СПОСОБ КОМПОНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК B64G1/50 

Предлагаемое изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании мощных геостационарных телекоммуникационных спутников с тепловой нагрузкой 75000 - 10000 Вт (что востребовано на рынке телекоммуникационных услуг).

Известен способ компоновки мощных космических аппаратов (КА) согласно патенту RU 2369537 (см. фиг.1-3, где 1 - МПН; 1.1 - панель "+Z" МПН; 1.2 - панель "-Z" МПН; 1.3, 1.4, 1.5 - панели, расположенные между панелями "+Z" и "-Z" МПН; 1.6, 1.7 - раскрывающиеся панели радиатора; 2 - МСС; 2.1 - панель "+Z" МСС; 2.2 - панель "-Z" МСС; 3 - несущая силовая конструкция корпуса КА, по которому предусматривают изготовление по отдельности модуля полезной нагрузки (МПН) и модуля служебных систем (МСС) совместно с несущей силовой конструкцией, выполненной в виде сетчатой стержневой конструкции (например, анизогридной конструкции, полученной методом намотки с использованием высокомодульных угольных волокон и полимерной матрицы), и комбинированной системой терморегулирования, сочетающей тепловые трубы, встроенные в сотовые панели "+Z" (северная сторона КА) и "-Z" (южная сторона КА), и сдублированный циркуляционный контур с двухфазным теплоносителем-аммиаком, включающей в себя две раскрываемые панели радиатора с двухсторонним излучением со встроенными коллекторами с соответствующей системой зачековки и раскрытия их на орбите. Известный [1] способ компоновки КА обеспечивает удельные массовые затраты на СТР≈21,5 кг/кВт (т.е. осредненные каждые 21,5 кг массы СТР обеспечивают отвод в космическое пространство не менее 1000 Вт тепловой нагрузки, которая излучается в космическое пространство наружными радиационными поверхностями панелей "+Z" и "-Z" и поверхностями раскрываемых панелей радиаторов).

В процессе разработки геостационарного телекоммуникационного спутника с тепловой нагрузкой ≈10000 Вт с обеспечением удельных массовых затрат 21,5 кг/кВт авторами выявлены существенные недостатки известного [1] способа компоновки КА, заключающиеся в следующем:

1. Наличие двух раскрываемых панелей радиаторов усложняет конструкцию КА - дополнительно потребует наличия на борту системы зачековки и раскрытия этих панелей, что увеличивает массу и снижает надежность КА.

2. Применение в качестве теплоносителя аммиака усложняет технологию изготовления КА, т.к. аммиак - высокотоксичное двухфазное рабочее тело (по сравнению с однофазным теплоносителем - Л3-ТК-2).

3. В условиях эксплуатации на орбите рабочее давление в циркуляционных контурах достаточно высокое: ≈14 кгс/см² (при температуре +35°С) и потребуется увеличенный запас аммиака на борту (в случае применения однофазного теплоносителя Л3-ТК-2 рабочее давление ≈1 кгс/см²).

Известно, что для обеспечения работоспособности любого элемента космического аппарата (КА) в космических условиях эксплуатации на орбите необходимо, в первую очередь, обеспечить поддержание их температур в требуемых рабочих диапазонах, что в составе КА функционально обеспечивает система терморегулирования (СТР) КА, и в связи с этим СТР является главной системой КА, определяющей

- его оптимальную конфигурацию и, следовательно, минимально возможную массу его;

- надежную работу КА в течение длительного (более 10-15 лет) срока его эксплуатации на орбите, для чего СТР должна поддерживать температуру сотовых панелей, на которых установлены приборы КА, в наиболее комфортном диапазоне: от 15°С (в начале срока эксплуатации) и до 35°С (в конце срока эксплуатации);

- приемлемую простоту технологии изготовления КА. Всесторонний комплексный анализ, проведенный авторами в процессе разработки КА с тепловой нагрузкой ≈10000 Вт, показал, что вышеуказанные задачи оптимально возможно решить только при применении в составе КА комбинированной СТР, сочетающей тепловые трубы плюс сдублированные жидкостные контуры, и скомпонованных (КА совместно с СТР) согласно предложенному авторами техническому решению, т.к., как показал анализ, КА с СТР с двухфазным теплоносителем имеют преимущества только тогда, когда тепловая нагрузка КА выше 12000-16500 Вт, для чего при этом приходится повысить допустимый рабочий диапазон сотовых панелей (и ухудшить комфортный диапазон): от 35°С (в начале срока эксплуатации) и до 50°С (в конце срока эксплуатации).

Целью предложенного авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков, для чего компоновку вновь разрабатываемого КА с тепловой нагрузкой ≈10000 Вт необходимо выполнить с учетом следующего комплексного технического решения (учитывающего как компоновку КА в целом, так и компоновку СТР при этом): КА выполняют состоящим из двух модулей: модуля полезной нагрузки 1 и модуля служебных систем 2, и приборы модуля служебных систем и часть приборов модуля полезной нагрузки устанавливают на внутренних поверхностях, взаимно противоположно размещенных и установленных перпендикулярно осям +Z, -Z аппарата их трехслойных сотовых панелей "+Z" и "-Z", включающих в себя расположенные параллельно осям +Y, -Y аппарата встроенные тепловые трубы и сдублированные циркуляционные коллекторы с жидким теплоносителем системы терморегулирования на внутренних обшивках панелей "+Z" и "-Z" модуля полезной нагрузки, и наружные поверхности вышеуказанных панелей выполняют в качестве излучателей избыточного тепла приборов, а другую часть приборов модуля полезной нагрузки устанавливают на трехслойной сотовой панели с встроенными для циркуляции теплоносителя коллекторами, перпендикулярно расположенной между его вышеуказанными панелями "+Z" и "-Z", причем модуль полезной нагрузки и модуль служебных систем прикрепляют к несущей силовой конструкции корпуса аппарата, размещенной в центральной зоне между панелями "+Z" и "-Z" и выполненной в виде сетчатой стержневой конструкции, при этом в составе модуля служебных систем устанавливают две дополнительные нераскрываемые панели радиатора "-Z_доп" и "+Z_доп" с встроенными жидкостными коллекторами с двухсторонним излучением, за пределами панелей радиаторов "-Z" и "+Z" модуля служебных систем и развязанные с ними в тепловом отношении, при этом приборы модуля служебной системы с наиболее узким рабочим диапазоном температур, например аккумуляторные батареи, устанавливают на внутренних обшивках их панелей радиаторов "-Z" и "+Z" с встроенными, параллельно расположенными осям +Y и -Y тепловыми трубами, приборы с большой теплоемкостью и широким рабочим диапазоном температур, например баки с топливом системы коррекции, размещают внутри силовой конструкции корпуса и на нижней панели, другие приборы устанавливают на панелях "+Х", "+Y", "-Y" с встроенными жидкостными коллекторами, а приборы модуля полезной нагрузки и жидкостные коллекторы устанавливают на внутренних обшивках их панелей радиаторов "-Z" и "+Z" с встроенными, параллельно расположенными осям +Y и -Y тепловыми трубами, и на панели "-Х" с встроенными жидкостными коллекторами, причем замкнутые сдублированные жидкостные контуры выполняют соединенными по параллельной схеме соединения жидкостных коллекторов панелей "+Х", "-Х", "+Y", "-Y", "-Z_доп", "+Z_доп": выход электронасосного агрегата с присоединенным к его входу компенсатором объема - первая половина коллекторов на внутренней обшивке панели радиатора "-Z" модуля полезной нагрузки - встроенные жидкостные коллекторы панели "-Х", выполненные по параллельной схеме соединений - жидкостные коллекторы панели радиатора "+Z" модуля полезной нагрузки - вторая половина жидкостных коллекторов панели радиатора "-Z" - жидкостные коллекторы в параллельно расположенных жидкостных трактах панелей дополнительных радиаторов "-Z_доп" и "+Z_доп", панелей модуля служебных систем "+Y", "-Y" и "+Х" - встроенные жидкостные коллекторы зоны панели "+Х" с последовательным соединением их - вход электронасосного агрегата, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предложенного изобретения.

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 изобретении.

По предлагаемому способу (см. фиг.4-8, где изображены: фиг.4 - принципиальная схема КА; фиг.5 - принципиальная схема МСС; фиг.6 - принципиальная схема МПН; фиг.7 - принципиальная схема продольного сечения КА; фиг.8 - принципиальная схема компоновки КА и его СТР) компоновку космического аппарата, например мощного телекоммуникационного спутника с тепловой нагрузкой ≈10000 Вт, выполняют следующим образом: предусматривают изготовление по отдельности модуля полезной нагрузки (МПН) 1 и модуля служебных систем (МСС) 2 совместно с несущей силовой конструкцией 3 корпуса КА, объединяемых в единое целое по механическим, электрическим, гидравлическим интерфейсам на заключительном этапе изготовления космического аппарата:

- размещают трехслойные сотовые панели 1.1, 1.2 и 2.1, 2.2 (с встроенными тепловыми трубами (см. фиг.8) 1.1.2, 1.2.2, 2.1.2, 2.2.2) МПН 1 и МСС 2 в плоскостях, перпендикулярных к осям +Z, -Z аппарата (северная и южная стороны спутника);

- приборы (поз.6) МСС 2 - аккумуляторные батареи размещают на внутренних поверхностях панелей 2.1, 2.2;

- размещают максимально возможное количество приборов (поз.6) МПН 1 на поверхности панелей 1.1 и 1.2, расположенных напротив их излучающих поверхностей;

- между панелями "+Z" и "-Z" МПН 1 перпендикулярно к ним размещают трехслойные сотовые панели 1.4-1.5 (с встроенными коллекторами - параллельными жидкостными трактами (1.4.1; 1.5.1) для циркуляции жидкого теплоносителя) и размещают на их поверхностях остальную часть приборов МПН 1;

- устанавливают дополнительные (нераскрывающиеся) панели 2.6, 2.7 радиатора: в результате всестороннего анализа свободных зон установлено, что дополнительные панели радиатора 2.6 и 2.7 (имеющих требуемую площадь двухстороннего излучения) возможно выполнить нераскрывающимися и их возможно разместить в свободной зоне между КА и переходником 10 (адаптером) для интерфейса КА с разгонным блоком в плоскостях, перпендикулярных осям +Z и -Z КА, что обеспечивает уменьшение продольных размеров КА и, следовательно, обеспечивает снижение массы КА;

- соединяют по отдельности трубопроводами соответствующие коллекторы панелей МПН и МСС и устройства каждого сдублированного циркуляционного контура в единое целое (в т.ч. электродвигатель ЭНА с его корпусом) (после изготовления КА СТР заправляют теплоносителем, например, Л3-ТК-2) сварным соединением, кроме концевых штуцеров МПН и МСС, которые закольцовывают переходниками 4 с двумя зонами герметизации (см. фиг.8), где второй (резервный), идентичный первому, циркуляционный контур с однофазным теплоносителем условно не показан: 1.1 - панель "+Z" МПН; 1.1.1 - коллектор панели 1.1; 1.1.2 - тепловая труба панели 1.1; 1.2 - панель "-Z" МПН; 1.2.1 - коллектор панели 1.2; 1.2.2 - тепловая труба панели "-Z"; 1.4, 1.5 - панели, размещенные между панелями "+Z" и "-Z" МПН; 1.4.1, 1.5.1 - коллекторы панелей 1.4, 1.5; 2.6, 2.7 - дополнительные (нераскрывающиеся) панели радиатора "+Z_доп" и "-Z_доп"; 2.6.1, 2.7.1 - коллекторы дополнительных панелей радиатора; 1.12 - компенсатор объема; 1.13 - электронасосный агрегат;

- предусматривают проведение наземной отработки, испытаний по отдельности МПН 1 и МСС 2;

- после получения положительных результатов испытаний МПН 1 и МСС 2 осуществляют сборку КА: объединяют в единое целое МПН 1 и МСС 2 (см. фиг.4) по механическим, электрическим, гидравлическим интерфейсам (торцы КА со стороны осей +Х, -X, +Y, -Y (см. фиг.7, где 2.8 - нижняя панель, 5 - теплоизоляция) закрывают штатной теплоизоляцией 5) и проводят испытания КА в целом и после получения положительных результатов испытаний отправляют его на полигон запуска КА.

Работа скомпонованного по предложенному способу космического аппарата происходит следующим образом (см. фиг.4 и 8).

После выведения аппарата на рабочую орбиту (работает минимально необходимое количество приборов и замещающие электрообогреватели), например, на геостационарную, происходит включение в работу электронасосного агрегата 1.13 каждого из сдублированных контуров СТР, а затем согласно циклограмме работы - включение соответствующих приборов 6 МСС 2, а затем - МПН 1.

Требуемые комфортные условия работы приборов 6 КА обеспечиваются тепловыми трубами 1.1.2, 1.2.2, 2.1.2, 2.2.2 и циркуляцией однофазного теплоносителя по трактам сдублированного циркуляционного контура.

В настоящее время разработана компоновка вновь разрабатываемого телекоммуникационного спутника по предложенному авторами способу. В процессе компоновки спутника были рассмотрены различные варианты компоновки спутника с использованием известных технических решений по этому вопросу и предложенного авторами способа и установлено, что в результате разработки компоновки вышеуказанного спутника по предложенному авторами способу обеспечивается упрощение технологии изготовления и повышение надежности КА, обеспечивается снижение массы КА до приемлемой величины (предложенная компоновка обеспечивает удельные массовые затраты около 22 кг/кВт, т.е. с учетом погрешностей изготовления -такие же, что при применении двухфазной СТР);

- обеспечивается вывод КА на орбиту ракетой-носителем типа «Протон-М»;

- гарантированно и высоконадежно обеспечивается изменение рабочих температур приборов в узком диапазоне при всех режимах работы КА в целом в течение длительного (до не менее 15 лет) периода эксплуатации на орбите, т.е., тем самым, достигаются цели изобретения.

Изобретение относится космической технике и может быть использовано в компоновке космического аппарата (КА). Устанавливают на внутренних поверхностях трехслойных сотовых панелей с встроенными тепловыми трубами и сдублированными циркуляционными коллекторами с жидким теплоносителем приборы модулей служебных систем и полезной нагрузки, устанавливают в составе модуля служебных систем две дополнительные нераскрываемые панели радиатора с встроенными жидкостными коллекторами с двухсторонним излучением, устанавливают за пределами панелей радиаторов аккумуляторные батареи, устанавливают на внутренних обшивках их панелей радиаторов с встроенными тепловыми трубами приборы с большой теплоемкостью и широким рабочим диапазоном температур, размещают баки с топливом системы коррекции внутри силовой конструкции корпуса и на нижней панели, другие приборы устанавливают на панелях с встроенными жидкостными коллекторами, устанавливают приборы модуля полезной нагрузки и жидкостные коллекторы на внутренних обшивках их панелей радиаторов с встроенными тепловыми трубами и встроенными жидкостными коллекторами, выполняют замкнутые сдублированные жидкостные контуры по параллельной схеме соединения жидкостных коллекторов. Изобретение позволяет эксплуатировать КА при изменении в узком диапазоне рабочих температур приборов. 8 ил.

Способ компоновки космического аппарата, который выполняют состоящим из двух модулей: модуля полезной нагрузки и модуля служебных систем, и приборы модуля служебных систем и часть приборов модуля полезной нагрузки устанавливают на внутренних поверхностях, взаимно противоположно размещенных и установленных перпендикулярно осям +Z, -Z аппарата их трехслойных сотовых панелей "+Z" и "-Z", включающих в себя расположенные параллельно осям +Y, -Y аппарата встроенные тепловые трубы и сдублированные циркуляционные коллекторы с жидким теплоносителем системы терморегулирования на внутренних обшивках панелей "+Z" и "-Z" модуля полезной нагрузки, и наружные поверхности вышеуказанных панелей выполняют в качестве излучателей избыточного тепла приборов, а другую часть приборов модуля полезной нагрузки устанавливают на трехслойной сотовой панели с встроенными для циркуляции теплоносителя коллекторами, перпендикулярно расположенной между его вышеуказанными панелями "+Z" и "-Z", причем модуль полезной нагрузки и модуль служебных систем прикрепляют к несущей силовой конструкции корпуса аппарата, размещенной в центральной зоне между панелями "+Z" и "-Z" и выполненной в виде сетчатой стержневой конструкции, отличающийся тем, что в составе модуля служебных систем устанавливают две дополнительные нераскрываемые панели радиатора "-Z_доп" и "+Z_доп" с встроенными жидкостными коллекторами с двухсторонним излучением, за пределами панелей радиаторов "-Z" и "+Z" модуля служебных систем и развязанные с ними в тепловом отношении, при этом приборы модуля служебной системы с наиболее узким рабочим диапазоном температур, например аккумуляторные батареи, устанавливают на внутренних обшивках их панелей радиаторов "-Z" и "+Z" с встроенными, параллельно расположенными осям +Y и -Y тепловыми трубами, приборы с большой теплоемкостью и широким рабочим диапазоном температур, например баки с топливом системы коррекции, размещают внутри силовой конструкции корпуса и на нижней панели, другие приборы устанавливают на панелях "+Х", "+Y", "-Y" с встроенными жидкостными коллекторами, а приборы модуля полезной нагрузки и жидкостные коллекторы устанавливают на внутренних обшивках их панелей радиаторов "-Z" и "+Z" с встроенными, параллельно расположенными осям +Y и -Y тепловыми трубами, и на панели "-Х" с встроенными жидкостными коллекторами, причем замкнутые сдублированные жидкостные контуры выполняют соединенными по параллельной схеме соединения жидкостных коллекторов панелей "+Х", "-Х", "+Y", "-Y", "-Z_доп", "+Z_доп": выход электронасосного агрегата с присоединенным к его входу компенсатором объема - первая половина коллекторов на внутренней обшивке панели радиатора "-Z" модуля полезной нагрузки - встроенные жидкостные коллекторы панели "-Х", выполненные по параллельной схеме соединений - жидкостные коллекторы панели радиатора "+Z" модуля полезной нагрузки - вторая половина жидкостных коллекторов панели радиатора "-Z" - жидкостные коллекторы в параллельно расположенных жидкостных трактах панелей дополнительных радиаторов "-Z_доп" и "+Z_доп", панелей модуля служебных систем "+Y", "-Y" и "+Х" - встроенные жидкостные коллекторы зоны панели "+Х" с последовательным соединением их - вход электронасосного агрегата.