СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B64G1/50 

Данное техническое решение относится к терморегулированию космических аппаратов (КА) и может быть использовано в ракетно-космической технике.

Известен способ терморегулирования КА (см. информацию на КА по программе «Ураган», журнал «Новости космонавтики» №02, 1999 г. Статья «В полете тройка «Ураганов» и реферат «Спутниковые системы навигации GPS и Глонасс», л.19, 20), при котором алюминиевый корпус герметичного контейнера, содержащий служебную и научную аппаратуру, защищают с наружной стороны теплоизоляцией, снабжают его створками жалюзи, защищенными теплоизоляцией, и приводимыми во вращательное движение на закрытие-открытие электроприводами по командам блока управления системы теплового режима (БУСТР) герметичного контейнера по сигналам от температурных датчиков.

При работе приборов служебной и научной аппаратуры требуется поддерживать определенный тепловой режим, поэтому при повышении температуры газовой среды гермоконтейнера от излучения работающих приборов температурными датчиками на блок управления тепловым режимом гермоконтейнера подается команда на включение электроприводов, которые приоткрывают створки жалюзи и незащищенными теплоизоляцией терморадиационными поверхностями оболочки гермоконтейнера обеспечивается сброс излучением лишнего количества тепла. При понижении температуры газовой среды гермоконтенера температурными датчиками на блок управления тепловым режимом гермоконтейнера поступает команда на вращение электроприводов в обратную сторону, которые закрывают створки жалюзи, сброс тепла незащищенными теплоизоляцией терморадиационными поверхностями оболочки гермоконтейнера прекращается.

Такой способ терморегулирования КА обладает существенными недостатками:

- для КА требуется аппаратура для контроля за температурой газовой среды гермоконтейнера и для управления электроприводами;

- необходимо большое количество температурных датчиков;

- необходимы электроприводы;

- необходимо дополнительное электропитание для электроприводов в виде солнечных батарей и дополнительное резервное электропитание в виде аккумуляторных батарей;

- большая масса комплектующих системы терморегулирования КА;

- невысокая степень надежности системы терморегулирования КА из-за большого количества ее элементов и возможности отказа одного из них;

- большая трудоемкость настройки системы терморегулирования КА;

- нерациональное использование энергии излучения работающих приборов КА.

Целями настоящего технического решения являются:

- повышение надежности работы системы терморегулирования КА за счет снижения количества элементов системы терморегулирования КА и за счет повышения надежности работы элементов этой системы;

- снижение массы системы терморегулирования КА;

- исключение из системы терморегулирования КА электроприводов;

- исключение из системы терморегулирования КА элементов электропитания;

- обеспечение автоматического терморегулирования КА;

- рациональное использование энергии излучения работающих приборов.

Известно, что корпус КА, обычно выполняемый из алюминия или его сплавов, имеет наибольший постоянный тепловой коэффициент линейного расширения и при изменении температуры корпуса КА происходит его тепловая деформация. Эта циклическая тепловая деформация расширения корпуса КА, получаемая при его нагревании от излучения работающих приборов КА, и тепловая деформация уменьшения размеров корпуса КА охлаждением его при открытии створок жалюзи не используется рационально в общем балансе энергопотребления КА.

Для исключения данных недостатков по использованию паразитной энергии излучения тепла приборами предлагается устанавливать внутри корпуса КА в контакте с его терморадиационной поверхностью вдоль его большего размера стержень из материала со значительно меньшим тепловым коэффициентом линейного расширения, прикрепляя один конец стержня к одной из торцевых стенок корпуса КА, а другой конец стержня прикрепляя к устройству, преобразующему тепловую линейную деформацию корпуса КА в увеличенные линейные перемещения для управления створками жалюзи, закрепленному на противоположной торцевой стенке корпуса КА. Наиболее рационально применять способ терморегулирования КА с использованием в качестве материала для стержня сплава инвара марки Н36, коэффициент теплового расширения которого не более α=1,5×0,000001/град в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 100°С.

На фиг.1 изображено терморегулирующее устройство КА по предложенному способу в исходном положении с закрытыми створками жалюзи (вид на КА сверху).

На фиг.2 изображено терморегулирующее устройство КА по предложенному способу в исходном положении с открытыми створками жалюзи (вид на КА сверху).

На фиг.3 изображено терморегулирующее устройство КА в сечении А-А (сечение А-А на фиг.1).

На фиг.4 изображена графика узла Б (вариант устройства, преобразующего тепловую линейную деформацию корпуса КА в увеличенные линейные перемещения, например полиспаста с элементами терморегулирующего устройства).

На фиг.5 изображена графика узла Б (вариант устройства, преобразующего тепловую линейную деформацию корпуса КА в увеличенные линейные перемещения, например, в виде устройства системы двуплечих рычагов с элементами терморегулирующего устройства). Устройство изображено в положении конечной фазы охлаждения КА.

На фиг.6 изображена графика узла Б (вариант устройства, преобразующего тепловую линейную деформацию корпуса КА в увеличенные линейные перемещения, например, в виде устройства системы двуплечих рычагов с элементами терморегулирующего устройства). Устройство изображено в положении начальной фазы охлаждения КА.

Устройство терморегулирования КА, сформированное по предложенному способу, изображено на фиг.1. Устройство терморегулирования КА состоит из корпуса 1 КА, теплоизоляции 2 корпуса, стержня 3 с наименьшим тепловым коэффициентом линейного расширения, кронштейна 4 крепления стержня 3 к корпусу 1 КА, устройства 5, преобразующего тепловую линейную деформацию КА в увеличенные линейные перемещения, используемые для вращения створок жалюзи, створки жалюзи 6, оси 7 створок жалюзи 6, барабана 8, жестко закрепленного на оси 7, нити 9, передающей и преобразующей линейные перемещения во вращательные от устройства 5 на барабан 8 и пружины заневоливания 10.

Терморегулирующее устройство КА в исходном положении изображено на фиг.1. Створки жалюзи 6 с элементами теплоизоляции 2 закрывают терморадиационную поверхность КА и при этом нити 9, закрепленные на барабанах 8, удерживают жалюзи 6 пружиной 10 в таком равновесном положении, пока тепловой режим корпуса 1, закрытого снаружи теплоизоляцией 2, находится в заданном отрегулированном температурном интервале температур. При нагревании корпус КА 1 и находящийся с ним в контакте стержень 3 удлиняются, но так как алюминиевый корпус КА удлиняется значительно больше, чем стержень 3 из сплава инвар 36Н, то разница тепловой деформации корпуса КА 1 и стержня 3 растягивает устройство 5 (например, полиспаст) за такелажные узлы, а нить 9 «втягиваясь» и распределяясь на блоках полиспаста поворачивает барабан 8 совместно со створкой 6 на оси 7, открывая терморадиационную поверхность корпуса КА 1 и растягивая пружину 10. Открытая створками 6 терморадиационная поверхность корпуса КА 1 сбрасывает тепло излучением и температура корпуса КА 1 понижается.

При понижении температуры корпус КА 1 и находящийся с ним в контакте стержень 3 уменьшаются в размерах за счет сброса тепла излучением. Так как алюминиевый корпус КА уменьшается в размерах больше, то тепловое напряжение на устройство 5 ослабевает, уменьшается усилие натяжения нити 9 и пружина 10, сжимаясь, вытягивает с барабана 8 нить 9. Створки 6 закрывают терморадиационную поверхность корпуса 1 КА. Сброс тепла прекращается. Цикл - нагрев корпуса КА и затем его охлаждение автоматически завершен.

В качестве устройства для увеличения теплового линейного перемещения можно использовать двуплечий рычаг, но он будет иметь большие габариты, т.к. для преобразования малых тепловых деформаций в увеличенные линейные перемещения нужен большой коэффициент соотношения плеч рычага. Для уменьшения габаритов рычажного устройства в нем необходимо использовать систему двуплечих рычагов. На фиг.5 и 6 представлена схема рычажного устройства с системой двуплечих рычагов.

Использование способа терморегулирования корпуса КА за счет его тепловой деформации позволяет:

- снизить массу комплектующих системы терморегулирования КА;

- исключить из системы терморегулирования КА электроприводы;

- исключить из системы терморегулирования КА элементы электропитания;

- обеспечить автоматическое терморегулирование КА;

- рационально использовать энергию излучения работающих приборов.

Изобретения относятся к методам и средствам регулирования температуры космического аппарата (КА). Способ и устройство основаны на использовании различия коэффициентов линейного расширения корпуса (1) КА (из алюминиевого сплава) и металлического стержня (3) (например, из сплава инвар). КА снабжен створками жалюзи (6) с теплоизоляцией (2), приводимыми во вращение приводом разворота створок. Этот привод содержит закрепленные на осях (7) створок барабаны (8), на которые навита нить (9), закрепленный на корпусе (1) стержень (3) и преобразующее устройство (5). Последнее связано одним концом с нитью (9), а другим концом со стержнем (3). Оно преобразует линейную разность тепловых деформаций корпуса (1) КА и стержня (3) в перемещение (натяжение или ослабление) нити (9) при вращении барабана (8) в процессе открытия или закрытия створок (6). Устройство (5) м.б. выполнено в виде полиспаста, подвешенного за кронштейн (4), либо в виде системы двуплечих рычагов. Технический результат изобретений состоит в упрощении и повышении надежности системы терморегулирования КА, уменьшении энергопотребления и общей массы КА. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ терморегулирования космического аппарата (КА), заключающийся в том, что корпус КА защищают теплоизоляцией, снабжают его створками жалюзи, защищенными теплоизоляцией и приводимыми во вращательное движение на закрытие-открытие приводами, отличающийся тем, что приводы разворота створок жалюзи, обеспечивающие их вращательное движение на закрытие-открытие, выполняют в виде устройства с заневоленными крутящим моментом барабанами, жестко закрепленными на осях створок жалюзи, и с навитой на барабаны нитью, которой обеспечивают разворот барабанов совместно со створками жалюзи за счет ее натяжения-ослабления устройством, преобразующим разницу линейной тепловой деформации алюминиевого корпуса КА и металлического стержня с меньшим коэффициентом линейного расширения в увеличенные линейные перемещения, которым передают указанную разницу линейной тепловой деформации корпуса КА и металлического стержня, а устройство, преобразующее эту разницу в увеличенные линейные перемещения, выполняют, например, в виде полиспаста или системы двуплечих рычагов.

2. Устройство терморегулирования КА, содержащее корпус КА, теплоизоляцию наружной поверхности, терморадиационную поверхность, закрытую створками жалюзи с теплоизоляционным покрытием, и привод открытия-закрытия створок жалюзи, отличающееся тем, что приводом открытия-закрытия створок жалюзи является устройство, использующее разницу температурной деформации алюминиевого корпуса КА и металлического стержня с меньшим коэффициентом линейного расширения, прикрепленного одним концом к корпусу КА, а другим концом к устройству, увеличивающему линейную разницу тепловой деформации корпуса КА и металлического стержня, причем от данного устройства увеличенная линейная разница тепловой деформации гибкой связью передается на барабаны, каждый из которых жестко связан соосно с заневоленной, например, пружиной осью створки жалюзи, которая при нагревании-охлаждении корпуса КА и металлического стержня соответственно открывается-закрывается, обеспечивая регулирование теплового режима КА, а устройством, увеличивающим линейную разницу тепловой деформации корпуса КА и металлического стержня, служит, например, полиспаст или система двуплечих рычагов.