СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2019 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СТР) телекоммуникационных спутников.

В настоящее время для обеспечения теплового режима приборов служебных систем, установленных в герметичном контейнере, и приборов полезной нагрузки, расположенных вне герметичного контейнера, применяется СТР, выполненная на базе патента Российской Федерации (РФ) №2221732 [1]. Указанная СТР содержит замкнутый жидкостный контур, в котором, в частности, установлены основной и резервный терморегуляторы расхода теплоносителя прямого действия.

В случае, когда необходимо обеспечить срок активного существования на орбите КА до 10-15 лет, жидкостные контуры СТР выполняют состоящими из двух идентичных контуров: основного и резервного согласно, например, патенту РФ №2564286 [2]. Анализ показал: в этом случае нет необходимости в каждом жидкостном контуре предусматривать по два терморегулятора. Принципиальная схема СТР, оптимальной по массе, работоспособной с высокой надежностью на орбите, выполненная на базе [1], имеет вид, изображенный на фиг. 1 (второй контур условно не показан). Указанная СТР содержит замкнутый жидкостный контур с теплоносителем и включает в себя соединенные между собой трубопроводами устройства: газожидкостный теплообменник 1 с вентилятором 2, установленные в герметичном контейнере для обеспечения отвода избыточного тепла, выделяющегося при работе приборов служебных систем, установленных в нем; электронасосный агрегат 3, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя в жидкостном контуре (имеющий в своем составе основной и резервный насосы - резервный насос включается в работу в случае отказа основного); жидкостную плату 4 приборов полезной нагрузки, предназначенную для отвода избыточного тепла, выделяющегося при работе прикрепленных к ней приборов; терморегулятор расхода теплоносителя прямого действия 5, предусмотренный в составе СТР для регулирования расхода теплоносителя через и минуя радиатор 9 в течение длительного орбитального функционирования; чувствительный элемент 5.1 терморегулятора заполнен рабочей жидкостью, установлен в потоке теплоносителя в жидкостном тракте на выходе из жидкостной платы 4; терморегулятор 5 имеет один вход и два выхода, причем второй выход «2» терморегулятора 5 соединен с жидкостным трактом на выходе из радиатора 9; первый выход «1» его сообщен с входом радиатора; датчики температуры теплоносителя 6, 7, 8; компенсатор объема 10.

В процессе разработки мощного КА авторами установлено, что в процессе заправки теплоносителем необходимо обеспечить циркуляцию теплоносителя как через жидкостные тракты панели радиатора, так и через жидкостный тракт байпаса (минуя панель радиатора). Кроме того, тепловой режим такого КА при наземных электрических испытаниях в условиях окружающего воздуха будет обеспечиваться с отводом избыточного тепла в наземную систему обеспечения теплового режима, для чего циркулирующий поток теплоносителя должен быть направлен через жидкостный тракт байпаса (минуя панель радиатора), т.к. в процессе разработки СТР мощного КА также установлено, что для обеспечения требуемого температурного режима приборов при изменении энергопотребления их от минимального до максимального (и наоборот) значений температура начала срабатывания терморегулятора (когда канал «1» его полностью закрыт при полном открытии «2») должна быть , а температура конца срабатывания (полное закрытие канала «2» при полном открытии канала «1») должна быть (20±1)°С. Имея ввиду то, что при наземных испытаниях температура окружающего воздуха поддерживается в диапазоне (24±3)°С, это означает что в схеме СТР для обеспечения изготовления и наземных испытаний необходимо предусмотреть на выходе из терморегулятора перепускные клапаны. Анализ показал, что они имеют относительно большую массу -1,35 кг и потребляют электрическую энергию (1,5 Вт). С учетом того, что в условиях штатной эксплуатации на орбите нет необходимости иметь в составе СТР перепускные клапаны, целесообразно вместо перепускных клапанов предусмотреть два дополнительных вентиля (с массой по 0,245 кг; электрическую энергию не потребляют) на выходе из терморегулятора и это позволит устранить существенные недостатки СТР [1].

Таким образом, анализ работоспособности разрабатываемой СТР с двумя сдублированными жидкостными контурами, выполненной согласно [1], показывает, что она с точки зрения обеспечения работоспособности ее в процессе изготовления и наземных испытаний имеет существенные недостатки, а именно: не обеспечивается циркуляция теплоносителя как через жидкостные тракты панели радиатора, так и через жидкостный тракт байпаса в процессе заправки теплоносителем СТР и через жидкостный тракт байпаса (минуя панель радиатора) для обеспечения требуемого теплового режима приборов с использованием наземной системы обеспечения теплового режима, т.е. СТР, выполненная согласно [1], не обеспечивает достаточно широкие функциональные возможности, необходимые при изготовлении и наземных испытаниях разрабатываемого КА.

Данное изобретение выбрано в качестве прототипа.

Поставленная цель достигается тем, что в системе терморегулирования космического аппарата, содержащей замкнутый жидкостный контур с теплоносителем, включающий в себя соединенные трубопроводами устройства: газожидкостный теплообменник с вентилятором, установленные в герметичном контейнере, электронасосный агрегат, жидкостную плату приборов полезной нагрузки, терморегулятор расхода теплоносителя прямого действия с чувствительным элементом, заполненным рабочей жидкостью, установленным в потоке теплоносителя в жидкостном тракте, имеющий один вход и два выхода, первый выход из которых соединен с жидкостным трактом на входе в радиатор, а второй выход - с жидкостным трактом на выходе из радиатора, компенсатор объема и вентили для подключения к жидкостному тракту системы заправщика в процессе заправки теплоносителем и системы обеспечения теплового режима при наземных испытаниях, в жидкостном тракте между первым выходом терморегулятора и входом в радиатор установлен первый дополнительный вентиль, а участок жидкостного тракта, находящейся между первым выходом терморегулятора и входом в первый дополнительный вентиль соединен через второй дополнительный вентиль с жидкостным трактом, идущим от второго выхода терморегулятора к выходу радиатора, 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 технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом устройстве.

Принципиальная схема предлагаемой СТР КА приведена на фиг. 2.

Предлагаемая СТР содержит замкнутый жидкостный контур с теплоносителем и включает в себя соединенные между собой трубопроводами устройства: газожидкостный теплообменник 1 с вентилятором 2, установленные в герметичном контейнере для обеспечения отвода избыточного тепла, выделяющегося при работе приборов служебных систем, установленных в нем; электронасосный агрегат 3, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя в жидкостном контуре (имеющий в своем составе основной и резервный насосы - резервный насос включается в работу в случае отказа основного); жидкостную плату 4 приборов полезной нагрузки, предназначенную для отвода избыточного тепла, выделяющегося при работе прикрепленных к ней приборов; терморегулятор расхода теплоносителя 5, предусмотренный в составе СТР для регулирования расхода теплоносителя через и минуя радиатор 9 в течении длительного орбитального функционирования; чувствительный элемент 5.1 терморегулятора заполнен рабочей жидкостью, установлен в потоке теплоносителя в жидкостном тракте на выходе из жидкостной платы 4; терморегулятор 5 имеет один вход и два выхода, причем второй выход «2» терморегулятора 5 соединен с жидкостным трактом на выходе из радиатора 9; первый выход «1» его сообщен с входом радиатора 9; датчики температуры теплоносителя 6, 7, 8; компенсатор объема 10; вентили 11.1-11.3, обеспечивающие стыковку заправщика 12.1 или наземной системы обеспечения теплового режима 12.2 с жидкостным контуром СТР; причем в жидкостном тракте между первым выходом терморегулятора 5 и входом в радиатор 9 установлен первый дополнительный вентиль 13, а участок жидкостного тракта, находящийся между первым выходом терморегулятора 5 и входом в первый дополнительный вентиль 13 соединен через второй дополнительный вентиль 14 с жидкостным трактом, соединяющим второй выход терморегулятора 5 с выходом радиатора 9.

Работа предложенной СТР КА происходит следующим образом. После сборки СТР и КА в целом с помощью вентилей 11.1-11.3 к первому жидкостному контуру СТР (второй жидкостный контур условно на фиг. 2 не показан) присоединяют заправщик 12.1 и жидкостные контуры заправляют теплоносителем (при этом вентили 11.1 и 11.2 открыты, а вентиль 11.3 закрыт). При проливке теплоносителя (при температуре (24±3)) минуя радиатор 9 второй дополнительный вентиль 14 открывают, а первый дополнительный вентиль 13 закрывают, при проливке через радиатор 9 положение дополнительных вентилей устанавливают наоборот. После заправки заправщик 12.1 отстыковывают от СТР КА и к первому жидкостному контуру СТР присоединяют наземную систему обеспечения теплового режима 12.2 (тепловой режим КА обеспечивается при отводе избыточного тепла при работе первого жидкостного контура). Перед включением в работу СТР КА (в частности, вентилятора и электронасосного агрегата) первый дополнительный вентиль 13 закрывают, а второй дополнительный вентиль 14 открывают; а также вентили 11.1 и 11.2 открывают, а вентиль 11.3 закрывают, тем самым обеспечив при включенной СТР циркуляцию теплоносителя через наземную систему 12.2 и минуя панель радиатора 9 (при наземных условиях панель радиатора излучением отводит недостаточное количество тепла и требуемый тепловой режим приборов не обеспечивается). В результате выполнения вышеуказанных операций с вентилями после включения в работу приборов КА осуществляется отвод избыточного тепла в работающую наземную систему обеспечения теплового режима 12.2 и обеспечивается требуемый температурный режим приборов КА.

После окончания наземных испытаний с положительными результатами отстыковывают наземную систему обеспечения теплового режима 12.2 и вентили устанавливают в положения, соответствующие функционированию СТР на орбите: первый дополнительный вентиль 13 открывают, а второй дополнительный вентиль 14 закрывают, а вентили 11.1, 11.2 закрывают, вентиль 11.3 - открывают.

В условиях эксплуатации на орбите в результате установки вентилей согласно вышеуказанному при температуре теплоносителя в районе чувствительных элементов терморегуляторов, равной и менее, весь расход теплоносителя направляется минуя жидкостные тракты радиатора 9, а при температуре теплоносителя (20±1)°С и выше полный расход теплоносителя направляется через жидкостные тракты радиатора 9; при температуре теплоносителя в диапазоне от до (20±1)°С соответствующие расходы теплоносителя направляются как через, так и минуя жидкостные тракты радиатора 9 и в результате обеспечивается требуемый температурный режим приборов во всех условиях эксплуатации КА на орбите.

Таким образом, при изготовления СТР КА, во всех условиях эксплуатации КА: при наземных условиях и условиях эксплуатации на орбите обеспечиваются требуемые функциональные возможности СТР в результате обеспечения требуемых режимов функционирования предложенной авторами оптимальной по массе и энергопотреблению конструкции жидкостных контуров СТР КА, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования. Система терморегулирования космического аппарата содержит два сдублированных одинаковых жидкостных контура. В каждом жидкостном контуре установлен терморегулятор расхода теплоносителя прямого действия. Он имеет один вход и два выхода, первый выход соединен с жидкостным трактом на входе в радиатор, а второй выход - с жидкостным трактом на выходе из радиатора. В жидкостном тракте между первым выходом терморегулятора и входом в радиатор установлен первый дополнительный вентиль. Участок жидкостного тракта, находящийся между первым выходом терморегулятора и входом в первый дополнительный вентиль, соединен через второй дополнительный вентиль с жидкостным трактом, соединяющим второй выход терморегулятора с выходом радиатора. Достигается улучшение массовых характеристик. Достигается улучшение работоспособности. 2 ил.

Система терморегулирования космического аппарата, содержащая замкнутый жидкостный контур с теплоносителем, включающий в себя соединенные трубопроводами устройства: газожидкостный теплообменник с вентилятором, установленные в герметичном контейнере, электронасосный агрегат, жидкостную плату приборов полезной нагрузки, терморегулятор расхода теплоносителя прямого действия с чувствительным элементом, заполненным рабочей жидкостью, установленным в потоке теплоносителя в жидкостном тракте, имеющий один вход и два выхода, первый выход из которых соединен с жидкостным трактом на входе в радиатор, а второй выход - с жидкостным трактом на выходе из радиатора, компенсатор объема и вентили для подключения к жидкостному тракту системы заправщика в процессе заправки теплоносителем и системы обеспечения теплового режима при наземных испытаниях, отличающаяся тем, что в жидкостном тракте между первым выходом терморегулятора и входом в радиатор установлен первый дополнительный вентиль, а участок жидкостного тракта, находящийся между первым выходом терморегулятора и входом в первый дополнительный вентиль, соединен через второй дополнительный вентиль с жидкостным трактом, идущим от второго выхода терморегулятора к выходу радиатора.