СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2013 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников.

Известны СТР КА (см. патенты Российской Федерации (РФ) №2209750 [1], №2329920 [2]), содержащие жидкостные контуры, в которых, в частности, установлены электронасосный агрегат (ЭНА), гидроаккумулятор, герметизированная газовая полость которого частично заполнена требуемым количеством двухфазной рабочей жидкости, предназначенной для создания необходимого рабочего диапазона давления пара рабочей жидкости, обеспечивающего, с одной стороны, безкавитационную работу ЭНА (для чего минимально допустимое рабочее давление в газовой полости, например, должно быть равно ≈0,2 кгс/см² (≈20 кПа) и, с другой стороны, для обеспечения минимально возможных утечек теплоносителя из жидкостного контура в течение длительного срока эксплуатации КА на орбите (≈15 лет) (чем меньше давление - тем меньше утечки теплоносителя) и исходя из подтвержденного при наземных испытаниях длительного ресурса ЭНА -оптимальное давление рабочей жидкости в газовой полости должно быть (70-115) кПа - близко к атмосферному давлению ≈1 кгс/см² (≈100 кПа) при номинальных рабочих температурных условиях гидроаккумулятора на орбите, равных от 15°С до 30°С. В результате исследований установлено, что таким вышеуказанным требованиям, а также по требованиям радиационной стойкости, удовлетворяет жидкость-фреон 141 в (см. л. 169-170 в «Справочник. Промышленные фторорганические продукты. Ленинград. «Химия» 1990). При этом в условиях эксплуатации на орбите изменение температуры рабочей жидкости в диапазоне от 15°С до 30°С обеспечивается периодическим включением в работу электрообогревателя с мощностью, например, 15 Вт, установленного на корпусе гидроаккумулятора.

Анализ работы и конструкции КА показывает, что для обеспечения минимально возможной массы его (за счет минимально возможной массы аккумуляторных батарей системы электропитания (СЭП)) необходимо, чтобы энергопотребление КА на участке выведения и в случае реализации режима аппаратной солнечной ориентации (РАСО) (например, из-за того, что бортовой компьютер «завис») на орбите было минимально возможное - при этом ЭНА должен функционировать штатно (т.е. устойчиво - без кавитации).

Проведенный анализ показал, что в случае запуска КА, например, в зимнее время или в РАСО (если такой режим случится - как показывает опыт, его нельзя исключать) температура газовой полости гидроаккумулятора при неработающем электрообогревателе может опускаться до минус 25 - минус 35°С. В этом случае давление паров рабочей жидкости будет практически близко к нулю (ниже ≈0,05 кгс/см² (≈5 кПа)), и, следовательно, наступает кавитационный режим работы ЭНА и в жидкостном тракте СТР прекращается циркуляция теплоносителя и отвод избыточного тепла от работающих (функционально необходимых) приборов КА, что недопустимо.

Следовательно, для обеспечения работоспособности СТР в вышеуказанных случаях необходимо предусмотреть дополнительное количество электроэнергии - дополнительную массу в части аккумуляторных батарей СЭП.

Таким образом, существенным недостатком известных СТР является то, что для обеспечения работоспособности СТР во всех возможных (рассматриваемых) условиях эксплуатации КА необходимо предусмотреть повышенную массу его СЭП (около 1 кг).

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является СТР КА согласно [1].

Известная вышеуказанная СТР включает (см. фиг.1) в себя: 1 - жидкостный контур, заправленный теплоносителем; 1.1 - ЭНА; 1.2 - теплообменники приборов; 1.3 - радиатор; 1.4 - гидроаккумулятор; 1.4.1 - корпус; 1.4.2 - электрообогреватель; 1.4.3 - датчик температуры; 1.4.4 - газовая полость, частично заполненная двухфазной рабочей жидкостью 1.4.5 - фреоном 141в; 1.4.6 - сильфон; 1.4.7 - жидкостная полость гидроаккумулятора, соединенная с жидкостным контуром вблизи входа в ЭНА.

Как показано выше, существенным недостатком известной СТР являются недостаточные функциональные ее возможности при всех возможных (рассматриваемых) условиях эксплуатации КА без обеспечения необходимого существенного повышения массы его.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается тем, что СТР КА включает в себя жидкостный контур, заправленный теплоносителем, в котором установлены электронасосный агрегат, теплообменники приборов, радиатор и гидроаккумулятор, содержащий герметизированную газовую полость, заполненную частично требуемым количеством рабочей жидкости, разделенную сильфоном от жидкостной полости гидроаккумулятора, соединенной с жидкостным контуром системы, корпус, на котором установлены электрообогреватели и датчики температуры, при этом герметизированная газовая полость гидроаккумулятора дополнительно к рабочей жидкости заправлена газом-азотом в минимально возможном количестве, удовлетворяющем следующему условию:

,

где m - заправленная в газовую полость гидроаккумулятора минимально возможная масса газа-азота, кг;

P_кав - минимально допустимое давление на входе в ЭНА для обеспечения его безкавитационной работы согласно техническим условиям на него при минимально возможной в условиях эксплуатации температуре теплоносителя, Па;

V_{Г.П.макс} - максимально возможный объем газовой полости гидроаккумулятора по данным его изготовления, м³;

R=296,8 Дж/(кг·град) - газовая постоянная для азота;

T_мин - минимально возможная расчетная температура газовой полости гидроаккумулятора в условиях эксплуатации, К,

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 заявляемой СТР КЛ.

На фиг.2 изображена принципиальная схема предлагаемой авторами СТР КА, где: 1 - жидкостный контур, заправленный теплоносителем; 1.1 - ЭНА; 1.2 - теплообменники приборов; 1.3 - радиатор; 1.4 - гидроаккумулятор; 1.4.1 - корпус; 1.4.2 - электрообогреватель; 1.4.3 - датчик температуры; 1.4.4 - газовая полость, частично заполненная двухфазной рабочей жидкостью - фреоном 141в плюс дополнительно газом-азотом определенного (не более 0,01 кг) количества:

где m - заправленная в газовую полость гидроаккумулятора минимально возможная масса газа-азота, кг;

Р_кав - минимально допустимое давление на входе в ЭНА для обеспечения его безкавитационной работы согласно техническим условиям на него при минимально возможной в условиях эксплуатации температуре теплоносителя, Па;

V_{Г.П.макс} - максимально возможный объем газовой полости гидроаккумулятора по данным его изготовления, м³;

R=296,8 Дж/(кг·град) - газовая постоянная для азота;

T_мин - минимально возможная расчетная температура газовой полости гидроаккумулятора в условиях эксплуатации, К;

1.4.6 - сильфон; 1.4.7 - жидкостная полость гидроаккумулятора, соединенная с жидкостным контуром вблизи входа в ЭНА 1.1.

Работа предложенной СТР в условиях эксплуатации КА происходит следующим образом.

На участке выведения КА, например, в зимнее время или в случае реализации режима аварийной солнечной ориентации КА в работу включены минимально возможное (необходимое) количество приборов, в том числе ЭНА (ретранслятор, электрообогреватель гидроаккумулятора (с целью экономии электроэнергии) - отключены), и температура теплоносителя в жидкостном контуре и в газовой полости гидроаккумулятора опускается до минус 25°С - минус 35°С. В этом случае сильфон гидроаккумулятора почти полностью растянут - (объем газовой полости равен приблизительно максимально возможному значению) и рабочее давление газа в газовой полости величиной не менее 0,2 кгс/см² (20 кПа) практически полностью создает только дополнительно в нее заправленный газ-азот (рабочее тело - фреон 141в в этом случае практически полностью находится в жидкой фазе), достаточное для обеспечения безкавитационной работы ЭНА, и тем самым обеспечивается циркуляция теплоносителя в жидкостном контуре и, следовательно, обеспечивается требуемый тепловой режим работающих приборов КА.

После вывода КА на заданную орбиту или устранения режима РАСО (в результате отработки КА специальной программы) КА работает в штатном режиме: включены в работу приборы ретранслятора и другие необходимые приборы, работают ЭНА и периодически электрообогреватель гидроаккумулятора и необходимое рабочее давление (в диапазоне (0,7 - 1,15) кгс/см² (70 кПа - 115 кПа) в газовой полости обеспечивают совместно пары двухфазной рабочей жидкости (фреона 141в) и газа (азота), что достаточно для безкавитационной работы ЭНА в течение требуемого длительного времени эксплуатации.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения СТР КА согласно предложенному авторами техническому решению обеспечивается работоспособность СТР во всех условиях эксплуатации КА, в т.ч., например, при запуске его в зимнее время или в случае реализации режима РАСО практически без дополнительного увеличения массы КА за счет отключения в этих случаях электрообогревателя гидроаккумулятора, т.е. тем самым достигается цель изобретения.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников. СТР включает в себя жидкостный контур, заправленный теплоносителем. В жидкостном контуре установлены теплообменники приборов, радиатор, гидроаккумулятор и электронасосный агрегат (ЭНА). Гидроаккумулятор содержит газовую полость и отделенную от нее сильфоном жидкостную полость, соединенную с жидкостным трактом вблизи входа в ЭНА. Газовая полость частично заполнена требуемым количеством двухфазной рабочей жидкости (фреоном 141в) и дополнительно заправлена минимально необходимым количеством газообразного азота. Указанное количество определяется из уравнения газового состояния, где использовано минимально допустимое давление на входе в ЭНА для обеспечения его бескавитационной работы. В качестве остальных параметров приняты максимально возможный объем и минимально возможная температура газовой полости в условиях эксплуатации КА. Эти параметры подчинены условию бескавитационной работы ЭНА без включения в работу электрообогревателя гидроаккумулятора на участке выведения или в режиме аппаратной солнечной ориентации КА на орбите. Техническим результатом изобретения является обеспечение работоспособности СТР во всех реально возможных условиях эксплуатации КА, практически без дополнительного увеличения его массы. 2 ил.

Система терморегулирования космического аппарата, включающая в себя жидкостный контур, заправленный теплоносителем, в котором установлены электронасосный агрегат, теплообменники приборов, радиатор и гидроаккумулятор, содержащий герметизированную газовую полость, заполненную частично требуемым количеством рабочей жидкости, отделенную сильфоном от жидкостной полости гидроаккумулятора, соединенной с жидкостным контуром системы, корпус, на котором установлены электрообогреватели и датчики температуры, отличающаяся тем, что герметизированная газовая полость гидроаккумулятора дополнительно к рабочей жидкости заправлена газом азотом в минимально возможном количестве, удовлетворяющем следующему условию:
,
где m - заправленная в газовую полость гидроаккумулятора минимально возможная масса газа азота, кг;
Р_кав - минимально допустимое давление на входе в электронасосный агрегат для обеспечения его бескавитационной работы согласно техническим условиям на него при минимально возможной в условиях эксплуатации температуре теплоносителя, Па;
V_{Г.П.макс} - максимально возможный объем газовой полости гидроаккумулятора по данным его изготовления, м³;
R=296,8 Дж/(кг·град) - газовая постоянная для азота;
Т_мин - минимально возможная расчетная температура газовой полости гидроаккумулятора в условиях эксплуатации, К.