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

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании космических аппаратов (КА), например мощных телекоммуникационных спутников, системы терморегулирования которых в режиме сеанса связи должны отводить от работающих приборов избыточное тепло более 15000 Вт, а в дежурном режиме - около 2500 Вт.

В составе таких спутников с точки зрения обеспечения наилучших массовых и энергетических характеристик должны быть применены СТР с двухфазным теплоносителем, например, аммиаком.

Известна такая СТР с двухфазным теплоносителем согласно патенту Российской Федерации (РФ) №2362712 [1], которая включает в себя (см. фигуру 1) 1 - линию тракта между элементами, например между выходом 9.2 черпакового насоса 9 и входом в гидронасос 2; 3, 4 - панели, на которых установлены приборы, выделяющие избыточное тепло при работе; 5, 6 - панели радиатора, с излучающих поверхностей которых осуществляется сброс избыточного тепла в космическое пространство (в сеансе связи, например, 15000 Вт, а в дежурном режиме, например, в течение времени, равном 25% от общего времени работы КА на орбите - 2500 Вт); 3.1,4.1,5.1,6.1 - коллекторы соответствующих панелей 3-6; 7 - аккумулятор, содержащий корпус 7.1 с зонами концентрации газа (паров теплоносителя) 7.2 и жидкой фазы теплоносителя 7.3; 8 - соединительный трубопровод, сообщающий зону расположения жидкой фазы теплоносителя 7.3 с линией тракта, направленной к входу гидронасоса 2; 9 - черпаковый насос, обеспечивающий разделение жидкой фазы теплоносителя (в результате возникновения центробежных сил при вращении рабочего колеса насоса) и концентрацию ее в периферийной зоне, а неконденсирующихся газов и паров теплоносителя - в центральной зоне внутри корпуса; 9.1 - входной штуцер; 9.2 - первый выходной штуцер подачи жидкой фазы теплоносителя, который соединен с линией тракта, идущей к входу гидронасоса 2, до точки соединения трубопровода 8, идущего от корпуса аккумулятора 7, с указанной линией; 9.3 - второй выходной штуцер подачи парогазовой смеси, который сообщен через нормально закрытый клапан 10 с зоной расположения газа (паров теплоносителя) в корпусе 7.1 аккумулятора 7; 9.4 - зона концентрации жидкой фазы теплоносителя в периферийной зоне внутри корпуса насоса 9; 9.5 - зона (центральная) концентрации неконденсирующихся газов и паров теплоносителя внутри корпуса насоса 9.

Проведенный анализ показал, что вышеуказанное техническое решение [1] обладает существенными недостатками, обусловленными следующими причинами:

1. Для отвода в космическое пространство максимально возможного избыточного тепла в количестве 15000 Вт площадь радиатора выбирается исходя из того, что максимальная температура пара (парожидкостного) теплоносителя на входе его равна максимальной температуре пара на выходе из последнего коллектора панелей с приборами, которая выбирается исходя из максимально допустимой температуры приборов - в этом случае температура пара на входе в радиатор равна ≈50°С, т.е. двухфазный теплоноситель в коллекторах панелей с приборами кипит при температуре ≈50°С и упругость повышенных паров теплоносителя (аммиака) при этой температуре равна ≈20 кгс/см² (см. справочник: «Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. «Наука». М., 1972; стр.464 [2]). Следовательно, для обеспечения такого давления (≈20 кгс/см²) паров теплоносителя в аккумуляторе с учетом напора гидронасоса, например, 0,6 кгс/см, давление должно быть 19,4 кгс/см², что соответствует температуре теплоносителя (пара и жидкой фазы), равной ≈48°С. Для обеспечения безкавитационной работы гидронасоса площадь радиатора выбирают таким образом, чтобы температура на входе в гидронасос была ниже на ≈5°С по сравнению с температурой полностью жидкого теплоносителя на выходе из радиатора. Как видно, при отводе избыточного тепла в трактах с теплоносителем достаточно высокое избыточное давление (≈19 кгс/см²) и утечки теплоносителя в течение срока эксплуатации (≈15 лет) также будут существенными (например, около 5 дм³ или ≈3,5 кг).

В дежурном режиме при отводе избыточного тепла в количестве 2500 Вт по всему тракту течет жидкий теплоноситель и температура теплоносителя достаточно сильно уменьшается (для существующей площади радиатора) - ниже минус 40°С; с учетом того, что при такой температуре для безкавитационной работы гидронасоса избыточное давление на входе в гидронасос должно быть 0,5 кгс/см², нет необходимости продолжать поддерживать в аккумуляторе давление, равное ≈19 кгс/см², и, следовательно, нет необходимости в температуре аккумулятора, равной ≈48°С.

Таким образом, если в дежурном режиме снизим температуру теплоносителя в аккумуляторе, то тем самым снизим и давление в трактах до ≈0,5-0,8 кгс/см² и утечки теплоносителя уменьшатся в $$\frac{19кгс/с{м}^2}{\mathrm{0,8}кгс/с{м}^2}$$ =20раз и суммарная масса теплоносителя на утечки потребуется меньше на ≈1 кг.

Таким образом, известное техническое решение с рассмотренной выше точки зрения обладает существенным недостатком - для его реализации на практике необходимы повышенные массовые затраты.

2. Наличие в составе СТР черпакового насоса и нормально закрытого клапана усложняют конструкцию и управление работой СТР, требуют массовых затрат в количестве ≈2 кг. Таким образом, и с этой точки зрения известная СТР обладает вышеуказанными существенными недостатками.

Целью предлагаемого авторами изобретения является устранение вышеуказанных существенных недостатков, т.е. одновременное обеспечение снижения массы, упрощения конструкции и управления работой СТР.

Поставленная цель достигается выполнением СТР, включающей контур с двухфазным теплоносителем, содержащий соединенные между собой линиями тракта гидронасос, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, коллекторы панелей радиатора, аккумулятор, содержащий корпус с зоной расположения в нем паровой фазы теплоносителя с нерастворенным в жидкой фазе теплоносителя газом и зоной расположения в нем жидкой фазы теплоносителя, сообщенной соединительным трубопроводом с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, таким образом, что линия тракта, расположенная между последним по направлению движения теплоносителя коллектором панели радиатора и точкой соединения трубопровода, идущего от корпуса аккумулятора, с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, сообщена соединительным трубопроводом через регулируемый дроссель, с корпусом аккумулятора с расположением выходного сечения трубопровода в центральной зоне корпуса аккумулятора, при этом вблизи выходного сечения участок указанного трубопровода выполнен в виде половины петли с радиусом, а сечение имеет прямоугольную форму, причем длинная сторона выходного сечения расположена в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению движения теплоносителя на выходе из вышеуказанного выходного сечения, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого 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 фигуре 2, где 1 - линия тракта между элементами, например между выходом из коллектора 6.1 радиатора 6 и входом в гидронасос 2; 3, 4 - панели, на которых установлены приборы, выделяющие избыточное тепло при работе; 5, 6 - панели радиатора, с излучающих поверхностей которых осуществляется сброс избыточного тепла в космическое пространство; 3.1, 4.1, 5.1, 6.1 - коллекторы соответствующих панелей 3-6; 7 - аккумулятор, содержащий корпус 7.1 с зонами концентрации газа (паров теплоносителя) 7.2 и жидкой фазы теплоносителя 7.3; 8 -соединительный трубопровод, сообщающий зону расположения жидкой фазы теплоносителя 7.3 с линией тракта, направленной к входу гидронасоса 2; 9 - центральная зона корпуса аккумулятора; регулируемый дроссель 10 (рабочее положение его устанавливается при изготовлении КА, чтобы обеспечивался расход теплоносителя через него в корпус аккумулятора, равный, например, 10% от общего расхода в линиях); 11 - соединительный трубопровод, имеющий прямоугольное выходное сечение в центральной зоне корпуса аккумулятора, выполненный в форме половины петли с радиусом, например, 30÷55 мм. При этом длинная сторона (≈10 мм) прямоугольного выходного сечения лежит в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению движения теплоносителя в выходном сечении из вышеуказанного трубопровода.

Работа предложенной СТР происходит следующим образом.

На орбите включены (последовательно во времени) в работу гидронасос 2, приборы, установленные на панелях 3 и 4. В газовой полости аккумулятора 7 при максимальном тепловыделении приборов поддерживается соответствующая величина давления (≈19 кгс/см), обеспечивающая изменение рабочей температуры приборов, близкой к максимально допустимой температуре в результате соответствующего испарения теплоносителя в трактах 3.1 и 4.1, на выходе из тракта коллектора 4.1 теплоноситель практически полностью состоит из паров в случае максимального тепловыделения приборов. В трактах коллекторов 5.1 и 6.1 радиатора происходит конденсация паров теплоносителя, на выходе из тракта коллектора 6.1 теплоноситель состоит полностью из жидкой фазы теплоносителя. После этого, например, 10% от общего расхода жидкой фазы, теплоноситель через установленное при изготовлении соответствующее положение регулируемого дросселя 10 поступает в центральную зону 9 корпуса аккумулятора, а 90% расхода направляется к точке соединения линии тракта 1, идущей к гидронасосу 2, с трубопроводом 8, идущим от корпуса аккумулятора 7 с зоной расположений жидкой фазы теплоносителя. И, в случае наличия (образования) пузырей неконденсирующихся газов (следует отметить, часть их растворена в жидкой фазе теплоносителя), в прямоугольном выходном сечении трубопровода 11 петлеобразной формы, находящегося в центральной зоне внутри корпуса аккумулятора, происходит разделение жидкой фазы теплоносителя от пузырей неконденсирующихся газов и концентрация жидкой фазы в зоне 7.3 внутри корпуса аккумулятора (например, в результате установки аккумулятора на КА согласно патенту РФ №2329920).

При минимальном тепловыделении приборов на выходе из коллектора 6.1 температура жидкой фазы теплоносителя существенно уменьшается и поступающий в корпус аккумулятора (10% от общего расхода жидкой (холодной) фазы) теплоноситель снижает общую температуру в корпусе до такого давления, когда будет обеспечиваться минимально допустимое давление на входе в гидронасос и в линиях трактов в целом, и, следовательно, утечки теплоносителя при этом уменьшаются, т.е. достигается цель изобретения.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР), главным образом мощных геостационарных телекоммуникационных спутников с длительным сроком эксплуатации. Контур СТР с двухфазным теплоносителем (аммиаком) содержит гидронасос, коллекторы приборных и радиаторных панелей, аккумулятор. В корпусе аккумулятора имеются зоны паров теплоносителя и жидкой фазы теплоносителя. Последняя из этих зон сообщена с линией тракта, направленной к входу гидронасоса. Данная линия сообщена соединительным трубопроводом через регулируемый дроссель с корпусом аккумулятора. Дроссель служит для регулирования температуры и давления теплоносителя в корпусе аккумулятора. Через него в центральную зону корпуса поступает около 10% расхода жидкого теплоносителя. Для отделения жидкой фазы от пузырей нерастворенного газа (если они образуются) участок на выходе указанного соединительного трубопровода выполнен в виде половины петли с некоторым радиусом. Сечение данного участка имеет прямоугольную форму, причем длинная его сторона расположена в плоскости, перпендикулярной направлению движения теплоносителя. Технический результат изобретения состоит в уменьшении допустимых утечек теплоносителя из контура СТР в дежурном режиме эксплуатации КА на орбите и, следовательно, в уменьшении бортового запаса теплоносителя. 2 ил.

Система терморегулирования космического аппарата, включающая контур с двухфазным теплоносителем, содержащий соединенные между собой линиями тракта гидронасос, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, коллекторы панелей радиатора, аккумулятор, содержащий корпус с зоной расположения в нем паровой фазы теплоносителя с нерастворенным в жидкой фазе теплоносителя газом и зоной расположения в нем жидкой фазы теплоносителя, сообщенной соединительным трубопроводом с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, отличающаяся тем, что линия тракта, расположенная между последним по направлению движения теплоносителя коллектором панели радиатора и точкой соединения трубопровода, идущего от корпуса аккумулятора, с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, сообщена соединительным трубопроводом через регулируемый дроссель с корпусом аккумулятора, с расположением выходного сечения трубопровода в центральной зоне корпуса аккумулятора, при этом вблизи выходного сечения участок указанного трубопровода выполнен в виде половины петли с некоторым радиусом, а сечение имеет прямоугольную форму, причем длинная сторона выходного сечения расположена в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению движения теплоносителя на выходе из вышеуказанного выходного сечения.