СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК B64G1/50 G05D1/08 

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) и может быть использовано при создании телекоммуникационных спутников, в составе которых применяются СТР с дублированными жидкостными контурами.

Известна такая СТР КА на основе патента РФ №2446997 [1].

Указанная известная СТР (см. фиг. 1) содержит два замкнутых жидкостных контура с рядом расположенными жидкостными трактами (см. зоны C на фиг. 1), в которых установлены гидронасосы 4 и 5.

Каждый из гидронасосов при функционировании направляет одинаковые потоки теплоносителя в рядом расположенных жидкостных трактах СТР КА в одинаковом направлении (см. зоны C на фиг. 1).

В данном техническом решении [1] для прогнозирования и обеспечения срока нормального функционирования космического аппарата на орбите по каждой его системе на основе данных телеметрических измерений необходимо подтвердить, что каждая конкретная система создает нескомпенсированный кинетический момент не более расчетной величины, определенной при создании спутника, т.е. для высоконадежного прогнозирования и обеспечения работы и для повышения качества изготовления (и усовершенствования) последующих спутников по всем системам необходимо вышеуказанное требование выполнять, для чего телеметрическими измерениями необходимо вычленить величину нескомпенсированного кинетического момента, приходящуюся на конкретную систему. Т.е. задача, решаемая аналогом, - не снижение кинетического момента, а его расчет и сравнение с заранее заданной величиной.

Такие известные СТР КА для сведения к минимуму нескомпенсированного кинетического момента, обусловленного работой СТР, создают с использованием описанного в патенте РФ №2221733 [2] способа взаимной компенсации отдельных составляющих, т.е. жидкостные тракты стремятся разработать таким образом, что каждому участку жидкостного тракта, расположенному в одну сторону от центра масс (или осей X, Y, Z), имелся такой же идентичный и аналогично расположенный тракт в противоположной от центра масс (или осей X, Y, Z) стороне, в которых создаются моменты количества движения противоположного направления, т.е. в этом случае моменты количества движения взаимно компенсируются.

Однако, как показывает опыт, в действительности некоторые отклонения от вышеуказанного подхода всегда имеются ввиду необходимости соблюдать принятую оптимальную компоновку для приборов, и устройств, и спутника в целом, и нескомпенсированные кинетические моменты от работающих дублированных контуров практически всегда имеются (см. зоны C на фиг. 1, где создаются нескомпенсированные кинетические моменты относительно оси Z КА) и достигают, например, до 1 Н·м·с, обуславливающие увеличенные массовые затраты рабочего тела системы ориентации и стабилизации КА.

Из уровня техники также известна СТР КА согласно патенту US 6481670 B1 [3] (см. фиг. 3-6, где 11 - теплоноситель; 20 - жидкостный тракт; 90 - радиатор; 61 - гидронасос; 110 - цилиндрический отсек) с двумя жидкостными контурами в части СТР, расположенной вокруг цилиндрического герметичного отсека 110, со слоистым расположением их жидкостных трактов - см. фиг. 2, 8, 10 патента [3] (которым соответствуют фиг. 3-5, приведенные в материалах настоящей заявки); кол. 5, строки 65-67; кол. 6, строки 1-5, 31-41, 42-52 [3].

В связи с этим (слоистым расположением) вышеуказанные жидкостные тракты даже в случае, если гидронасосы имеют близкие расходно-напорные характеристики и встречно включены в данные жидкостные контуры, не обеспечивают достаточного снижения (до нуля) кинетического момента, возникающего при работе СТР на орбите (см. фиг.6, где приведены принципиальные схемы слоистого расположения жидкостных трактов контуров [3] и рядом расположенных жидкостных трактов контуров [1]).

В каждом сегменте для слоистого расположения жидкостных трактов жидкостных контуров кинетический момент - момент количества движения относительно оси Y (см. Л.А. Сена. Единицы физических величин и их размерности. - М.: Наука, 1988, стр 158) второго (внутреннего) контура - L₂ по абсолютной величине меньше кинетического момента первого (наружного) контура - L₁, т.к.(см. фиг. 6):

где L₁, L₂ - кинетические моменты первого и второго контуров;

R₁, R₂ - расстояния от оси Y КА до осей симметрии поперечных сечений жидкостных трактов контуров;

d₁=d₂ - внутренние диаметры жидкостных трактов;

ρ₁=ρ₂ - плотность теплоносителя, заправленного в жидкостные тракты;

W₁=W₂ - скорости потока теплоносителя в жидкостных трактах; поделив (1) на (2), имеем ;

для слоистого расположения жидкостных трактов R₁>R₂,

следовательно, |L₁|>|L₂| в каждом сегменте.

Кроме того, в радиаторе 90 не применяются сдублированные контуры; следовательно, величина кинетического момента при работе известной СТР [3] будет тем более больше.

Для случая с рядом расположенными жидкостными трактами двух жидкостных контуров [1], если их выполнить согласно предложенному авторами техническому решению, суммарный кинетический момент от работающей СТР будет близок к нулю.

Таким образом, известное техническое решение [3] не относится к рассматриваемому авторами типу СТР (с рядом расположенными жидкостными контурами [1]), и слоистое расположение жидкостных контуров [3] не обеспечивает снижение кинетического момента (до нуля), в связи с чем [3] не может быть рассмотрено в качестве наиболее близкого прототипа предлагаемого авторами изобретения.

Таким образом, известные технические решения [1] и [3] обладают общим существенным недостатком - увеличенными величинами нескомпенсированного кинетического момента, возникающими при работе СТР на орбите.

Из вышепроведенного анализа следует, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого изобретения является система терморегулирования космического аппарата согласно [1].

Таким образом, существенным недостатком известного технического решения [1] являются увеличенные величины нескомпенсированного кинетического момента, возникающие при работе СТР на орбите.

Целью предлагаемого авторами изобретения является устранение вышеуказанного существенного недостатка известного технического решения.

Поставленная цель достигается тем, что СТР КА, содержащая замкнутые дублированные жидкостные контуры с циркулирующим в их рядом расположенных жидкостных трактах теплоносителем, обеспечиваемым в результате работы установленных в них гидронасосов, имеющих близкие друг к другу расходно-напорные характеристики, выполнена таким образом, что каждый из гидронасосов имеет входной штуцер «1» и выходной штуцер «2» и направляет поток теплоносителя от штуцера «1» к штуцеру «2», причем жидкостные тракты имеют по одному штуцеру «А», расположенному по одну сторону от гидронасосов, и по одному штуцеру «Б», расположенному по другую сторону от гидронасосов, предназначенным для соединения со штуцерами гидронасосов, при этом в одном из контуров выходной штуцер «2» гидронасоса, установленного в нем, соединен со штуцером «А» жидкостного тракта, а входной штуцер «1» гидронасоса сообщен со штуцером «Б» жидкостного тракта указанного контура, а в другом жидкостном контуре выходной штуцер «2» гидронасоса, установленного в нем, соединен со штуцером «Б» жидкостного тракта, а входной штуцер «1» гидронасоса сообщен со штуцером «А» жидкостного тракта упомянутого контура, 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.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема СТР КА, выполненная согласно предложенному техническому решению авторов, где: 1 - СТР; 2, 3 - замкнутые дублированные жидкостные контуры с циркулирующим в их рядом расположенных жидкостных трактах теплоносителем, каждый из жидкостных трактов имеет штуцер «А», расположенный по одну сторону от гидронасосов, и штуцер «Б», расположенный по другую сторону гидронасосов; 4, 5 - гидронасосы, установленные в каждом контуре, имеющие выходные штуцеры «2» и входные штуцеры «1»; при этом в одном из контуров (поз. 2) выходной штуцер «2» гидронасоса 4 соединен со штуцером «А» жидкостного тракта указанного контура (поз. 2), а входной штуцер «1» гидронасоса 4 сообщен со штуцером «Б» упомянутого жидкостного тракта указанного контура (поз. 2); в другом жидкостном контуре (поз. 3) выходной штуцер «2» гидронасоса 5 соединен со штуцером «Б» жидкостного тракта этого контура (поз. 3), а входной штуцер «1» гидронасоса 5 сообщен со штуцером «А» названного жидкостного тракта упомянутого контура (поз. 3), причем гидронасосы имеют близкие друг к другу расходно-напорные характеристики и обеспечивают направление одинакового потока теплоносителя от входного штуцера «1» к выходному штуцеру «2», а также жидкостные тракты обоих контуров также практически идентичны.

Работа СТР КА на орбите происходит следующим образом.

После запуска КА на заданную орбиту после отделения его от ракеты-носителя включают в работу оба гидронасоса в дублированных жидкостных контурах, и начинается циркуляция теплоносителя (жидкого или двухфазного) в каждом из дублированных жидкостных трактов, при этом в результате выполнения жидкостных контуров согласно предложенному техническому решению направления движения теплоносителя в рядом расположенных трактах (сечениях) взаимно противоположны (см. зоны C на фиг. 2), а величины скоростей теплоносителя по модулю одинаковы ввиду установки в практически идентичных жидкостных трактах гидронасосов, имеющих одинаковые расходно-напорные характеристики, т.е. нескомпенсированные величины кинетических моментов в каждом жидкостном тракте разного знака, и взаимно уничтожаются, т.е. суммарный нескомпенсированный кинетический момент от работающей СТР практически близок к нулю и, следовательно, тем самым достигается цель изобретения.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников. СТР таких КА содержит одинаковые дублированные жидкостные контуры теплоносителя. Контуры включают в себя рядом расположенные жидкостные тракты и снабжены гидронасосами с близкими расходно-напорными характеристиками. Схема соединения жидкостных трактов с гидронасосами выполнена так, что направления движения теплоносителя в рядом расположенных жидкостных трактах взаимно противоположны. Технический результат изобретения состоит в уменьшении суммарного нескомпенсированного кинетического момента от работающей СТР и обеспечении, тем самым, снижения затрат массы рабочего тела системы ориентации и стабилизации КА. 6 ил.

Система терморегулирования космического аппарата, содержащая замкнутые дублированные жидкостные контуры с циркуляцией в их рядом расположенных жидкостных трактах теплоносителя, обеспечиваемой в результате работы установленных в них гидронасосов, имеющих близкие друг к другу расходно-напорные характеристики, отличающаяся тем, что каждый из гидронасосов имеет входной штуцер «1» и выходной штуцер «2» и направляет поток теплоносителя от штуцера «1» к штуцеру «2», причем жидкостные тракты имеют по одному штуцеру «А», расположенному по одну сторону от гидронасосов, и по одному штуцеру «Б», расположенному по другую сторону от гидронасосов, предназначенным для соединения со штуцерами гидронасосов, при этом в одном из контуров выходной штуцер «2» гидронасоса, установленного в нем, соединен со штуцером «А» жидкостного тракта, а входной штуцер «1» гидронасоса сообщен со штуцером «Б» жидкостного тракта указанного контура, а в другом жидкостном контуре выходной штуцер «2» гидронасоса, установленного в нем, соединен со штуцером «Б» жидкостного тракта, а входной штуцер «1» гидронасоса сообщен со штуцером «А» жидкостного тракта упомянутого контура.