Устройство терморегулирования космического аппарата Российский патент 2019 года по МПК B64G1/50 

Назначение

Изобретение относится к космической технике и предназначено для применения на космических аппаратах в условиях космического пространства, где необходимо поддерживать заданный температурный режим как всего КА, так и его отдельных объектов, установленных на радиационной поверхности корпуса КА (негерметизированный вариант исполнения). Указанный температурный режим обеспечивается, в том числе, и за счет использования электрического способа регулирования, основанного на включении электронагревателей для подогрева объектов на основании заданных температурных уставок, информации, снимаемой с подключаемых внешних термодатчиков и в соответствии с командами управления.

Уровень техники

Основной задачей теплового проектирования КА является обеспечение температурных режимов бортового радиотехнического комплекса, отдельных функциональных приборов, различных электромеханических устройств, больших пространственных конструкций, антенно-фидерных устройств и т.п. Их нормальное функционирование и выходные параметры, а также надежность и ресурс работы во многом определяются температурными условиями, в которых эти устройства работают.

Современная космическая техника, среди прочих, ставит перед собой задачу по увеличению срока активного существования создаваемого КА.

Для гарантированного увеличения срока активного существования КА (на сегодня срок активного существования достигает 7-10 лет и ставится задача его увеличения до 15 лет), определяемого номинальным временем эксплуатации, очень важно обеспечивать в процессе его штатной эксплуатации требуемые температурные режимы, т.е. поддерживать температуру в сравнительно узком диапазоне для различных объектов, например, для термостатирования приборных отсеков со сложной и точной электронной аппаратурой, аккумуляторных батарей СЭП, оптико-электронных преобразователей целевой аппаратуры и т.д.

К числу бортовых систем, существенно влияющих на срок активного существования КА, относится система терморегулирования (СТР), неразрывно связанной с системой электропитания (СЭП).

На КА в качестве источников питания являются солнечные батареи и вторичные источники питания - аккумуляторы, режимы работы которых существенно влияют на срок активного существования КА. В частности, в виду ограниченной остаточной емкости аккумулятора существует «резервное» время в виде интервала времени, определяющего текущий запас электроэнергии в аккумуляторах (АК), до момента времени полного расходования на бортовое электропотребление. Данная ситуация возникает в связи с периодическим прохождением КА теневых участков орбиты, затененных от Солнца Землей или участков частично затененных от Солнца Луной. В силу различных причин, в том числе из-за прецессии угла между плоскостью орбиты и направлением на Солнце, генерируемая СБ средняя электрическая мощность за виток орбиты КА постоянно изменяется, при этом увеличивается (уменьшается) длительность светового участка орбиты и амплитуда тока СБ, а зависимость освещенности (тока) СБ от времени описывается по закону, близкому к синусоидальному (см. патент, РФ, 2593599).

При прохождении КА теневых участков орбиты (см. патент, РФ, 106768), затененных от Солнца Землей, ток от генераторов, которыми являются фотоэлектрические солнечные батареи (СБ), отсутствует, а при прохождении КА участков частично затененных от Солнца Луной он вырабатывается, но может быть меньше тока нагрузки от бортовых потребителей. Поэтому в данной ситуации питание электроэнергией осуществляется от аккумуляторов, что является критичным с точки зрения функционирования КА. В случае не расчетного энергопотребления или недостаточной заряженности аккумуляторов будет отсутствовать электропитание бортовой аппаратуры КА, что снизит срок его активного существования и, более того, КА может быть потерян.

В общем случае СТР представляет собой сложное устройство, состоящее из пассивных и активных способов терморегулирования КА.

Пассивное терморегулирование радиационных поверхностей осуществляются за счет использования материалов с определенными тепловыми характеристиками (радиационными и теплоизоляционными, например, терморегулирующие покрытия и высокоэффективная экранно-вакуумная тепловая изоляция), за счет выбора соответствующей геометрической формы аппарата и его ориентации относительно Солнца и за счет использования теплоты фазовых переходов (см. Космические аппараты, под редакцией К.П. Феоктистова, Воениздат, Москва, 1983 г., с. 200). Пассивное терморегулирование с использованием поверхностей с определенными радиационными характеристиками и высокоэффективной тепловой изоляцией позволяет снизить внешние тепловые потоки внутрь КА (или тепловые потери в космос) и уменьшить тепловую нагрузку на функционирующие системы. Наиболее эффективной термоизоляцией в условиях космического полета является многослойная изоляция, набранная из радиационных экранов (например, металлизированных алюминиевых майларовых или каптоновых пленок) и теплоизоляционных прокладок. Кроме того, на радиационных сотопанелях могут устанавливаться раскрывающиеся и компактно складывающиеся механическими приводами теплозащитные шторки.

При выборе наружных терморегулирующих покрытий (для обеспечения на радиационных панелях температуры не более заданного предельно допустимого значения) следует учитывать коэффициент поглощения солнечного излучения и степень черноты, а также стабильность этих характеристик после длительного пребывания в условиях космического пространства под воздействием УФ-излучения Солнца и компонентов космической радиации (см. патент, РФ, 2092398).

При использовании активных способов терморегулирования применяются системы с циркуляцией хладагента, с изменением теплового сопротивления (между внутренним объемом отсеков и их оболочкой), нагреватели и термостаты, биметаллические приводы для управления жалюзи, термостатические и другие устройства.

Системы и устройства, реализующие пассивные способы, более надежны в эксплуатации, конструкция их, как правило, имеет и меньшую массу. Однако активные способы терморегулирования как внутренних отсеков КА, так и их поверхностей могут поддерживать необходимый тепловой режим при изменении внешних и внутренних тепловых нагрузок в широком диапазоне. Причем точность поддержания температуры значительно выше, чем у систем, реализующих пассивные способы терморегулирования (см. А.С. Елисеев. "Техника космических полетов", изд. Машиностроение, Москва, 1983 г.).

В СТР с принудительной циркуляцией жидкости (или газа) в замкнутых контурах тепло от охлаждаемых источников передается к жидкости, которая затем охлаждается на радиационных поверхностях, сбрасывающих тепло излучениям в космическое пространство. Сброс теплоты излучением осуществляется с поверхности панелей навесных холодных радиаторов, по каналам которых циркулирует промежуточный теплоноситель, который имеет недостаток, что может выйти из строя по причине разгерметизации, например, под воздействием метеорных или техногенных частиц. Поэтому для исключения этого недостатка и повышения живучести КА концевые теплообменники термостатирования навесных радиаторов могут выполняться в виде оригинальной конструкции и на основе тепловых труб (см. патент, РФ, 2543433).

Системы с тепловыми трубами более эффективны в тепловом отношении (см. патент, РФ, 2262468), более надежны и имеют меньший вес по сравнению с аналогичными системами без тепловых труб, поскольку сами тепловые трубы, по сравнению с обычно применяемыми элементами СТР (теплообменниками, насосами и т.д.), имеют ряд существенных преимуществ:

- не требуются затраты энергии на прокачку теплоносителя;

- трубы более надежны и бесшумны в связи с отсутствием движущейся части;

- не требуются дополнительные регулирующие приборы, так как могут применяться саморегулирующие трубы;

- радиаторная панель с использованием тепловых труб более надежна (меньше уязвимость радиатора при попадании метеора);

- способны обеспечить высокую теплопроводность между источниками тепла и стоками, что дает возможность использовать меньше поверхности и, следовательно, снизить вес.

Обычная тепловая труба переменной теплопроводности способна поддерживать собственную температуру на постоянном уровне, несмотря на то, что подводимая тепловая мощность и окружающие условия изменяются. Если тепловое сопротивление между тепловой трубой и тепловым источником мало, то температура источника будет также примерно постоянной.

На практике это сопротивление нередко оказывается достаточно большим, вследствие чего температура источника будет изменяться в более широком диапазоне, чем температура тепловой трубы.

Эти колебания температуры источника могут быть значительно уменьшены при использовании электрического способа регулирования, основанного на включении электронагревателей для подогрева, поэтому в данных устройствах, как правило, присутствуют термодатчики для контроля температуры, электронный блок управления и электронагреватели (см. патент, РФ, 106768).

Затраты электроэнергии связаны с подводом тепла к различным объектам, установленных на радиационных поверхностях КА, и требующим поддержание температуры в сравнительно узком диапазоне, например, при термостатировании приборных отсеков со сложной и точной электронной аппаратурой, для аккумуляторных батарей СЭП, для оптико-электронных преобразователей целевой аппаратуры, при предотвращении замерзания жидкостного теплоносителя и т.д.

Например, известен способ терморегулирования радиационных поверхностей космических аппаратов по патенту РФ 2262468 в котором используется электрический способ регулирования и для исключения критических ситуаций, связанных с расходованием и текущим запасом электроэнергии в аккумуляторах (см. в описании выше), на затененных участках отключаются электронагреватели (все или определенное количество), например, "блокировкой" термисторов, в результате чего уменьшается потребление энергии от аккумуляторов. Однако отключение электронагревателей может приводить к глубокому "захолодению" объектов КА, требующих температурные условия эксплуатации в сравнительно узком диапазоне, что снижает срок активного существования, т.е. живучесть КА.

Следует отметить, что экономия энергопотребления за счет отключения полезной нагрузки от аккумуляторов (см. патент, РФ, 2092398), зачастую является крайне нежелательна для наземных пользователей.

С учетом того, что программа полета КА известна, световые и затененные участки орбиты периодически повторяются и прогнозируются (см. патент, РФ, №2092398), то для снижения нагрузки на аккумулятор в критических ситуациях целесообразно максимально использовать различные возможности на полетных "световых" интервалах (естественный внешний приток тепла и запасы бортовой электроэнергии), когда СЭП осуществляется за счет солнечных батарей и осуществляется заряд аккумулятора. Например, конструкции панелей радиационной поверхности КА, между которыми через конструкцию КА происходит кондуктивный теплообмен, можно дополнить, например, тепловыми аккумуляторами с целью увеличения количества запасаемого тепла за счет фазовых превращений, путем заполнения соты панели, например, парафинообразным веществом с высокой удельной теплотой плавления или, например, использование теплового аккумулятора, имеющего зоны расположения газа (паров теплоносителя) и жидкой фазы теплоносителя (см. патент, РФ, 2362711).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство управления нагревателями аппаратуры космического аппарата (патент, РФ, 2571728), взятое авторами за прототип.

Устройство управления нагревателями аппаратуры космического аппарата, включающее в себя разъемы для подключения термодатчиков, располагаемых на бортовых объектах для контроля температуры, а также содержащее измерительные усилители по каждому сигнальному каналу с термодатчиков и последовательно соединенный с его выходом - аналоговый коммутатор, предназначенный для последовательного переключения измерительных каналов за установленный период времени, содержащее также заведенные на одну магистральную шину: микропроцессор, порт приема дискретных данных, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с портами вывода цифровой информации, первый из которых, предназначенный для управления электронагревателями, соединен с электронными ключами, нагрузкой которых являются электронагреватели, аналогово-цифровой преобразователь, цифровой компаратор и информационно-интерфейсный модуль, причем по входу аналогово-цифровой преобразователь подключен к выходу аналогового коммутатора, а по выходу - к одному из входов цифрового компаратора, предназначенного для сравнения фактических температур с температурными уставками по каждому объекту нагрева, и к одному из входов информационно-интерфейсного модуля, при этом второй вход цифрового компаратора соединен со вторым портом вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за температурные уставки, и со вторым входом информационно-интерфейсного модуля, третий вход которого соединен с третьим портом вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за телеметрический код, а четвертый порт вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за последовательность выбора температурного канала, соединен со вторым входом аналогового коммутатора, при этом выход цифрового компаратора заведен на один вход порта приема дискретных данных, второй вход которого соединен с выходом блока управления, подключенного по своему входу к выходу информационно-интерфейсного модуля, соединенного через магистраль с локальным контроллером бортовой ЭВМ.

Устройство прототипа работает следующим образом. Фактические значения температур фиксируются термодатчиками, установленными на объектах, требующих подогрев с помощью электронагревателей. Через разъемы термодатчики подключаются к измерительным усилителям, выходной сигнал с которых является аналоговым и поступает на вход аналогового коммутатора.

Выходные порты ОЗУ управляют последовательным переключением n измерительных каналов аналогового коммутатора, с периодичностью t₁/n с, где t₁ - измерительный интервал (каждому каналу отведено время по t₁/n с).

Текущие значения температур в цифровом виде по каждому каналу считываются с выхода АЦП, другие элементы телеметрического сигнала предварительно подготовленные и хранящиеся в цифровом виде из ОЗУ. Так, например, фиксированные коды маркера "Начало цикла", маркера канала, сигнал "Тепловой контроль" и т.д. считываются из ПЗУ. Сигнал "Скважность" вычисляется за предыдущий интервал времени работы и представляет собой величину, пропорциональную отношению суммарного времени включенного состояния данного нагревателя к общему времени работы. Информация включенного состояния нагревателей поступает с определенной дискретностью для каждого текущего интервала, поэтому код сигнала "Скважность" подсчитывается и обновляется каждый данный текущий интервал.

В ПЗУ запрограммированы уставные значения температур для каждого нагревателя, которые через ОЗУ и его выходной порт поступает на цифровой коммутатор, туда же поступает цифровой сигнал с информацией о фактических температурах с АЦП. Результаты сравнения этих сигналов через порт приема дискретных данных и магистральную шину поступают в ОЗУ, которое через порт управляет n выходными электронными ключами, нагрузкой которых являются нагреватели, например, металлопленочные резисторы, изготовленные по технологии гибких печатных плат.Количество выходных электронных ключей определяется числом выходных каналов. На электронный ключ заводятся сигналы с информацией о тепловой обстановке в каналах ("1"- температура ниже уставки, "0"- выше уставки). Сигналы, имеющие высокий уровень, открывают электронные ключи, обеспечивая протекание тока от бортового источника в электронагревателях. Сигналы, имеющие низкий уровень, закрывают электронный ключ и нагреватели обесточиваются.

Таким образом достигается и поддерживается с высокой точностью и стабильностью равенство текущих температурных значений по каждому каналу с температурными уставками, записанными в ПЗУ.

Недостатком устройства является то, что для исключения критических ситуаций, связанных с расходованием и текущим запасом электроэнергии в аккумуляторах, на затененных участках, в целях уменьшения потребления электроэнергии от аккумуляторов, могут отключаться от аккумуляторов все или определенное количество электронагревателей. Циклическое отключение электронагревателей от объектов КА, требующих температурные условия эксплуатации в сравнительно узком диапазоне, может приводить данные составляющие КА к глубокому "захолодению", что снижает живучесть и эффективность функционирования КА.

Целью предлагаемого изобретения является повышение живучести КА при сохранении эффективного его функционирования на всех участках орбиты.

Раскрытие изобретения

Сущность предлагаемого изобретения заключается в техническом обеспечении исключения критических ситуаций, связанных с расходованием и текущим запасом электроэнергии в аккумуляторах, путем контроля датчиком остаточной емкости аккумулятора и локальным контроллером бортовой ЭВМ остаточной емкости аккумуляторов, обеспечивающего недопущение глубокого его разряда, и при недостаточном запасе остаточной емкости аккумулятора, включением экономичного режима потребления электроэнергии на затененных участках, определяемого запасом остаточной емкости, посредством последовательного подключения к основным электронагревателям дополнительных, в результате чего исключается глубокое "захолодение" составляющих КА, снижающее живучесть и эффективность функционирования КА в условиях открытого космоса.

Под остаточной емкостью аккумулятора следует понимать значение количества электрической энергии, выраженное в ампер часах или Кулонах, которое аккумулятор отдает при разряде до выбранного конечного напряжения в любом текущем его состоянии. По условиям эксплуатации аккумулятора глубокий его разряд, а именно, ниже конечного напряжения, недопустим, т.к. это приводит к сокращению срока его службы.

Устройство терморегулирования космического аппарата включает в себя связанные через внутреннюю магистраль: микропроцессор, ОЗУ с портами вывода цифровой информации, ПЗУ для задания температурных уставок по каждому электронагревателю, порт приема дискретных данных. В ПЗУ прошивается программное обеспечение температурных уставок и работы всего устройства. Кроме того, система терморегулирования содержит последовательно соединенные: разъем для подключения n-ного количества термодатчиков, n измерительных усилителей по каждому датчику, аналоговый коммутатор с n входами по каждому усиленному сигналу с датчиков. Управляющий вход аналогового коммутатора соединен с одним из выходов порта вывода цифровой информации ОЗУ, ряд других выходов которого соединены с n электронных ключей для управления каждым из n электронагревателей. Выход аналогового коммутатора соединен с последовательно соединенными блоками: аналого-цифровым преобразователем и цифровым компаратором, второй вход которого также соединен с портом вывода цифровой информации ОЗУ, откуда поступает информация о заданных в ПЗУ температурных уставках, и позволяет обеспечить сравнение значений текущих значений температур с температурными уставками, представленными в цифровом виде и тем самым достигнуть высокой точности и стабильности результата. Цифровой компаратор представляет собой схему сравнения входных сигналов в цифровом виде, с выхода которой снимается результирующий сигнал, который обрабатывается микропроцессором, ОЗУ, ПЗУ и данный сигнал обработки с порта вывода цифровой информации ОЗУ управляет n электронными ключами (электронные ключи закрыты при текущей температуре, превышающей температурную уставку, или открыты при текущей температуре меньшей температурной уставки), тем самым определяется момент включения или отключения электронагревателей, поддерживая таким образом текущие температуры в соответствии с установленным в ПЗУ температуривши уставками.

Введение в устройство n дополнительных электронагревателей, последовательно соединенных соответственно с n основными электронагревателями, n электронных ключей, шунтирующих n дополнительных электронагревателей и управляемых с порта вывода цифровой информации ОЗУ, датчика остаточной емкости, снимаемого текущие значения емкости аккумулятора СЭП, которые вводятся в локальный контроллер бортовой ЭВМ для контроля критических ситуаций, связанных с расходованием и текущим запасом электроэнергии в аккумуляторах на затененных участках, а также с исключением глубокого "захолодение" составляющих КА, требующих температурные условия эксплуатации в сравнительно узком диапазоне, и устанавливаемых радиационной поверхности корпуса КА, тем самым повысить живучесть КА при сохранении эффективного его функционирования на всех участках орбиты.

В качестве электронагревателей можно использовать металлопленочные резисторы (гибкие электронагреватели), изготавливаемые по технологии гибких печатных плат, которые обладают малой массой и могут размещаться на элементах конструкции КА различной конфигурации (см. патент РФ, №119 969). АО «НИИЭМ», г. Истра, Московской области изготавливает гибкие электронагреватели различной формы и мощности с питающим напряжением в широком диапазоне.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяемой электронагревателем определяется выражением

где Q - количество теплоты, выделяемой электронагревателем,

U - напряжение на электронагревателе,

R - сопротивление электронагревателя,

Δt - время прохождения тока через электронагреватель.

В соответствии с законом сохранения энергии количество теплоты, выделяемой электронагревателем Q равна количеству энергии, потребляемой от системы электропитания (потерями на проводниках, соединяющими электронагреватели с СЭП можно пренебречь).

При последовательном соединении основного и дополнительного электронагревателей сопротивление электронагревателя R увеличивается и равно их сумме

где R₀ - сопротивление основного электронагревателя,

Rд - сопротивление дополнительного электронагревателя. В данном режиме (условно называемым экономичном режиме) в соответствии с выражением (1) количество теплоты, выделяемой электронагревателем, снижается, а значит и снижается потребление электроэнергии от СЭП.

Данный экономичный режим необходимо применять в критических ситуациях на затененных участках, когда потребление электроэнергии осуществляется от аккумуляторов и требуется ее снижение. Несмотря на то, что в данном экономичном режиме количество теплоты, выделяемой электронагревателями, снижается, однако в виду увеличения площади локального обогрева конструкции составляющих КА (дополнительно за счет дополнительных электронагревателей), требующих температурные условия эксплуатации в сравнительно узком диапазоне, глубокого их "захолодения" не происходит (как, например, в прототипе при отключенном электронагревателе), что увеличивает живучесть КА, а также сохраняет эффективное его функционирование на затененных участках орбиты.

Датчик остаточной емкости совместно с локальным контроллером бортовой ЭВМ позволяет фиксировать текущую остаточную емкость аккумулятора (см., например, Новости Электроники, №11, 2016 г., стр. 31-37) и в соответствии с ее значением обеспечивать номинальные режимы эксплуатации аккумулятора, не допускающие глубокого разряда (см. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. Москва, 2003 г., стр. 124-125), что позволяет сохранить рабочие характеристики аккумулятора в течении как можно большего периода времени, и не допускать ситуаций, когда требуемое расходование электроэнергии за определенный период времени превышает текущее значение остаточной емкости в аккумуляторах, что позволяет увеличивает живучесть КА (режимы заряда и условия эксплуатации аккумуляторных батарей известны и подробно описаны, например, в патентах, РФ, №2510105, №2528411, 2529011).

Таким образом, благодаря введению новых признаков - n дополнительных электронагревателей, последовательно соединенных соответственно с n основными электронагревателями, n электронных ключей, шунтирующих n дополнительных электронагревателей и датчика остаточной емкости увеличивается срок активного существования КА, т.е. живучесть КА при сохранении эффективного его функционирования на всех участках орбиты.

Графические иллюстрации

На приведенной графической фигуре приведена структурная схема системы терморегулирования космического аппарата. Осуществление изобретения

Система терморегулирования космического аппарата содержит составляющие, обозначенные позициями на Фиг. 1:

Система терморегулирования космического аппарата содержит блоки, обозначенные позициями на Фиг. 1: МП (микропроцессор) - 1;

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - 2;

порты вывода цифровой информации: РА1 - 3, РА2 - 4, РВ - 5, PC - 6;

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - 7;

ППР (порт приема дискретных данных) - 8;

Разъем на N соединений (для подключения термодатчиков) - 9;

ИУс (измерительные усилители) -10;

АК (аналоговый коммутатор) -11;

БУ (блок управления) -12;

АЦП (аналого-цифровой преобразователь) - 13;

ЦК (цифровой компаратор) - 14;

ИИМ (информационный интерфейсный модуль) - 15;

Выходной формирователь - 16, содержащий n штук ЭК1 и n штук ЭК2;

Электронагреватели - 17, содержащие n штук последовательно соединенных

основных (ЭНо) с дополнительными (ЭНд);

Система электропитания (СЭП) - 18, содержащая аккумулятор (АК) -19 и

солнечные батареи (СБ) - 20;

Датчик остаточной емкости - 21;

Бортовая ЭВМ (локальный контроллер) - 22;

Корпус КА (радиационная поверхность) - 23.

Микропроцессор 1 осуществляет все функции по организации работы блока, синхронизации взаимодействия его составных частей и выполнению необходимых вычислительных операций, производит выборку команд и данных из памяти программ ПЗУ7 и памяти данных, производит арифметические и логические операции над данными, управляет сигналами на внутренней шине адреса данных. Микропроцессор 1 - основной программно-управляемый элемент, осуществляющий процесс обработки цифровой информации. Он генерирует адресные сигналы и управляющие импульсы, необходимые для обращения к памяти и устройству ввода вывода, а также отвечает на запросы прерываний.

Через внутреннюю магистраль ОЗУ 2, ПЗУ 7 связаны с портом приема дискретных данных ППР 8. В соответствии с программным обеспечением, заложенным в ПЗУ 7, микропроцессор 1 организует работу по нескольким жестким циклам.

При обращении микропроцессора 1 к ОЗУ 2 происходит запись информации в ячейки памяти ОЗУ 2 или передача информации из ячеек памяти ОЗУ 2, при отсутствии обращения - ячейки ОЗУ 2 находятся в режиме хранения информации.

В ПЗУ 7 хранится штатное бортовое программное обеспечение, включающее в себя набор рабочих и контрольных программ и таблицы температурных констант (уставки и граничные значения температур).

Обращение к ПЗУ 7 происходит только по сигналу микропроцессора 1, поступающему на управляющий вход дешифратора ПЗУ 7, при этом на выходы, то есть на шину выводится содержимое выбранной ячейки памяти ПЗУ 7.

Порты РА 3 и РА 4 предназначены для управления соответственно через электронные ключи ЭК1 1-й - ЭК1 n-й основными электронагревателями ЭНо 1-й - ЭНо n-й и через электронные ключи ЭК2 1-й - ЭК2 n-й дополнительными электронагревателями ЭНд 1-й - ЭНд n-й, причем каждому из n разрядов портов соответствует свой канал нагревателя.

Через порт РВ 5 задаются код и температурные константы (уставки или граничные значения), либо элементы телеметрического сигнала БУН.

Старшие разряды порта PC 6 управляют последовательным переключением n измерительных каналов аналогового коммутатора 11 с периодичностью t₁/n (измерительный интервал, каждому каналу), где n - число каналов блока, t₁ - время опроса всех n каналов.

Внешние термодатчики через разъем 9 и измерительные усилители 10, которые преобразуют величину сопротивления в уровень постоянного напряжения, соединены с одним входом аналогового коммутатора 11, с выхода которого преобразованные и усиленные сигналы поочередно поступают на вход АЦП 13. Выбор канала аналогового коммутатора 11, осуществляется управляющими цифровыми сигналами, поступающими с порта вывода цифровой информации PC 6 на второй вход аналогового коммутатора 11.

На один вход порта приема дискретных данных 8 в виде формата m-разрядного слова из блока управления 12 поступают сведения о принятых командах управления с информационного интерфейсного модуля 15 (от локального контроллера бортовой ЭВМ 22), а на второй вход - от цифрового компаратора 14 в виде результата сравнения контролируемой температуры с уставками и граничными значениями (больше или меньше).

Информационный интерфейсный модуль 15 по магистральному каналу связи соединен с локальным контроллером бортовой ЭВМ. По мультиплексному каналу обмена передаются команды управления от локального контроллера, а также телеметрическая информация, в соответствии с по ГОСТ Р 52070-2003 (через бортовую ЭВМ) по каждому каналу и по работе всех ключевых элементов схемы. Например, через сигнал "Тепловой контроль" в систему телеметрии выдаются квитанции о приеме управляющих команд смены уставок, а также диагностическая оценка работы канала: находится ли контролируемая температура в допустимых рабочих границах.

Датчик остаточной емкости 21 совместно с локальным контроллером бортовой ЭВМ 22 позволяет фиксировать текущую остаточную емкость аккумулятора 19 и в соответствии с ее значением обеспечивать в устройстве номинальные режимы эксплуатации аккумулятора, не допускающие глубокого разряда, путем подключения через электронные ключи ЭК2 1-й - ЭК2 n-й дополнительных электронагревателей ЭНд 1-й -ЭНд n-й.

Описание работы устройства

Фиксация температур различных объектов, установленных на радиационных поверхностях корпуса КА 23, и требующих поддержание температуры в сравнительно узком диапазоне (см. описание выше), осуществляется с помощью термодатчиков, которые через разъем 9 подключаются к измерительным усилителям 10, выходные аналоговые сигналы с выходов которых поступают на вход аналогового коммутатора 11, последовательное переключение n измерительных каналов которого с периодичностью t₁/n с, управляется с выходных портов PC 6.

Текущие значения температур в цифровом виде по каждому каналу считываются с выхода АЦП 13, другие элементы телеметрического сигнала предварительно подготовленные и хранящиеся в цифровом виде из ОЗУ 2. Так, например, фиксированные коды маркера "Начало цикла", маркера канала, сигнал "Тепловой контроль" и другие считываются из ПЗУ 7. Сигнал "Скважность" вычисляется за предыдущий интервал времени работы и представляет собой величину, пропорциональную отношению суммарного времени включенного состояния данного нагревателя к общему времени работы. Информация включенного состояния нагревателей поступает с определенной дискретностью для каждого текущего интервала, поэтому код сигнала "Скважность" подсчитывается и обновляется каждый данный текущий интервал.

В ПЗУ 7 запрограммированы уставные значения температур для каждого нагревателя, которые через ОЗУ 2 и его выходной порт РВ 5 поступает на цифровой коммутатор 14, туда же поступает цифровой сигнал с информацией о фактических температурах с АЦП 13. Результаты сравнения этих сигналов через порт приема дискретных данных 8 и магистральную шину поступают в ОЗУ 2, которое через порт РА1 3 по управляющим входам электронных ключей ЭК1 1-й - ЭК1 n-й открывает или закрывает их, тем самым, включая или отключая основные электронагреватели ЭНо 1-й - ЭНо n-й, которые подключаются к шине 2 СЭП 18 через дополнительные нагреватели ЭНд 1-й - ЭНд n-й. Следует отметить, что управление электронными ключами ЭК1 1-й - ЭК1 n-й осуществляется относительно шины 1 (для варианта, когда шина 1 - минусовая и является землей) СЭП 18 (например, для биполярного транзистора n-p-n структуры эмиттер соединяется с шиной 1, коллектор - с ЭНо, а база является управляющим входом от сигнала с РА1 3), а управление электронными ключами ЭК2 1-й - ЭК2 n-й осуществляется относительно шины 2 (шина 2 - плюсовая) СЭП 18 (например, для биполярного транзистора p-n-р структуры эмиттер соединяется с шиной 2, коллектор - с ЭНд, а база является управляющим входом от сигнала с РА2 4), т.е. протекание тока через основные электронагреватели ЭНо 1-й - ЭНо n-й осуществляется при открытых электронных ключах ЭК1 1-й - ЭК1 n-й, а протекание тока через дополнительные электронагреватели ЭНд 1-й - ЭНд n-й осуществляется при закрытых электронных ключах ЭК2 1-й - ЭК2 n-й (выводы эмиттеров электронных ключей ЭК1, ЭК2, а также земля на фиг. 1 не показаны). Команду на "основной" или "дополнительный" режим работы устройства выдает локальный контроллер бортовой ЭВМ 22 через ИИМ 15 микропроцессору МП 1 в зависимости от величины остаточной емкости аккумулятора 19 чтобы не допускать ситуаций, когда требуемое расходование электроэнергии за период времени прохождения теневого участка может превысить текущее значение остаточной емкости в аккумуляторах.

В "основном" режиме электронные ключи ЭК2 1-й - ЭК2 n-й открыты (или закрыты) управлением с порта РА2 4 и дополнительные электронагреватели ЭНд 1-й - ЭНд n-й обесточены в виду шунтирования их открытыми ключами (малым током дополнительных электронагревателей, который определяется падением напряжения на открытых электронных ключах можно пренебречь) и обеспечение теплового режима осуществляется только за счет основных электронагревателей ЭНо 1-й - ЭНо n-й (ток протекает по цепи: шина 2 СЭП 18 - открытые электронные ключи (ЭК2 1-й - ЭК2 n-й) - основные электронагреватели (ЭНо 1-й - ЭНо n-й) - открытые электронные ключи (ЭК1 1-й - ЭК1 n-й) - шина 1 СЭП 18). Величина тока определяется только сопротивлением R₀ основных электронагревателей ЭНо 1-й - ЭНо n-й, а количество теплоты, выделяемой электронагревателями определяется выражением (1), где R=R₀.

В "экономичном" ("дополнительном") режиме управлением с порта РА2 4 электронные ключи ЭК2 1-й - ЭК2 n-й закрываются и через дополнительные нагреватели ЭНд 1-й -ЭНд n-й начинает протекать ток при открытых электронных ключах ЭК1 1-й - ЭК1 n-й по цепи: шина 2 СЭП 18 - дополнительные нагреватели (ЭНд 1-й - ЭНд n-й) - основные электронагреватели (ЭНо 1-й - ЭНо n-й) - открытые электронные ключи (ЭК1 1-й - ЭК1 n-й) - шина 1 СЭП 18. Величина тока уменьшается и определяется сопротивлением R основных и дополнительных электронагревателей в соответствии с выражением (2), а значит и уменьшается потребление электроэнергии от АК 19. При этом уменьшается количество теплоты, выделяемой электронагревателями в соответствии с выражением (1), однако в виду того, что площадь локального обогрева непосредственно на обогреваемом объекте увеличивается (к основным гибким металлопленочным нагревателям добавляются дополнительные) глубокого их "захолодения" (в сравнении с отключенными электронагревателями) не происходит, а также сохраняется эффективное функционирование обогреваемых объектов КА.

Данный "дополнительный" режим применяется в критических ситуациях на затененных участках, когда потребление электроэнергии осуществляется от аккумуляторов и требуется ее снижение в соответствии с остаточной емкостью, при этом фиксация текущей остаточной емкости аккумулятора 19 осуществляется датчиком остаточной емкости 21 совместно с локальным контроллером бортовой ЭВМ 22. Таким образом, в предлагаемом устройстве терморегулирования КА:

- контролируется остаточная емкость аккумулятора, в результате чего не допускается глубокий его разряд, влияющий на сокращение срока его службы;

- в критических ситуациях подключаются дополнительные нагреватели, которые позволяют:

- снижать энергопотребление от аккумуляторов;

- исключать глубокое "захолодение" объектов КА, требующих поддержание температуры в сравнительно узком диапазоне;

- эффективное функционирование объектов КА.

В результате чего увеличивается срок активного существования (живучесть) КА при сохранении эффективного его функционирования на всех участках орбиты.

Изобретение относится к космической технике и предназначено для поддержания температурного режима космического аппарата (КА) и его отдельных объектов. Устройство терморегулирования КА включает в себя связанные через внутреннюю магистраль: микропроцессор, ОЗУ с портами вывода цифровой информации, ПЗУ для задания температурных уставок по каждому электронагревателю, в котором прошивается программное обеспечение температурных уставок и режимы работы устройства, порт приема дискретных данных, измерительные усилители, подключенные к термодатчикам, аналоговый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой компаратор, информационный интерфейсный модуль. Дополнительно в устройство введены электронагреватели, последовательно соединенные с основными электронагревателями, электронные ключи, шунтирующие дополнительные электронагреватели и управляемые с порта вывода цифровой информации ОЗУ, датчик остаточной емкости, соединенный с аккумулятором и с локальным контроллером бортовой ЭВМ. Техническим результатом изобретения является увеличение срока активного существования КА при сохранении эффективности функционирования на всех участках орбиты, в том числе на затененных. 1 ил.

Устройство терморегулирования космического аппарата, включающее в себя разъемы для подключения термодатчиков, располагаемых на объектах, требующих нагрев и контроль температуры, электронагревателей, предназначенных для подогрева этих объектов на радиационной поверхности корпуса космического аппарата, содержащее измерительные усилители по каждому сигнальному каналу с термодатчиков и последовательно соединенный с его выходом - аналоговый коммутатор, предназначенный для последовательного переключения измерительных каналов за установленный период времени, содержащее также заведенные на одну магистральную шину: микропроцессор, порт приема дискретных данных, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с портами вывода цифровой информации, первый из которых, предназначенный для управления электронагревателями, соединен с выходными электронными ключами, нагрузкой которых являются электронагреватели, также содержит аналогово-цифровой преобразователь, цифровой компаратор и информационно-интерфейсный модуль, причем по входу аналогово-цифровой преобразователь подключен к выходу аналогового коммутатора, а по выходу - к одному из входов цифрового компаратора, предназначенного для сравнения фактических температур с температурными уставками по каждому объекту нагрева, и к одному из входов информационно-интерфейсного модуля, при этом второй вход цифрового компаратора соединен со вторым портом вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за температурные уставки, и со вторым входом информационно-интерфейсного модуля, третий вход которого соединен с третьим портом вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за телеметрический код, а четвертый порт вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за последовательность выбора температурного канала, соединен со вторым входом аналогового коммутатора, при этом выход цифрового компаратора заведен на один вход порта приема дискретных данных, второй вход которого соединен с выходом блока управления, подключенного по своему входу к выходу информационно-интерфейсного модуля, имеющего магистраль для подключения к локальному контроллеру бортовой ЭВМ, отличающееся тем, что введены дополнительные электронагреватели, последовательно соединенные с основными электронагревателями, электронные ключи, шунтирующие дополнительные электронагреватели и управляемые с порта вывода цифровой информации ОЗУ, датчик остаточной емкости, входом соединенный с аккумулятором системы электропитания, а выходом - с локальным контроллером бортовой ЭВМ.