НЕГЕРМЕТИЧНЫЙ ПРИБОРНЫЙ ОТСЕК КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2019 года по МПК B64G1/22 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании космических аппаратов (КА) негерметичного исполнения.

Известен приборный отсек КА, содержащий корпус, включающий центральный отсек, снабженный связанными с ним внешними радиальными переборками, крышку, снабженные стыковочными фланцами приборные рамы, размещенные в центральном отсеке и между радиальными переборками (США, патент №4715566, кл. B64G 1/10, 244-159, 1987).

Известен приборный отсек КА, содержащий корпус с центральным отсеком, выполненном в виде двух коаксиальных обечаек, установленных с зазором относительно друг друга, в котором равномерно размещены продольные силовые элементы, на которых установлены элементы крепления приборных рам центрального отсека в плоскостях, перпендикулярных продольной оси приборного отсека (РФ, патент №2089466 С1, кл. B64G 1/22, 1997).

Недостатком таких технических решений является то, что конструкция приборного отсека, обладая значительной массой, недостаточно защищает бортовую аппаратуру от внешних воздействующих факторов, что снижает надежность КА, вызывает необходимость введения дополнительных конструктивных элементов в состав бортовой аппаратуры КА, повышающих ее массу и увеличивает объем экспериментальной отработки аппаратуры.

Известен приборный отсек космического аппарата, содержащий электрогерметичный корпус, выполненный из сотопанелей с вентиляционными отверстиями, внутри которого установлена аппаратура полезной нагрузки и служебных систем. При этом суммарная площадь вентиляционных отверстий, служащих для отвода из приборного отсека в космическое пространство продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов и допускаемых утечек рабочих тел из расположенных внутри трактов и емкостей, рассчитывается на основе закона Пуазейля. Данное изобретение выбрано в качестве прототипа (РФ, патент №2569997, B64G 1/22, 2015 [1]).

Исследования показали, что величина давления в негерметичном приборном отсеке (НГПО) космического аппарата на этапе летной эксплуатации КА определяются процессами газовыделения расположенных в НГПО неметаллических конструкционных материалов (Оценка времени обезгаживания негерметичного приборного отсека космического аппарата / А.Б. Надирадзе, А.А. Чиров, В.В. Шапошников, В.А. Смирнов, И.А. Максимов. // Вестник СибГАУ: Сб. научн. тр. - Красноярск: СибГАУ. - 2007. - Вып. 14. - С. 95-98 [2]). Поэтому, необходимым условием достоверной оценки площади вентиляционных отверстий, обеспечивающей снижение давления в негерметичном приборном отсеке КА до величин безопасных с точки зрения возникновения электрического пробоя, к моменту времени, когда бортовая аппаратура, работающая в ограниченном диапазоне давления, должна быть включена, является учет газовыделения неметаллических конструкционных материалов, расположенных в НГПО.

Метод оценки суммарной площади вентиляционных отверстий НГПО КА согласно [1] не учитывает газовыделение неметаллических конструкционных материалов, расположенных в НГПО, происходящее на этапе летной эксплуатации КА и позволяет оценивать только площадь вентиляционных отверстий, обеспечивающей допускаемое избыточное давление в НГПО КА, возникающее при спаде давления на участке выведения КА. Эта оценка может рассматриваться только как предварительная.

Кроме того, конструкция вентиляционного отверстия нетехнологична и недостаточно эффективно защищает бортовую аппаратуру от электромагнитного излучения, воздействия заряженных частиц естественного (электронов магнитосферной плазмы) и техногенного (ионов плазмы, генерируемой электроракетными двигателями) происхождения и пониженного давления собственной атмосферы НГПО на этапе летной эксплуатации КА. Все это снижает надежность КА.

Задачей настоящего изобретения является повышение защищенности бортовой аппаратуры от электромагнитного излучения, воздействия заряженных частиц естественного и техногенного происхождения и пониженного давления собственной атмосферы НГПО на этапе летной эксплуатации КА.

Задача решается тем, что электрогерметичный корпус НГПО КА, выполнен из сотопанелей. В НГПО КА имеются вентиляционные отверстия лабиринтного типа для отвода из НГПО в космическое пространство продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов и допускаемых утечек рабочих тел из трактов и емкостей, расположенных в НГПО, и технологические отверстия для ввода (вывода) конструктивных элементов - штанг, межблочных трубопроводов, пучков кабелей и т.п. При этом суммарная площадь вентиляционных отверстий обеспечивает допускаемое избыточное давление газа в НГПО. Зазоры между сотопанелями, образующими корпус НГПО КА, между краями технологических отверстий и конструктивными элементами, проходящими через них, экранируются экранирующим элементом, выполненным из материала с электропроводящим слоем, обеспечивающим физически и электрически непрерывную поверхность (электрогерметичность). Бортовая аппаратура устанавливается на сотопанелях внутри НГПО КА. Негерметичный приборный отсек космического аппарата может иметь как односекционное, так и многосекционное исполнение.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен корпус негерметичного приборного отсека космического аппарата; на фиг. 2 схема экранирования зазоров; на фиг. 3 конструктивное исполнение вентиляционного отверстия лабиринтного типа.

Негерметичный приборный отсек космического аппарата состоит из набора сотопанелей 1, на внутренней стороне 2, которых устанавливается бортовая аппаратура. Вентиляционные отверстия располагаются в специально выбранных зонах 3, в которых концентрация ионов плазмы, генерируемой электроракетными двигателями, минимальна.

Зазоры между сотопанелями 1, образующими корпус НГПО КА, между сотопанелями 1, между краями технологических отверстий 4 и конструктивными элементами 5 (штангами, межблочными трубопроводами, пучками кабелей и т.п.), проходящими через них, экранируются экранирующим элементом 6, крепящимся к элементам конструкции НГПО электропроводящим клеем 7.

Вентиляционные отверстия выполняются в виде вырезов во внешней и внутренней обшивках сотопанели 1, при этом контуры отверстий должны совпадать. В вентиляционном отверстии оставлен сотозаполнитель 8. При этом вентиляционное отверстие является набором единичных отверстий - сот сотозаполнителя. Параметры сотозаполнителя (максимальный линейный размер соты сотозаполнителя и минимальная высота сотозаполнителя) определяются исходя из условия ослабления электромагнитного поля при прохождении через единичное вентиляционное отверстие.

Лабиринтное исполнение вентиляционного отверстия достигается установкой на сотопанель с внешней стороны негерметичного приборного отсека космического аппарата напротив вентиляционного отверстия пластины 9 на скобах 10. Такое исполнение вентиляционных отверстий защищает бортовую аппаратуру от ионизирующих излучений космического пространства и обеспечивает многократные отражения заряженных частиц при их прохождении через отверстие, что уменьшает энергию частиц и снижает их дестабилизирующее воздействие на бортовую аппаратуру.

Окончательный выбор суммарной площади вентиляционных отверстий негерметичного приборного отсека космического аппарата предлагается осуществлять по результатам оценки зависимости изменения давления газа внутри НГПО от времени с учетом газовыделения неметаллических конструкционных материалов, расположенных в НГПО, рассчитываемой с использованием выражений (Обеспечение стойкости космического аппарата к воздействию собственной атмосферы: отчет об опытно-конструкторской работе / рук. Надирадзе А.Б.; исп.: Шапошников В.В., Бодрышев С.В., Визгалин Н.Ф., Рахматуллин P.P. (МАИ), Максимов И.А., Смирнов В.А. (ИСС) - М.: МАИ, 2012. - 97 с. [3]):

где g_i,k - интенсивность массоотделения k-го источника массоотделения i-й секции негерметичного приборного отсека космического аппарата;

N_i - количество источников массоотделения в i-й секции НГПО КА;

M_i - количество вентиляционных отверстий в i-й секции НГПО КА;

F_i,j - площадь j-го вентиляционного отверстия i-й секции НГПО КА;

W_i,j - коэффициент Клаузинга j-го вентиляционного отверстия i-й секции НГПО КА;

T_i - средняя температура поверхностей в i-й секции НГПО КА;

p_i,j - давление в j-й секции НГПО КА смежной с i-й секцией.

Давление продуктов газовыделения в i-й секции негерметичного приборного отсека космического аппарата рассчитывается по формуле:

где V_i - объем i-ой секции НГПО космического аппарата.

Численные оценки суммарной площади вентиляционных отверстий негерметичного приборного отсека космического аппарата, выполненные авторами при проектировании и разработке КА нового поколения, показывают, что значения площади, полученные с использованием выражений (1), (2), превышают значения, полученные с использованием метода согласно [1], на порядок величины. Таким образом, для обеспечения стойкости бортовой аппаратуры, расположенной в НГПО КА, к воздействию пониженного давления собственной атмосферы НГПО суммарную площадь вентиляционных отверстий следует определять с использованием метода, предлагаемого авторами.

Технический результат изобретения заключается в разработке метода определения суммарной площади вентиляционных отверстий негерметичного приборного отсека космического аппарата с учетом газовыделения неметаллических конструкционных материалов, расположенных в НГПО, и выработке проектно-конструкторского решения исполнения вентиляционного отверстия. Эти технические решения повышают защищенность бортовой аппаратуры, расположенной в негерметичном приборном отсеке космического аппарата от электромагнитного излучения, воздействия заряженных частиц естественного и техногенного происхождения и пониженного давления собственной атмосферы НГПО на этапе летной эксплуатации КА.

Повышение защищенности бортовой аппаратуры позволяет снизить предъявляемые к ней требования, что в конечном итоге значительно упрощает и удешевляет разработку и наземную экспериментальную отработку бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом.

Летная эксплуатация космических аппаратов с негерметичными приборными отсеками, разработанными с использованием предлагаемых технических решений, подтверждает их правильность.

Изобретение относится к бортовым системам космических аппаратов (КА). Негерметичный приборный отсек (НГПО) КА выполнен из сотопанелей с технологическими (ТО) и вентиляционными (ВО) отверстиями. ВО лабиринтного типа служат для отвода из НГПО продуктов газовыделения неметаллических элементов и утечек рабочих тел. Суммарная площадь ВО обеспечивает снижение давления газа в НГПО до допустимого уровня. Зазоры между сотопанелями и между краями ТО и проходящими через них элементами, а также ВО снаружи – экранируются, обеспечивая электрогерметичность НГПО. Внутри ВО оставлен сотозаполнитель, препятствующий проникновению через ВО электромагнитного поля. Технический результат заключается в повышении защищенности бортовой аппаратуры в НГПО от электромагнитного излучения, воздействия различных заряженных частиц и пониженного давления внутри НГПО на этапе летной эксплуатации КА. 3 ил.

Негерметичный приборный отсек (НГПО) космического аппарата, содержащий электрогерметичный корпус, выполненный из сотопанелей и имеющий вентиляционные отверстия, с размещенной внутри бортовой аппаратурой, при этом вентиляционные отверстия выполнены с суммарной площадью, обеспечивающей допускаемое избыточное давление газа в НГПО, отличающийся тем, что суммарная площадь вентиляционных отверстий определяется из условия обеспечения снижения давления в НГПО космического аппарата до допускаемых величин ко времени включения бортовой аппаратуры, размещенной в НГПО и работающей в ограниченном диапазоне давлений, по зависимости изменения давления газа внутри НГПО от времени с учетом газовыделения неметаллических конструкционных материалов, расположенных в НГПО, причём вентиляционные отверстия выполняются в виде вырезов во внешней и внутренней обшивке сотопанели, с оставленным в вырезах сотозаполнителем, параметры которого определяются из условия ослабления электромагнитного поля при его прохождении через вентиляционное отверстие, с установленной с внешней стороны НГПО напротив вентиляционного отверстия пластиной.