СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2016 года по МПК B64G1/50 F28D15/04 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании вновь разрабатываемой системы терморегулирования (СТР) космического аппарата (КА) с тепловой нагрузкой 13000 Вт, а в дальнейшем при модернизации ее для применения в составе КА с тепловой нагрузкой до 18000 Вт.

Проведенные исследования и опытные работы показали, что высокотехнологичную и надежную СТР КА с тепловой нагрузкой 13000 Вт (с холодопроизводительностью СТР 13000 Вт) возможно создать на основе известной СТР (патента Российской Федерации (RU) №2369537 [1]), применив в жидкостных трактах однофазный теплоноситель Л3-ТК-2 вместо аммиака (см. фиг. 1, где изображена известная СТР с холодопроизводительностью 13000 Вт, выполненная на основе [1] с применением жидкого теплоносителя ЛЗ-ТК-2: 1 - модуль служебных систем (МСС); 1.1 - электронасосный агрегат (ЭНА); 1.2 - компенсатор объема; 1.3, 1.4 - сотовые приборные панели МСС с встроенными или установленными на них жидкостными коллекторами; 2 - модуль полезной нагрузки (МПН); 2.1, 2.2 - раскрываемые сотовые панели радиатора с встроенными жидкостными коллекторами; 2.3, 2.4 - сотовые приборные панели с встроенными жидкостными коллекторами; 2.5, 2.6 - приборные сотовые панели "+Z", "-Z" МПН с жидкостнгыми коллекторами (все коллекторы и соединительные трубопроводы имеют внутренний диаметр 12 мм) и тепловыми трубами. В этом случае будет создана СТР с применением ранее квалифицированных в условиях орбитального функционирования в течение 15 лет элементов СТР: электронасосного агрегата, компенсатора объема, тепловых труб, жидкостных коллекторов, соединительных трубопроводов (и двух раскрываемых панелей радиаторов). Так как в дальнейшем указанная принципиальная схема СТР должна быть распространена на КА с тепловой нагрузкой до 18000 Вт, то, в частности, площади и массы раскрываемых панелей соответственно возрастут в $$\frac{18000}{13000}\approx \mathrm{1,4}$$ раза. Анализ, проведенный авторами, показал, что в этом случае для снижения массы до приемлемого уровня необходимо панели радиатора создать с использованием испарителя с капиллярным насосом теплопередающего устройства на основе патента РФ №2346862 (с рабочим телом - аммиаком) [2], осуществив тепловую связь корпуса испарителя с жидкостным контуром СТР и установив его на панели полезной нагрузки.

Однако эффективность такой схемы СТР не квалифицирована в условиях невесомости - орбитального функционирования с тепловой нагрузкой свыше 13000 Вт.

Кроме того, не подтверждена наземными испытаниями эффективность такого радиатора, расположенного в условиях орбитального полета под углом ≈23°C относительно плоскости, проходящей через панель "+Z" (или "-Z") МПН: при наземных испытаниях в термобарокамере для обеспечения работоспособности указанная панель раскрываемого радиатора, как и панели "+Z" (или "-Z"), расположена в горизонтальной плоскости (т.е. вышеуказанный угол равен нулю).

Таким образом, как указано выше, существенным недостатком известной СТР КА с тепловой нагрузкой 13000 Вт является отсутствие возможности применять ее в КА с тепловой нагрузкой выше 13000 Вт (до 18000 Вт) до квалификации раскрываемой панели радиатора с использованием испарителя с капиллярным насосом в условиях орбитального функционирования.

Целью предложенного авторами технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка, для чего СТР КА, состоящая из замкнутых квалифицированных сдублированных жидкостных контуров в сочетании с тепловыми трубами, причем каждый контур содержит подконтур модуля служебных систем с установленными в нем электронасосным агрегатом, компенсатором объема на его входе, сотовыми приборными панелями с жидкостными коллекторами, и сообщенный с ним подконтур модуля полезной нагрузки с последовательно установленными после подконтура модуля служебных систем первой раскрываемой панелью радиатора, сотовой приборной панелью "+Z" (или "-Z") модуля полезной нагрузки с встроенными в панели тепловыми трубами и установленными на панели жидкостными коллекторами, второй раскрываемой панелью радиатора, сотовой приборной панелью "-Z" (или "+Z") модуля полезной нагрузки с встроенными в панель тепловыми трубами и установленными на панели жидкостными коллекторами, приборными панелями модуля полезной нагрузки со встроенными жидкостными коллекторами, расположенными на участке от выхода до входа в модуль служебных систем, выполнена таким образом, что одна из раскрываемых панелей радиатора выполнена с коллекторами, в которых циркулирует двухфазное рабочее тело, в результате работы испарителя с капиллярным насосом, установленного на панели "+Z" (или "-Z"), корпус испарителя которого имеет тепловой контакт с циркулирующим в жидкостных трактах модуля полезной нагрузки теплоносителем, при этом холодопроизводительность раскрываемой панели, в жидкостных трактах которой циркулирует жидкий теплоноситель, для аппарата с тепловой нагрузкой 13000 Вт выбрана таким образом, что без другой раскрываемой панели с использованием испарителя с капиллярным насосом обеспечивается температура приборов в условиях эксплуатации не выше (вблизи) максимально допустимой, 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.

Принципиальная схема предложенной авторами СТР КА изображена на фиг. 2, где: (см. фиг 1, где изображена известная СТР с холодопроизводительностью 13000 Вт, выполненная на основе [1] с применением жидкого теплоносителя ЛЗ-ТК-2: 1 - модуль служебных систем; 1.1 - электронасосный агрегат; 1.2 - компенсатор объема; 1.3, 1.4 - сотовые приборные панели МСС со встроенными или установленными на них жидкостными коллекторами; 2 - модуль полезной нагрузки; 2.1, 2.2 - раскрываемые сотовые панели радиатора со встроенными жидкостными коллекторами; 2.3, 2.4 - сотовые приборные панели со встроенными жидкостными коллекторами; 2.5, 2.6 - приборные сотовые панели "+Z", "-Z" МПН с жидкостными коллекторами (все коллекторы и соединительные трубопроводы имеют внутренний диаметр 12 мм) и тепловыми трубами.

На приборной панели, например, "+Z" (поз. 2.5), установлен испаритель 2.7, включающий в себя капиллярный насос 2.7.1; испаритель 2.7 имеет вход «1» и выход «2» для сообщения с жидкостным трактом 2.2.1 (с внутренним диаметром 4 мм) сотовой панели 2.2 раскрываемого радиатора; корпус 2.7.2 испарителя имеет тепловой контакт с циркулирующим в жидкостных трактах МПН 2 теплоносителем, который, например, реализован в виде герметичного канала 2.7.3 с шипами; канал 2.7.3 имеет вход «3» и выход «4» для сообщения с жидкостным трактом на выходе из панели 2.5; на входе и выходе из раскрываемых панелей установлены датчики температуры t1, t2 и t3, t4; расход теплоносителя в жидкостном контуре контролируется датчиком V, установленным на входе в ЭНА 1.1.

Изготавливают КА с холодопроизводительностью СТР 13000 Вт следующим образом.

В результате проектных работ определяют массы раскрываемой панели радиатора с жидкостным трактом с теплоносителем ЛЗ-ТК-2 (в т.ч. с учетом массы соединительных гибких трубопроводов с dy=12 мм) и второй раскрываемой панели с трактом, где циркулирует аммиак (в т.ч. с учетом масс испарителя и соединительных гибких трубопроводов с dy=4 мм).

Определяют превышение массы раскрываемой панели с жидкостным трактом с теплоносителем ЛЗ-ТК-2 по сравнению с массой второй раскрываемой панели с теплоносителем аммиаком.

Увеличивают площадь раскрываемой панели с жидкостным трактом с теплоносителем на величину, достаточную для обеспечения температуры приборов в условиях эксплуатации на орбите не выше (вблизи) максимально допустимой рабочей температуры в случае отказа (неудовлетворительной работы) второй раскрываемой панели с аммиаком (с испарителем).

Расчеты показывают, что при этом требуемое увеличение массы для раскрываемой панели радиатора с теплоносителем ЛЗ-ТК-2 будет менее вышеопределенного превышения массы.

Изготавливают раскрываемые панели, осуществляют сборку КА, проводят электрические, механические, тепловакуумные наземные испытания КА и после получения положительных результатов испытаний осуществляют запуск КА на орбиту.

Работа предложенной СТР в условиях орбитального функционирования происходит следующим образом.

После вывода КА в рабочую точку орбиты включается в работу ЭНА, раскрываемые панели автоматически устанавливаются в соответствующие требуемые рабочие положения относительно КА (под углом ≈23°C (наилучшее положение для отвода максимально возможного избыточного тепла) относительно плоскости, проходящей через плоскость панели "+Z" (или "-Z") МПН), и начинается отвод избыточного тепла от работающих приборов МПН, МСС в космическое пространство.

В процессе функционирования КА измеряют, в частности, расход в жидкостном тракте и температуры теплоносителя Л3-ТК-2 на входах и выходах из раскрываемых панелей, и определяют холодопроизводительности их, и определяют эффективность работы их (в т.ч. стабильность работы) по параметру: отводимое избыточное тепло, приходящееся на один кг массы соответствующей панели - для раскрываемой панели с аммиаком эта величина должна быть не менее величины для раскрываемой панели с ЛЗ-ТК-2.

В течение эксплуатации КА, например, в течение не менее одного года контролируют стабильность эффективности, если она не ухудшилась для раскрываемой панели с аммиаком, то допускают изготовление КА с тепловой нагрузкой более 13000 Вт. При этом следует отметить, что раскрываемая панель с аммиаком более надежная с точки зрения пробоя его жидкостного тракта метеоритами и космическим мусором ввиду применения в ее конструкции жидкостного тракта с dy=4 мм (по сравнению с dy=12 мм для раскрываемой панели с теплоносителем ЛЗ-ТК-2).

Таким образом, в результате изготовления КА с тепловой нагрузкой 13000 Вт (с СТР холодопроизводительностью 13000 Вт) согласно предложенному авторами техническому решению обеспечивается квалификация раскрываемой панели с аммиаком в условиях орбитального функционирования и на основе полученных положительных результатов эксплуатации КА на орбите допускается изготовление КА с тепловой нагрузкой более 13000 Вт, к жидкостным контурам СТР которых подключены по две раскрываемые панели с аммиаком, т.е. тем самым достигается цель изобретения.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) с тепловой нагрузкой от 13 до 18 кВт. СТР состоит из замкнутых жидкостных контуров и тепловых труб (ТТ), а также раскрываемых панелей радиатора (РПР). Каждый контур содержит сообщенные подконтуры модулей служебных систем (МСС) и полезной нагрузки (МПН). В сотовые приборные панели ("+Z" или "-Z") МПН встроены ТТ, а на панелях установлены жидкостные коллекторы (встроенные в другие приборные панели). Одна из РПР выполнена с коллекторами на двухфазном рабочем теле, образующемся в испарителе с капиллярным насосом, установленном на панели "+Z" или "-Z" МПН. Корпус испарителя контактирует с теплоносителем подконтура МПН. Хладопроизводительность другой РПР (с жидким теплоносителем) выбрана так, что без первой РПР обеспечивается температура приборов не выше максимально допустимой. Техническим результатом изобретения является обеспечение квалификации РПР (с аммиаком) в полетных условиях и при положительных результатах - возможность применения СТР, рассчитанной на 13 кВт, в составе КА с тепловой нагрузкой до 18 кВт (при подключении к СТР двух указанных РПР). 2 ил.

Система терморегулирования космического аппарата, состоящая из замкнутых сдублированных квалифицированных жидкостных контуров в сочетании с тепловыми трубами, причем каждый контур содержит подконтур модуля служебных систем с установленными в нем электронасосным агрегатом, компенсатором объема на его входе, сотовыми приборными панелями с жидкостными коллекторами, а также сообщенный с ним подконтур модуля полезной нагрузки с последовательно установленными после подконтура модуля служебных систем первой раскрываемой панелью радиатора, сотовой приборной панелью "+Z" или "-Z" модуля полезной нагрузки со встроенными в панели тепловыми трубами и установленными на панели жидкостными коллекторами, второй раскрываемой панелью радиатора, сотовой приборной панелью "-Z" или "+Z" модуля полезной нагрузки со встроенными в панель тепловыми трубами и установленными на панели жидкостными коллекторами, приборными панелями модуля полезной нагрузки со встроенными жидкостными коллекторами, расположенными на участке от выхода до входа в модуль служебных систем, отличающаяся тем, что одна из раскрываемых панелей радиатора выполнена с коллекторами, в которых циркулирует двухфазное рабочее тело в результате работы испарителя с капиллярным насосом, установленного на панели "+Z" или "-Z", причем корпус испарителя имеет тепловой контакт с циркулирующим в жидкостных трактах модуля полезной нагрузки теплоносителем, при этом холодопроизводительность раскрываемой панели, в жидкостных трактах которой циркулирует жидкий теплоноситель, для аппарата с тепловой нагрузкой выбрана таким образом, что без другой раскрываемой панели с использованием испарителя с капиллярным насосом обеспечивается температура приборов в условиях эксплуатации не выше максимально допустимой.