СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2014 года по МПК B64G1/50 G05D1/08 

Настоящее изобретение относится к космическим аппаратам (КА) и может быть использовано, например, при создании телекоммуникационных спутников, системы терморегулирования (СТР) которых содержат замкнутый циркуляционный контур с теплоносителем (жидким или двухфазным).

Известна такая СТР, выполненная на основе патента Российской Федерации (РФ) №2446997 [1]. В таких СТР циркуляцию теплоносителя через коллекторы панелей, на которых установлены приборы, и радиаторы осуществляет электронасосный агрегат (ЭНА). Как правило, для спутников различной мощности (которые должны работать на орбите не менее 15 лет) применяют ЭНА, квалифицированный в процессе предыдущих разработок для условий эксплуатации на орбите и имеющий стабильные расходно-напорные характеристики. При этом главный критерий при выборе ЭНА - это обеспечение расхода теплоносителя через коллекторы не менее требуемой величины, которая гарантированно обеспечивает рабочую температуру не более максимально допустимой. В связи с тем, что мощности различных разрабатываемых спутников, например, отличаются друг от друга до двух раз, то и требуемые расходы теплоносителя, обеспечиваемые ЭНА с одинаковыми расходно-напорными характеристиками, через коллекторы приборов также отличаются до двух раз, т.е. для менее мощных спутников расход теплоносителя, обеспечиваемый вышеуказанным ЭНА, через коллекторы панелей будет существенно больше требуемого для них расхода теплоносителя (больше до двух раз).

Однако, как показывает анализ, в этом случае из-за повышенного расхода теплоносителя через коллекторы, которые между собой соединены соединительными трубопроводами, существенно возрастет также (в два раза) нескомпенсированный кинетический момент (его величина, в частности, прямо пропорциональна величине расхода теплоносителя), обусловленный работой СТР (работой циркуляционного контура). Следовательно, в этом случае на борту КА потребуется дополнительная масса рабочего тела для системы ориентации и стабилизации (СОС) КА.

Таким образом, существенными недостатками известной СТР являются повышенные нескомпенсированные кинетические моменты от работающей СТР, в составе которой установлен квалифицированный ЭНА, для менее мощных спутников, приводящие к повышенным массовым затратам в СОС КА.

Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных существенных недостатков известного технического решения.

Поставленная цель достигается тем, что в СТР КА, включающей замкнутый жидкостный контур с циркулирующим теплоносителем, имеющий в своем составе элементы: электронасосный агрегат, гидроаккумулятор, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, и радиаторов, которые между собой сообщены участками соединительных трубопроводов с входными и выходными проходными сечениями, одинаковыми с выходными и входными сечениями упомянутых элементов, часть участков соединительных трубопроводов выполнена с одинаковым номинальным эквивалентным внутренним диаметром, меньшим, чем диаметры остальных частей, с суммарной длиной, удовлетворяющей следующему условию (которое установлено авторами на основе анализа физических процессов, происходящих при работе СТР):

$$L_{X\Sigma }=L_{\Sigma }\cdot \left(\frac{d_X^5}{d^5}-1\right)-\frac{d_X^5\cdot \Delta p_{ЭНА}}{V^2\cdot K},\text{ (1)}$$

где L_X∑, d_X - суммарная длина и внутренний диаметр частей участков соединительных трубопроводов, имеющих меньший эквивалентный номинальный внутренний диаметр проходного сечения, чем диаметры остальных частей соединительных трубопроводов и коллекторов, м;

L_∑ - суммарная длина всех участков соединительных трубопроводов и коллекторов, м;

d - номинальный внутренний эквивалентный диаметр большинства участков соединительных трубопроводов и коллекторов (где d>d_X), м;

Δp_ЭНА - напор электронасосного агрегата, при котором он обеспечивает производительность - расход в жидкостном контуре, равный требуемому минимально допустимому номинальному значению, Па;

V - требуемое минимально допустимое номинальное значение расхода теплоносителя в коллекторах, при котором гарантированно обеспечивается рабочая температура приборов не выше допустимого значения, м³/с;

K - среднестатистический опытный коэффициент гидравлического сопротивления одного погонного метра применяемых в жидкостных контурах различных соединительных трубопроводов и коллекторов, кг/м³·с, 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 изобретения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемой системе терморегулирования космического аппарата.

Принципиальная схема предложенной СТР КА изображена на фиг.1 - включает замкнутый жидкостный контур с циркулирующим теплоносителем, имеющий в своем составе элементы: электронасосный агрегат 5, гидроаккумулятор 6, коллекторы панелей 1, 2, на которых установлены приборы, и радиаторов 3, 4, которые между собой сообщены участками соединительных трубопроводов 7.1-7.7 с входными и выходными проходными сечениями, одинаковыми с выходными и входными сечениями упомянутых элементов, часть участков соединительных трубопроводов 8.1 и 8.2 выполнена с одинаковым номинальным эквивалентным внутренним диаметром, меньшим, чем диаметры остальных частей, с суммарной длиной, удовлетворяющей следующему условию:

$$L_{X\Sigma }=L_{\Sigma }\cdot \left(\frac{d_X^5}{d^5}-1\right)-\frac{d_X^5\cdot \Delta p_{ЭНА}}{V^2\cdot K}$$

где L_X∑, d_X - суммарная длина и внутренний диаметр частей участков соединительных трубопроводов 8.1 и 8.2, имеющих меньший эквивалентный номинальный внутренний диаметр проходного сечения, чем диаметры остальных частей соединительных трубопроводов 7.1-7.7 и коллекторов, м;

L_∑ - суммарная длина всех участков соединительных трубопроводов и коллекторов, м;

d - номинальный внутренний эквивалентный диаметр большинства участков соединительных трубопроводов и коллекторов (где d>d_X), м;

Δр_ЭНА - напор электронасосного агрегата, при котором он обеспечивает производительность - расход в жидкостном контуре, равный требуемому минимально допустимому номинальному значению, Па;

V - требуемое минимально допустимое номинальное значение расхода теплоносителя в коллекторах, при котором гарантированно обеспечивается рабочая температура приборов не выше допустимого значения, м³/с;

K - среднестатистический опытный коэффициент гидравлического сопротивления одного погонного метра применяемых в жидкостных контурах различных соединительных трубопроводов и коллекторов, кг/м³·с.

Создают СТР КА согласно предложенному техническому решению следующим образом.

В процессе изготовления квалифицированного ЭНА опытно получают зависимость его производительности от напора (перепада давлений между выходом и входом) при напряжении питания, равном напряжению питания на борту КА в условиях эксплуатации на орбите.

В процессе разработки чертежей на изготовление конкретного спутника соответствующей мощности на основе компоновки СТР определяют суммарную длину всего жидкостного тракта, через которую циркулирует теплоноситель в условиях эксплуатации. Затем для назначенного проходного сечения (например, эквивалентный номинальный диаметр коллекторов и соединительных трубопроводов равен d=12 мм) жидкостного контура определяют, используя расходно-напорную характеристику ЭНА, возможный расход теплоносителя: если он, например, превышает более чем на 10% требуемое значение расхода теплоносителя, принимают решение часть участков соединительных трубопроводов разработать с уменьшенным внутренним диаметром, например, d_X=9 мм, и определяют суммарную длину таких участков с d_X=9 мм по следующей формуле:

$$L_{X\Sigma }=L_{\Sigma }\cdot \left(\frac{d_X^5}{d^5}-1\right)-\frac{d_X^5\cdot \Delta p_{ЭНА}}{V^2\cdot K}$$

где L_X∑, d_X - суммарная длина и внутренний диаметр частей участков соединительных трубопроводов, имеющих меньший эквивалентный номинальный внутренний диаметр проходного сечения, чем диаметры остальных частей соединительных трубопроводов и коллекторов, м (следует отметить, что минимально возможное количество частей с d_X определяется возможностями конструкции жидкостного контура и при этом необходимостью обеспечения L_X∑; оптимальное количество частей с d_X с точки зрения обеспечения простоты конструкции и максимально возможной экономии массы - одно);

L_∑ - суммарная длина всех участков соединительных трубопроводов и коллекторов, м;

d - номинальный внутренний эквивалентный диаметр большинства участков соединительных трубопроводов и коллекторов (где d>d_X), м;

Δр_ЭНА - напор электронасосного агрегата, при котором он обеспечивает производительность - расход в жидкостном контуре, равный требуемому минимально допустимому номинальному значению, Па;

V - требуемое минимально допустимое номинальное значение расхода теплоносителя в коллекторах, при котором гарантированно обеспечивается рабочая температура приборов не выше допустимого значения, м³/с;

К - среднестатистический опытный коэффициент гидравлического сопротивления одного погонного метра применяемых в жидкостных контурах различных соединительных трубопроводов и коллекторов, кг/м³·с.

После этого, используя вышеполученные данные, часть участков на чертежах уточняют и выполняют с d_X=9 мм (остальные участки с длиной, составляющей, например, до 90% от суммарной длины контура, выполнены с d=12 мм).

После такого выполнения чертежей на СТР КА в изготовленном жидкостном контуре расход теплоносителя будет не намного превышать минимально допустимое значение, что подтверждено опытными данными.

Таким образом, в результате такого изготовления предложенной конструкции СТР в условиях эксплуатации будет обеспечиваться расход теплоносителя, близкий к номинальному (минимально допустимому), и нескомпенсированный кинетический момент будет минимально возможным и, следовательно, массовые затраты рабочего тела в СОС также будут минимально возможными, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), в частности телекоммуникационных спутников. СТР включает в себя замкнутый жидкостный контур с циркулирующим теплоносителем. Контур содержит такие элементы, как электронасосный агрегат, гидроаккумулятор, коллекторы приборных панелей и панелей радиаторов. Указанные элементы сообщены между собой участками соединительных трубопроводов, проходные входные и выходные сечения которых те же, что и соответствующие им сечения данных элементов. Часть участков соединительных трубопроводов выполнена с одинаковым номинальным эквивалентным внутренним диаметром, меньшим, чем диаметры остальных частей, и с суммарной длиной, удовлетворяющей определенному соотношению. Технический результат изобретения состоит в уменьшении нескомпенсированного кинетического момента от работающей СТР и, следовательно, в снижении массовых затрат рабочего тела системы ориентации и стабилизации КА. 1 ил.

Система терморегулирования космического аппарата, включающая замкнутый жидкостный контур с циркулирующим теплоносителем, имеющий в своем составе элементы: электронасосный агрегат, гидроаккумулятор, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, и панелей радиаторов, причем данные элементы между собой сообщены участками соединительных трубопроводов с входными и выходными проходными сечениями, одинаковыми с выходными и входными сечениями упомянутых элементов, отличающаяся тем, что часть участков соединительных трубопроводов выполнена с одинаковым номинальным эквивалентным внутренним диаметром, меньшим, чем диаметры остальных частей, и с суммарной длиной, удовлетворяющей следующему условию:

где L_X∑, d_X - суммарная длина и внутренний диаметр частей участков соединительных трубопроводов, имеющих меньший эквивалентный номинальный внутренний диаметр проходного сечения, чем диаметры остальных частей соединительных трубопроводов и коллекторов, м;
L_∑ - суммарная длина всех участков соединительных трубопроводов и коллекторов, м;
d - номинальный внутренний эквивалентный диаметр большинства участков соединительных трубопроводов и коллекторов (где d > d_X), м;
Δp_ЭНА - напор электронасосного агрегата, при котором он обеспечивает производительность (расход) в жидкостном контуре, равный требуемому минимально допустимому номинальному значению, Па;
V - требуемое минимально допустимое номинальное значение расхода теплоносителя в коллекторах, при котором гарантированно обеспечивается рабочая температура приборов не выше допустимого значения, м³/с;
К - среднестатистический опытный коэффициент гидравлического сопротивления одного погонного метра применяемых в жидкостных контурах различных соединительных трубопроводов и коллекторов, кг/м³·с.