СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2013 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СТР) телекоммуникационных спутников.

В процессе эксплуатации космического аппарата (КА) на орбите с целью диагностики и прогнозирования нормального функционирования, в частности, СТР проводят периодический контроль ее работы путем измерения показаний минимально возможного количества телеметрических датчиков, установленных на борту КА: например, в случае отвода избыточного тепла, выделяющегося при работе приборов, установленных в герметичном контейнере (СТР КА типа «Экспресс-А»), обдувом их имеющим необходимое рабочее давление газом, циркуляцию которого осуществляет вентилятор СТР, периодически измеряют показания телеметрических датчиков температуры, давления (абсолютного) газа и таходатчика (датчика частоты вращения вала), предусмотренного в составе электродвигателя вентилятора, и сравнивают с допустимыми значениями для данного момента времени, определяют величины скоростей (темпов) изменения их с течением времени и устанавливают работоспособность - нормальное функционирование СТР в данный момент и прогнозируют работоспособность СТР в процессе дальнейшей эксплуатации КА (см. патенты Российской Федерации (РФ) №2151721 [1], №2164884 [2]).

Таким образом, для диагностики и прогнозирования нормального функционирования вышеуказанного типа СТР на борту КА устанавливают три типа датчиков:

- датчики температуры;

- датчик давления;

- таходатчик (в составе вентилятора).

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

На фиг.1 изображена принципиальная схема реализации вышеуказанного известного технического решения, где: 1 - космический аппарат (КА); 2 - герметичный контейнер, заполненный газом (например, азотом) с определенным рабочим давлением (абсолютным), в котором установлены: приборы 3, вентилятор 4 (резервированный), радиатор 5 (например, газожидкостный радиатор), датчики температуры 6.1-6.4, таходатчик 7 (измеритель числа оборотов вала электродвигателя вентилятора, на котором установлена его крыльчатка), датчик давления 9; 8 - система телеметрии; 2.1 - газовод герметичного контейнера; 2.2 - теплоизоляция герметичного контейнера.

Известный способ контроля работы СТР на основе [1] включает в себя телеметрические измерения значений:

- температуры газа в районе установки различных приборов (по показаниям датчиков температур);

- давления газа в герметичном контейнере (по показанию датчика давления);

- числа оборотов работающей крыльчатки вентилятора по показанию таходатчика, установленного в составе электродвигателя (на валу которого установлена крыльчатка вентилятора).

Анализ опыта эксплуатации таких СТР показал, что в случае работоспособности всех вышеуказанных типов телеметрических датчиков обеспечивается достоверный контроль работы нормального функционирования вышеуказанной СТР, т.е. по телеметрическим измерениям вышеуказанных параметров всегда возможно установить величину теплоотводящей способности СТР при допустимых рабочих температурах приборов и омывающего их газа, которая должна быть не ниже требуемой величины.

Анализ также показал, что в случае отказа датчика давления газа (при работоспособности всех остальных элементов СТР) не представляется возможным прогнозировать нормальное функционирование СТР, т.к. теплоотводящая способность СТР зависит также от величины давления газа: чем ниже давление газа, тем ниже теплоотводящая способность вышеуказанной СТР при прочих равных условиях.

Кроме того, наличие датчика давления газа увеличивает массу СТР (например, на ≈ 0,4 кг) и энергопотребление (например, на 1,4 Вт).

Таким образом, как следует из вышеизложенного, существенными недостатками известного способа контроля работы СТР являются:

- недостаточно высокая надежность обеспечения прогнозирования нормального функционирования СТР;

- повышенная масса и энергопотребление СТР из-за применения на борту датчика давления газа.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что при контроле работы СТР КА при его орбитальном функционировании осуществляют периодические телеметрические измерения температур газа в герметичном контейнере, числа оборотов работающего электродвигателя установленного в нем вентилятора, при этом величину давления газа в герметичном контейнере определяют по измеренному телеметрическому значению числа оборотов электродвигателя вентилятора, используя данные, полученные при предварительных автономных испытаниях вентилятора в виде зависимости величины числа оборотов электродвигателя вентилятора от величины давления прокачиваемого им газа, и сравнивают ее с допустимым значением, 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 контроля работы СТР КА.

На фиг.2 изображена принципиальная схема реализации предложенного технического решения, где: 1 - космический аппарат (КА); 2 - герметичный контейнер, заполненный газом (например, азотом) с определенным рабочим давлением (абсолютным), в котором установлены: приборы 3, вентилятор 4 (резервированный), радиатор 5 (например, газожидкостиый радиатор), датчики температуры 6.1-6.4, таходатчик 7 (измеритель числа оборотов вала электродвигателя вентилятора, на котором установлена его крыльчатка); 8 - система телеметрии; 2.1 - газовод герметичного контейнера; 2.2 - теплоизоляция герметичного контейнера.

Предлагаемый способ контроля работы СТР КА, созданный авторами на основе анализа данных испытаний существующих вентиляторов, устанавливаемых в различных СТР, в термобарокамере при различных давлениях и температурах газа, включает в себя нижеуказанные операции, выполняемые в следующей последовательности.

1. В процессе изготовления вентилятор устанавливают в термобарокамеру и перед включением его в работу в ней создают номинальные условия по температуре (t_г) и давление газа (Р_г), соответствующие номинальным условиям в герметичном контейнере в условиях орбитального функционирования, например, 293 К (средняя температура газа по показаниям всех датчиков температуры, установленных в герметичном контейнере) и 117,68 кПа.

2. Включают в работу вентилятор и устанавливают на нем номинальное напряжение питания (U_в) и номинальный напор (ΔР_в), соответствующие номинальным условиям эксплуатации вентилятора в герметичном контейнере в условиях орбитального функционирования (например, 27 В и 54 Па).

3. Измеряют расход (производительность) (V_в) и число оборотов вентилятора (n_в) (например, 100 дм³/с и 4500 об/мин).

4. Испытывают вентилятор в объеме вышеуказанных пунктов 1-3 при различных температурах газа и напряжениях питания (величины давления газа и напор вентилятора - первоначальные, установленные в пунктах 1, 2).

5. Испытывают вентилятор в объеме пунктов 1-4, создавая в термобарокамере по п.1 различные давления газа (Р_Гi): от максимального - Р_{Г макс}=1,2·Р_{Г по п.1} до минимального, например, Р_{Г мин}=0,1·Р_{Г по п.1} через интервал давления, например, 20 кПа.

6. Данные измерений по пп.1-5 помещают в таблицы и строят графики зависимостей

- V_в=f(P_Гi);

- n_В=f(P_Гi) - см., для примера, фиг.3,

при первоначально установленном напоре вентилятора и при различных сочетаниях t_г=const; U_в=const.

7. Во время орбитального функционирования периодически осуществляют телеметрические измерения величин температур газа (по измерениям несколькими датчиками температуры значений определяют среднее значение температуры газа в герметичном контейнере), напряжения питания вентилятора, числа оборотов электродвигателя вентилятора и определяют, используя данные графиков, полученных при испытаниях вентилятора в процессе его изготовления, значения расхода и давления газа в герметичном контейнере, которые должны находиться в допустимых пределах в случае нормального функционирования СТР КА.

В настоящее время проведены опытные работы с реализацией предложенного технического решения в СТР КА, анализ данных которых показал, что конкретная величина давления газа достоверно определяется измеренным значением числа оборотов электродвигателя вентилятора применительно для любого конкретного условия эксплуатации на орбите, а исключение из состава СТР КА датчика давления обеспечит снижение массы на ~ 0,4 кг и энергопотребления на 1,4 Вт и, таким образом, как следует из вышеизложенного, тем самым достигается цель изобретения.

Изобретение относится к системам терморегулирования космических аппаратов, преимущественно телекоммуникационных спутников. Способ включает периодические телеметрические измерения температур газа в герметичном контейнере и числа оборотов электродвигателя установленного в нем вентилятора. Давление газа в герметичном контейнере определяют по измеренным телеметрией температурам газа (с помощью датчиков) и указанному числу оборотов. При этом используют данные, полученные при предварительных автономных испытаниях вентилятора в виде зависимости числа его оборотов от давления прокачиваемого газа. Техническим результатом изобретения является повышение надежности прогнозирования нормального функционирования системы терморегулирования, а также снижение ее массы и энергопотребления. 3 ил.

Способ контроля работы системы терморегулирования космического аппарата при его орбитальном функционировании, включающий периодические телеметрические измерения температур газа в герметичном контейнере и числа оборотов работающего электродвигателя установленного в нем вентилятора, отличающийся тем, что при указанном периодическом контроле величину давления газа в герметичном контейнере определяют по измеренному телеметрическому значению числа оборотов электродвигателя вентилятора, используя данные, полученные при предварительных автономных испытаниях вентилятора в виде зависимости величины числа оборотов электродвигателя вентилятора от величины давления прокачиваемого им газа, и сравнивают ее с допустимым значением.