времени, начнет работать неустойчиво - в режиме кавитации из-за постепенного насыщения теплоносителя выделяющимися при радиолизе газами).

Таким образом, существенным недостатком известных технических решений является обеспечение недостаточно высокого качества изготовления жидкостного тракта, когда в его составе применяется гидроаккумулятор с герметизированной газовой полостью, заправленной двухфазным рабочим телом, обусловленное тем, что на основе известных технических решений не представляется возможным контролировать измерениями степень деаэрированности заправленного в жидкостный тракт теплоносителя.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является способ изготовления жидкостного тракта СТР КА на основе [1].

Известный способ изготовления жидкостного тракта СТР КА на основе [1] заключается в следующем (см. фиг.1, где: 1 - жидкостный тракт СТР КА, заправленный деаэрированным теплоносителем 1.1.5; 1.1 - компенсатор объема; 1.1.1 - газовая полость, сообщенная с заправочным клапаном 3.2 и через отсечной вентиль 3.1 с полостью термоконтейнера 3; 1.1.3 - сильфон; 1.1.4 - жидкостная полость, заполненная деаэрированным теплоносителем 1.1.5; 1.1.6-ЭНА; 1.1.7 - датчик абсолютного давления; 1.1.8 - датчики температур; 1.1.9 - радиатор; 1.1.10 - сотовые панели с встроенными в них жидкостными трактами; 1.1.11 - заправочный вентиль; 2 - заправщик; 2.4 - емкость с деаэрируемым теплоносителем 2.1; 2.2 - вакуумный насос; 2.3 - источник сжатого газа; 3 - гермоконтейнер; 3.1 - вентиль отсечной; 3.2 - клапан заправочный):

- изготавливают комплектующие жидкостного тракта 1 СТР КА и осуществляют его сборку;

- проверяют степень герметичности жидкостного тракта 1 на соответствие требуемой норме;

- деаэрируют теплоноситель 2.1 в емкости 2.4 заправщика 2, затем вакуумируют жидкостный тракт 1 и заправляют его полностью деаэрированным теплоносителем 1.1.5;

- создают в газовой полости 1.1.1 повышенное давление и сливают требуемую дозу теплоносителя 1.1.5 из полностью заполненного им жидкостного тракта 1 в мензурку (открыв соответствующий вентиль заправщика), после чего герметично закрывают вентиль 1.1.11;

- закрывают вентиль 3.1, присоединяют шланг 2.2.1 вакуумного насоса 2.2 к заправочному клапану 3.2, открывают его и вакуумируют газовую полость 1.1.1 до абсолютного давления, например, не выше 0,01 Па и закрывают заправочный клапан 3.2; в результате этой операции одновременно происходят следующие процессы: в верхней части жидкостного тракта 1.1.12 в результате кипения теплоносителя образуется паровая фаза теплоносителя (а если есть растворенный в теплоносителе воздух, то образуется паровоздушная подушка), а сильфон 1.1.3 компенсатора объема 1.1 полностью сожмется в результате поступления теплоносителя из остальной части в результате воздействия избыточного давления, равного давлению паровой (паровоздушной) фазы теплоносителя, находящегося в верхней части 1.1.12, плюс давление столба (АН) теплоносителя;

- после вышеуказанной операции через 20-30 минут измеряют значения температур теплоносителя по показаниям температурных датчиков 1.1.8 и абсолютного давления р_ДД в жидкостном тракте по показанию датчика абсолютного давления 1.1.7;

- по данным вышеуказанных измерений по выполнению установленного авторами соотношения (1)

p_ДД≤p_{St_изм}+ρ·q·ΔН+δp

устанавливают степень деаэрированности заправленного в жидкостный тракт 1 теплоносителя 1.1.5:

- если p_ДД≤p_{St_изм}+ρ·q·ΔН+δp, то жидкостный тракт заправлен деаэрированным теплоносителем, удовлетворяющим заданным требованиям, т.е. СТР изготовлена качественно, и ее отсоединяют от заправщика 2 и передают для дальнейших этапов изготовления и испытаний в составе КА;

- если p_ДД≤p_{St_изм}+ρ·q·ΔН+δp, то это означает, что в

заправленном в жидкостный тракт теплоносителе воздуха растворено больше требуемого количества, т.е. СТР изготовлена недостаточно качественно, и теплоноситель из жидкостного тракта 1 сливают и повторно осуществляют процесс заправки его деаэрированным теплоносителем 1.1.5, в том числе осуществляя повторный контроль степени деаэрированности заправленного теплоносителя.

Однако, как было указано выше, если в СТР КА вместо компенсатора объема применяется гидроаккумулятор, вышеописанный способ не обеспечивает осуществление процесса контроля степени деаэрированности заправленного в жидкостный тракт теплоносителя ввиду невозможности вакуумирования герметизированной газовой полости гидроаккумулятора, заправленной двухфазным рабочим телом, т.е. вышеуказанный способ не обеспечивает высококачественное изготовление жидкостного тракта, что является существенным недостатком вышерассмотренного технического решения.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.

Представленная цель достигается тем, что способ изготовления жидкостного тракта системы терморегулирования космического аппарата, содержащего датчики температуры и абсолютного давления, гидроаккумулятор, герметизированная газовая полость которого заправлена двухфазным рабочим телом и разделена сильфоном от его жидкостной полости, соединенной с остальной частью жидкостного тракта, включает осуществление его сборки, затем соединение его через заправочный вентиль с заправщиком, включающим в себя емкость, вакуумный насос, отсечные вентили и источник сжатого газа, вакуумирование жидкостного тракта, полное заполнение его предварительно деаэрированным в емкости заправщика теплоносителем, слив требуемой дозы теплоносителя, измерение значений температур и абсолютного давления в жидкостном тракте, определение степени деаэрированности заправленного теплоносителя требуемой норме по выполнению установленного соотношения:

p_ДД≤p_{St_изм}+ρ·q·ΔН+δp

где p_ДД - значение абсолютного давления в жидкостном тракте в точке измерения датчиком абсолютного давления, Па;

p_{St_изм} - давление насыщенных паров теплоносителя при измеренной температуре теплоносителя, Па;

ρ - плотность теплоносителя, кг/м³;

q=9,80665 м/с² - ускорение силы тяжести;

ΔН - разность высот относительно уровня Земли между областью паровой фазы теплоносителя в верхней части жидкостного тракта и местом установки датчика абсолютного давления, м;

δp - технологический допуск, Па, согласно изобретению перед измерениями значений температур и абсолютного давления теплоносителя в жидкостном тракте из него сливают в емкость заправщика, создав вакуум над зеркалом теплоносителя, предварительную дозу теплоносителя в количестве

ΔV_{сл.доза_предвар}=ΔV_{компенсир}+δV

где ΔV_{сл.доза_предвар} - количество предварительно сливаемой дозы теплоносителя, дм³;

ΔV_{компенсир} - компенсируемое изменение объема теплоносителя в жидкостной полости гидроаккумулятора при перекладке сильфона из одного крайнего положения в другое, определенное при изготовлении гидроаккумулятора, дм³;

δV - расчетное количество теплоносителя, достаточное для гарантированного образования области паровой фазы теплоносителя в верхней части жидкостного тракта, дм³,

а после определения степени деаэрированности заправленного теплоносителя требуемой норме согласно выполнению вышеуказанного установленного соотношения жидкостный тракт дозаправляют полностью деаэрированным теплоносителем, и затем из него сливают в емкость заправщика требуемую дозу теплоносителя, 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 изготовления жидкостного тракта системы терморегулирования космического аппарата.

Согласно предложенному авторами техническому решению с существенной новизной жидкостный тракт СТР КА изготавливают следующим образом (см. фиг.2, где: 1 - жидкостный тракт СТР КА, заправленный деаэрированным теплоносителем 1.1.5; 1.1 - гидроаккумулятор; 1.1.1 - герметизированная газовая полость, заправленная двухфазным рабочим телом 1.1.2; 1.1.3 - сильфон; 1.1.4 - жидкостная полость, заполненная деаэрированным теплоносителем 1.1.5; 1.1.6 - ЭНА; 1.1.7 - датчик абсолютного давления; 1.1.8 - датчики температур; 1.1.9 - радиатор; 1.1.10 - сотовые панели с встроенными в них жидкостными трактами; 1.1.11 - заправочный вентиль; 2 - заправщик; 2.4 - емкость с деаэрированным теплоносителем 2.1; 2.2 - вакуумный насос; 2.3 - источник сжатого газа):

- изготавливают комплектующие жидкостного тракта 1 СТР КА и осуществляют его сборку;

- проверяют степень герметичности жидкостного тракта 1 на соответствие требуемой норме;

- деаэрируют теплоноситель (с растворенным воздухом - деаэрируемый теплоноситель) 2.1 в емкости 2.4 заправщика 2, затем вакуумируют жидкостный тракт 1 и заправляют его полностью деаэрированным теплоносителем 1.1.5;

- определяют количество предварительно сливаемой из жидкостного тракта дозы теплоносителя по соотношению

ΔV_{сл.доза_предвар}=ΔV_{компеисир}+δV

где ΔV_{сл.доза_предвар} - количество предварительно сливаемой дозы теплоносителя, дм³;

V_{компенсир} - компенсируемое изменение объема теплоносителя в жидкостной полости гидроаккумулятора при перекладке сильфона из одного крайнего положения в другое, определенное при изготовлении гидроаккумулятора, дм³;

δV - расчетное количество теплоносителя, достаточное для гарантированного образования области паровой фазы теплоносителя в верхней части жидкостного тракта, дм³ (например, 0,2-0,5 дм³),

- вакуумируют полость 2.4.1 над зеркалом теплоносителя 2.1 в емкости заправщика 2.4 до давления, например, не выше 0,01 Па, и, плавно открыв заправочный вентиль 1.1.11, сливают из жидкостного тракта 1 в емкость заправщика 2.4 предварительную дозу теплоносителя, равную ΔV_{сл.доза_предвар} (контролируя по уровнемеру 2.5), и закрывают заправочный вентиль 1.1.11: в результате проведения этой операции сильфон гидроаккумулятора под воздействием упругости паров рабочего тела полностью растянут в результате ухода теплоносителя из жидкостной полости 1.1.4 в емкость заправщика, а затем в результате обеспечения ухода соответствующего количества теплоносителя (например, 0,2-0,5 дм³) из жидкостного тракта в емкость заправщика под воздействием повышенного давления, равного давлению паровой (паровоздушной) фазы теплоносителя плюс давление столба (ΔH) теплоносителя, в верхней части 1.1.1.2 жидкостного тракта в результате кипения его образовалась паровая подушка теплоносителя (а если есть растворенный воздух, то - паровоздушная подушка);

- после вышеуказанной операции через 20-30 минут измеряют значения температур теплоносителя по показаниям температурных датчиков 1.1.8 и абсолютного давления р_ДД в жидкостном тракте по показанию датчика абсолютного давления 1.1.7;

- по данным вышеуказанных измерений по выполнению установленного соотношения (1)

p_ДД≤p_{St_изм}+ρ·q·ΔН+δp

определяют степень деаэрированности заправленного в жидкостный тракт 1 теплоносителя 1.1.5:

- если p_ДД≤p_{St_изм}+ρ·q·ΔН+δp, то жидкостный тракт заправлен деаэрированным теплоносителем, удовлетворяющим заданным требованиям, и повторно деаэрируют теплоноситель 2.1 в емкости 2.4 (вакуумируют над зеркалом в течение промежутка времени до достижения стабильного значения упругости паров над зеркалом); затем создают повышенное давление воздуха над зеркалом теплоносителя 2.1 и, открыв вентиль 1.1.11, обратно возвращают предварительно слитый объем теплоносителя в жидкостный тракт 1, затем из него сливают в емкость заправщика требуемую дозу теплоносителя и закрывают вентиль 1.1.11; таким образом, СТР изготовлена качественно и ее отсоединяют от заправщика 2 и передают для дальнейших этапов изготовления и испытаний в составе КА;

- если p_ДД≤p_{St_изм}+ρ·q·ΔН+δp, то это означает, что в заправленном в жидкостный тракт теплоносителе воздуха растворено больше требуемого количества, т.е. СТР изготовлена недостаточно качественно, и теплоноситель из жидкостного тракта 1 сливают и повторно осуществляют процесс заправки его деаэрированным теплоносителем 1.1.5, в том числе осуществляя повторный контроль степени деаэрированности заправленного теплоносителя согласно вышеуказанному.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, предложенное авторами существенно новое техническое решение обеспечивает высококачественное изготовление жидкостного тракта 1, включающего в себя гидроаккумулятор 1.1, герметизированная газовая полость которого 1.1.1 заправлена двухфазным рабочим телом 1.1.2, по параметру качества «Степень деаэрированности заправленного в жидкостный тракт СТР КА теплоносителя», что обеспечит стабильную работу ЭНА и СТР в целом в течение требуемого срока эксплуатации КА на орбите, например, 15 лет, т.е. тем самым достигается цель изобретения.

В настоящее время вышеуказанное предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на изготовление жидкостного тракта СТР вновь разрабатываемого КА.

Изобретение относится к системам терморегулирования космических аппаратов, в жидкостном тракте которых применяется гидроаккумулятор с герметизированной газовой полостью, заправленной двухфазным рабочим телом. Способ включает сборку жидкостного тракта и контроль степени его герметичности. После этого жидкостный тракт вакуумируют и полностью заполняют деаэрированным (без растворенного воздуха) теплоносителем. Затем, создав вакуум над зеркалом теплоносителя в емкости заправщика, сливают предварительную расчетную дозу теплоносителя из жидкостного тракта в емкость заправщика и отсекают тракт от заправщика. После этого измеряют значения температур и абсолютного давления в жидкостном тракте и на основе измеренных данных определяют соответствие степени деаэрированности заправленного в жидкостный тракт теплоносителя требуемой норме (по выполнению определенного соотношения). Если это соотношение выполняется, то жидкостный тракт дозаправляют полностью деаэрированным теплоносителем и затем осуществляют слив требуемой дозы теплоносителя из жидкостного тракта в емкость заправщика. Технический результат изобретения состоит в обеспечении высококачественного (с гарантированной степенью деаэрированности теплоносителя) изготовления указанного жидкостного тракта. 2 ил.

Способ изготовления жидкостного тракта системы терморегулирования космического аппарата, содержащего датчики температуры и абсолютного давления, гидроаккумулятор, герметизированная газовая полость которого заправлена двухфазным рабочим телом и отделена сильфоном от его жидкостной полости, соединенной с остальной частью жидкостного тракта, включающий осуществление его сборки, затем соединение его через заправочный вентиль с заправщиком, включающим в себя емкость, вакуумный насос, отсечные вентили и источник сжатого газа, вакуумирование жидкостного тракта, полное заполнение его предварительно деаэрированным в емкости заправщика теплоносителем, слив требуемой дозы теплоносителя, измерение значений температур и абсолютного давления в жидкостном тракте, определение соответствия степени деаэрированности заправленного теплоносителя требуемой норме по выполнению установленного соотношения:
р_ДД≤р_{St_изм}+ρ·q·ΔH+δр,
где р_ДД - значение абсолютного давления в жидкостном тракте в точке измерения датчиком абсолютного давления, Па,
p_{St_изм} - давление насыщенных паров теплоносителя при измеренной температуре теплоносителя, Па,
ρ - плотность теплоносителя, кг/м³,
q=9,80665 м/с² - ускорение силы тяжести,
ΔН - разность высот относительно уровня Земли между областью паровой фазы теплоносителя в верхней части жидкостного тракта и местом установки датчика абсолютного давления, м,
δp - технологический допуск, Па,
отличающийся тем, что перед измерениями значений температур и абсолютного давления теплоносителя в жидкостном тракте из него сливают в емкость заправщика, создав вакуум над зеркалом теплоносителя, предварительную дозу теплоносителя в количестве
ΔV_{сл.доза_предвар}=ΔV_{компенсир}+δV,
где ΔV_{сл.доза_предвар} - количество предварительно сливаемой дозы теплоносителя, дм³,
ΔV_{компенсир} - компенсируемое изменение объема теплоносителя в жидкостной полости гидроаккумулятора при перекладке сильфона из одного крайнего положения в другое, определенное при изготовлении гидроаккумулятора, дм³,
δV - расчетное количество теплоносителя, достаточное для гарантированного образования области паровой фазы теплоносителя в верхней части жидкостного тракта, дм³,
а после определения соответствия степени деаэрированности заправленного теплоносителя требуемой норме согласно выполнению вышеуказанного установленного соотношения жидкостный тракт дозаправляют полностью деаэрированным теплоносителем, и затем из него сливают в емкость заправщика требуемую дозу теплоносителя.