СПОСОБ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА, РАСПОЛОЖЕННОГО НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК B64G1/50 F28C3/06 

Изобретение относится к космической технике, конкретно к системам терморегулирования объектов, расположенных на космических аппаратах, и может быть использовано на предприятиях, занимающихся разработкой и эксплуатацией космической техники.

В настоящее время основным звеном отечественной космической программы являются пилотируемые долговременные космические объекты, например МКС, предназначенные для решения широкого круга научных, народно-хозяйственных и других задач.

Одной из главных служебных систем космических объектов является гидравлическая система терморегулирования (СТР), предназначенная для обеспечения необходимого температурно-влажностного режима атмосферы жилых и приборных отсеков, заданного температурного режима аппаратуры, оборудования, элементов конструкции и т.п.

Гидравлические СТР представляют собой взаимосвязанный комплекс замкнутых гидравлических контуров, объединяющих элементы для сбора, транспортировки и удаления избыточного тепла и влаги из объектов, а также содержат средства для сброса тепла в окружающее пространство - радиаторы-излучатели.

Известен способ терморегулирования объекта, расположенного на космическом аппарате, включающий расход жидкого теплоносителя через радиатор-излучатель и байпасную магистраль; терморегулирование объекта обеспечивается за счет изменения соотношения расхода этого теплоносителя между радиатором - излучателем и байпасной магистралью в зависимости от заранее заданной температуры, и устройство, обеспечивающее терморегулирование объекта, расположенного на космическом аппарате, включающее радиатор-излучатель, регулятор расхода с байпасной магистралью, насосом переменной производительностью, объектом регулирования и чувствительный элемент, связанный с регулятором расхода жидкости (патент RU №2187083 C2, МПК: G01K 17/10 (2006.01), «Способ регулирования температуры теплоносителя в системе терморегулирования космического аппарата с излучательным радиатором»).

Недостатком способа и устройства, его реализующего, является то, что процесс терморегулирования в них не связан с процессом отделения воды в объектах, расположенных на космических аппаратах.

Количество тепла, содержащегося в объекте, в котором происходят процессы, связанные как с выделением тепла, так и с выделением пара, зависит не только от температуры в объекте, но и от количества пара (влаги), которое может выделяться в объеме этого объекта в результате всевозможных физических, химических, биологических и других процессов. Поэтому терморегулирование системы не может быть решено без отбора пара (влаги) из объема объекта, расположенного на космическом аппарате.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение сброса тепла и влаги в процессе терморегулирования объекта.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение надежности и ресурса работы объекта, расположенного на космическом аппарате;

- исключение пожаровзрывоопасной ситуации за счет отбора конденсата на токопроводящих элементах.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе терморегулирования объекта, расположенного на космическом аппарате, изменяют соотношение расхода жидкого теплоносителя между радиатором-излучателем и байпасной магистралью для обеспечения заданной температуры объекта, через терморегулируемый объект прокачивают газ, который смешивается с образовавшемся в объекте паром, затем в полученную парогазовую смесь впрыскивают жидкий теплоноситель с расходом, обеспечивающим заданную температуру и получение конденсата из пара, после чего конденсат, жидкий теплоноситель и газ смешивают с жидким теплоносителем, подаваемым с давлением, значение которого превышает давление полученной смеси, отделяют газ от жидкого теплоносителя и подают его в терморегулируемый объект, а жидкий теплоноситель прокачивают через радиатор - излучатель и охлаждают его до ранее заданной температуры. При этом в качестве теплоносителя используют воду, а в качестве газа - воздух.

Технический результат достигается также и тем, что в устройство для терморегулирования объекта, расположенного на космическом аппарате, включающее терморегулируемый объект, магистраль терморегулирования, на которой последовательно установлены насос с переменной производительностью, регулятор расхода воды с байпасной магистралью, радиатор-излучатель, чувствительный элемент, связанный с регулятором расхода воды, введены: вентилятор, выход которого соединен с входом в терморегулируемый объект, смеситель по газу и воде, вход которого по газу соединен с выходом из терморегулируемого объекта, магистраль подачи воды в смеситель по газу и воде, смеситель по газу и воде, смеситель по воде и воде, смешанной с газом, устройство для разделения жидкости и газа с входным, выходным и дренажным патрубками, входной патрубок которого соединен трубопроводом с входом смесителя по воде и воде, смешанной с газом, выходной патрубок соединен трубопроводом, на котором установлены два обратных клапана и емкость с сильфоном, заполненным водой, с магистралью терморегулирования, дренажный патрубок соединен трубопроводом, на котором установлен датчик давления, с входом в вентилятор, а к магистрали термостатирования подсоединена магистраль подачи воды в смеситель по газу и воде, на которой установлены: компенсатор, насос с переменной производительностью, клапан сброса воды, при этом выход смесителя по газу и воде соединен с входом смесителя по воде и воде, смешанной с газом, причем внутренняя полость емкости с сильфоном, заполненным водой, соединена с датчиком давления и вакуумным насосом, последовательно соединенным с газовым баллоном и параллельно - с электроклапаном.

Сущность изобретения заключается в том, что через терморегулируемый объект производят прокачку осушенного и охлажденного газа (воздуха). Воздух не только нагревается, забирая тепло из терморегулируемого объекта, но и при этом впитывает влагу, выделяемую в этот период в объекте. После этого влажный и нагретый воздух охлаждается впрыском охлажденной до заданной температуры воды, которая обеспечивается за счет изменения соотношения расхода жидкого теплоносителя между радиатором-излучателем и байпасной магистралью. Благодаря этому воздух не только охлаждается, но в нем происходит одновременно конденсация пара, то есть превращение газообразного воздуха в смесь воздуха с каплями жидкости. Эта смесь воздуха с каплями жидкости, благодаря инжекции, то есть подачи охлажденной воды под повышенным давлением в эту смесь, поступает в устройство для разделения воды от газа («Устройство для разделения жидкости и газа в условиях невесомости», патент RU №2165871, МПК: B64G 1/46 (2006.01), B64D 37/22 (2006.01), B01D 17/00 (2006.01)). В этом устройстве отделение воды от газа осуществляют сначала за счет механического разделения фаз, затем за счет капиллярных сил, приложенных к объему жидкости. В предлагаемом способе создается перепад давления между газовой полостью устройства для разделения жидкости от газа и поверхностью жидкости и за счет разности капиллярных давлений жидкости обеспечивается раздельное движение жидкости и газа. Этот перепад давлений создается благодаря вакуумированию сильфона, заполненного жидкостью.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображена принципиальная пневмогидросхема терморегулирования объекта, расположенного на космическом аппарате, где обозначено:

1 - радиатор-излучатель;

2 - регулятор расхода жидкости;

3 - байпасная магистраль;

4 - насос с переменной производительностью;

5 - терморегулируемый объект;

6 - чувствительный элемент;

7 - вентилятор;

8 - устройство для разделения жидкости и газа;

9 - емкость;

10- сильфон;

11 - клапан сброса воды;

12 - смеситель по газу и воде;

13 - магистраль терморегулирования;

14 - компенсатор;

15, 16 - обратные клапаны;

17 - вакуумный насос;

18 - газовый баллон;

19 - электроклапан;

20, 21 - датчики давления.

Устройство для терморегулирования объекта, расположенного на космическом аппарате, содержит радиатор-излучатель 1, регулятор расхода жидкости 2, байпасную магистраль 3, насос с переменной производительностью 4 и чувствительный элемент 6, входящие в состав магистрали терморегулирования 13. К магистрали терморегулирования 13 подсоединены: клапан сброса воды 11 и компенсатор 14. Магистраль 13 подсоединена к входу смесителя по газу и воде 12. Выход из смесителя по газу и воде 12 подсоединен к входному патрубку устройства для разделения жидкости и газа 8. Выходной патрубок устройства для разделения жидкости и газа 8 соединен трубопроводом с магистралью 13. На этом трубопроводе установлены обратные клапаны 15, 16. Между этими клапанами установлена емкость 9 с сильфоном 10, заполненным водой, при этом сильфон соединен трубопроводом, на котором установлены обратные клапаны 15, 16. Внутренняя полость емкости 9 соединена с датчиком давления 20 и вакуумным насосом 17, последовательно соединенным с газовым баллоном 18 и параллельно с электроклапаном 19. Дренажный патрубок устройства для разделения жидкости и газа 9 соединен трубопроводом, на котором установлен датчик давления 21 и вентилятор 7, выход которого соединен с входом в терморегулируемый объект 5. Выход из терморегулируемого объекта 5 соединен с входом по газу смесителя по газу и воде 12.

Устройство работает следующим образом.

Процесс терморегулирования расположенного на космическом аппарате объекта 5 происходит за счет прокачки жидкого теплоносителя насосом с переменной производительностью 4 в радиатор-излучатель 1. В объекте 5 происходит не только выделение тепла, но и выделение влаги в атмосферу объекта. Вентилятором 7 подают сухой, охлажденный до заданной температуры, воздух. В этот воздух после нагрева и насыщения влагой на выходе из объекта 5 впрыскивается вода, охлажденная до заданной температуры. Заданная температура обеспечивается по сигналу чувствительного элемента 6 за счет изменения соотношения расхода жидкого теплоносителя регулятором расхода 2 между радиатором-излучателем 1 и байпасной магистралью 3. Благодаря этому воздух не только охлаждается до заданной температуры, но в нем происходит одновременно конденсация пара, то есть превращение газообразного воздуха в смесь воздуха с каплями жидкости.

Впрыскивание воды, охлажденной до заданной температуры, происходит в смесителе по газу и воде 12, в котором происходит процесс смешивания воздуха, насыщенного паром с водой, охлажденной до заданной температуры. Этот смеситель представляет собой известный инжектор (см. Е.Я.Соколов, Н.М.Зингер «Струйные аппараты», «Энергоатомиздат», Москва, 1989 г.). Рабочий поток, который поступает в смеситель по газу и воде 12, создается водой с высоким давлением и с заданной температурой, который подается из магистрали 13 с высоким давлением, создаваемым насосом 4. Инжектирующим потоком, поступающим в смеситель по газу и воде 12, является воздух, выходящий из объекта терморегулирования 5. Воздух, смешиваясь с водой, охлажденной до заданной температуры, образует сжатый поток, который поступает в устройство для разделения жидкости и газа 8, где поток разделяется на воду и воздух. Устройство 8 представляет собой известное устройство (см. «Устройство для разделения жидкости и газа в условиях невесомости», патент RU №2165871, МПК: B64G 1/46 (2006.01), B64D 37/22 (2006.01), B01D 17/00 (2006.01)), которое состоит из входного, выходного и дренажного патрубков. При этом выходной патрубок, согласно патенту, связан с капиллярным заборным устройством. Отделение воды от газа осуществляют сначала за счет механического разделения фаз, затем за счет капиллярных сил, приложенных к объему жидкости. Наличие капиллярных сил связано с тем, что в капиллярное заборное устройство введена смачиваемая ткань, которая проницаема для жидкости. Будучи смоченной, такая ткань непроницаема для газа и применяется для отделения его от жидкости. Это сохраняется до тех пор, пока разность внешних давлений не превысит максимального значения капиллярного давления. Разность внешних давлений, при которой непроницаемость утрачивает силу (способность разделять фазы), называется капиллярной удерживающей способностью (КУС). Количество жидкости, которое впитывается в смачиваемую ткань, зависит от гидрофильных свойств этой жидкости и массы смачиваемой жидкости. От этого зависит и КУС. Именно за счет поддержания разности давлений между датчиками давлений 20 и 21 обеспечивается забор влаги из объекта 5. Это обеспечивается следующим образом. Температура воды, которая впрыскивается в выходящую из объекта 5 смесь воздуха с паром, охлаждена, до определенной заранее заданной температуры. Это связано с тем, что в объекте 5 необходимо поддерживать температуру в определенных пределах, не допускающих как снижение нижнего уровня, так и повышения верхнего. На выходе из объекта 5 смесь воздуха с паром нагревается до верхнего предела и одновременно насыщается влагой. Смешивание воздуха, выходящего из объекта 5, с водой в смесителе 12 охлаждает воздух и конденсирует пар на выходе из смесителя 12. Смесь воздуха с конденсированной влагой поступает в устройство для разделения жидкости и газа 8, откуда жидкость, благодаря отвакуумированной внутренней полости емкости 9, поступает через обратный клапан 15 в сильфон 10. Поступление жидкости обеспечивается за счет капиллярных сил и повышенного давления, которое фиксируется датчиком 21, относительно более низкого давления, которое фиксируется датчиком давления 20. Вакуумирование внутренней полости емкости 9 осуществляется за счет перекачки газа из внутренней полости емкости 9 в газовый баллон 18 вакуумным насосом 17. После заполнения сильфона 10 жидкостью открывается электроклапан 19 и жидкость через обратный клапан 16 (клапан 15 в этот момент закрывается) поступает в компенсатор 14. По мере заполнения компенсатора 14 происходит регулярный сброс жидкости из терморегулируемой магистрали 13, за счет открытия клапана сброса воды 11. После перекачки воды в магистраль 13 закрывается электроклапан 19, включается вакуумный насос 17 и начинает происходить отсос жидкости из устройства 8 через обратный клапан 15 в сильфон 10.

Таким образом, предложенным изобретением решается задача не только поддержания заданной температуры объекта, расположенного на космическом аппарате, но и поддержание влагосодержания в атмосфере объекта, что исключает выпадения влаги на приборы и устройства, находящиеся в объекте, повышает надежность, исключает пожаровзрывоопасную ситуацию, связанную с возникновением короткого замыкания, так как исключается конденсация влаги на токопроводящих элементах, что обеспечивает повышенный ресурс функционирования объекта, расположенного на космическом аппарате.

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования объектов, расположенных на космических аппаратах, и может быть использовано на предприятиях, занимающихся разработкой и эксплуатацией космической техники. Процесс терморегулирования объекта происходит за счет прокачки жидкого теплоносителя (воды) насосом с переменной производительностью в радиатор-излучатель через магистраль терморегулирования. Вентилятором подают сухой, охлажденный до заданной температуры газ (воздух), который смешивается с образовавшимся в объекте паром. Затем в полученную парогазовую смесь впрыскивают жидкий теплоноситель (воду) с расходом, обеспечивающим заданную температуру и получение конденсата из пара. Вода подается с давлением, значение которого превышает давление полученной смеси. Впрыскивание происходит в смесителе по газу и воде, в котором происходит процесс смешивания до заданной температуры. Смесь воздуха с конденсированной влагой поступает в устройство для разделения жидкости и газа, откуда жидкость поступает в сильфон для дальнейшей прокачки жидкого теплоносителя в радиатор-излучатель. Отделившийся газ подают в терморегулируемый объект. Достигается повышение надежности и ресурса работы объекта, расположенного на космическом аппарате, исключение пожаровзрывоопасной ситуации за счет отбора конденсата на токопроводящих элементах. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ терморегулирования объекта, расположенного на космическом аппарате, включающий изменение соотношения расхода жидкого теплоносителя между радиатором-излучателем и байпасной магистралью для обеспечения заданной температуры объекта, отличающийся тем, что через терморегулируемый объект прокачивают газ, который смешивается с образовавшимся в объекте паром, затем в полученную парогазовую смесь впрыскивают жидкий теплоноситель с расходом, обеспечивающим заданную температуру и получение конденсата из пара, после чего конденсат, жидкий теплоноситель и газ смешивают с жидким теплоносителем, подаваемым с давлением, значение которого превышает давление полученной смеси, отделяют газ от жидкого теплоносителя и подают его в терморегулируемый объект, а жидкий теплоноситель прокачивают через радиатор-излучатель и охлаждают его до ранее заданной температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют воду, а в качестве газа - воздух.

3. Устройство для терморегулирования объекта, расположенного на космическом аппарате, включающее терморегулируемый объект, магистраль терморегулирования, на которой последовательно установлены насос с переменной производительностью, регулятор расхода воды с байпасной магистралью, радиатор-излучатель и чувствительный элемент, связанный с регулятором расхода воды, отличающийся тем, что в него введены: вентилятор, выход которого соединен с входом в терморегулируемый объект, смеситель по газу и воде, вход которого по газу соединен с выходом из терморегулируемого объекта, устройство для разделения жидкости и газа с входным, выходным и дренажным патрубками, входной патрубок которого соединен трубопроводом с входом смесителя по газу и воде, выходной патрубок соединен трубопроводом, на котором установлены два обратных клапана и емкость с сильфоном, заполненным водой, дренажный патрубок соединен трубопроводом, на котором установлен датчик давления, с входом в вентилятор, а к магистрали терморегулирования подсоединены компенсатор и клапан сброса воды, причем внутренняя полость емкости с сильфоном, заполненным водой, соединена с датчиком давления и вакуумным насосом, последовательно соединенным с газовым баллоном и параллельно - с электроклапаном.