Способ тепловакуумных испытаний космического аппарата Российский патент 2020 года по МПК B64G7/00 

Описание патента на изобретение RU2711407C1

Техническое решение относится к области космической техники, а именно к тепловакуумным испытаниям (ТВИ) космических аппаратов (КА).

Учет компоновки и конструктивных особенностей проектируемых КА негерметичного исполнения, корпус которых выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с боковыми гранями из сотопанелей, содержащих тепловые трубы и сопряженных в тепловом отношении коллекторными тепловыми трубами, позволяет предложить новый, по мнению авторов, способ ТВИ с улучшенными технико-экономическими показателями.

Известен способ ТВИ КА, заключающийся в вакуумировании камеры с размещенным в ней КА до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, воздействии на КА с помощью имитатора внешних тепловых потоков определенной ранее тепловым расчетом температуры с одновременным воспроизведением внутреннего теплового нагружения КА (см. патент РФ 2564056, B64G 7/00, 2015, «Способ тепловакуумных испытаний космического аппарата»). Реализация этого технического решения снижает трудо- и энергозатраты при обеспечении необходимой степени достоверности ТВИ, но способ приемлем только для КА микро- и малого класса - массой до 100 кг и энергопотреблением до 100 Вт и корпус которых не имеет тепловых труб, расположенных в разных плоскостях. При этом отсутствует возможность определить температурные поля оснащенных аппаратурой или тепловыми имитаторами панелей корпуса КА большего размера и повышенного энерговыделения.

Известен также подход к проведению ТВИ негерметичных автоматических КА, заключающийся в отработке системы обеспечения теплового режима (СОТР) с целью определения достаточности холодопроизводительности радиационных теплообменников и температурных полей посадочных мест аппаратуры (см. ГОСТ Р 56519-2015. Аппараты космические автоматические. Тепловакуумная отработка. Общие требования, стр. 14). Документ содержит рекомендации по обеспечению возможности проведения тепловакуумных испытаний развертки СОТР, т.е. сотопанелей со встроенными тепловыми трубами (ТТ) в одной горизонтальной плоскости (при использовании в СОТР угловых, коллекторных и артериальных ТТ, не лежащих горизонтально). Также аналог содержит требования к методологии тепловакуумной отработки, которая должна разрабатываться с учетом влияния гравитации на работу элементов СОТР негерметичных КА (там же стр. 7 п. 5.6).

Однако этот подход к ТВИ с горизонтальной разверткой сотопанелей корпуса КА обладает следующими недостатками:

1) для испытаний крупных КА требуются горизонтальные вакуумные камеры больших размеров;

2) из имитаторов внешних тепловых потоков можно использовать только индивидуальные нагреватели сотопанелей;

3) необходимо проектировать и изготавливать специальные стендовые (не штатные) коллекторные трубы и стендовую кабельную сеть;

4) полностью исключается теплообмен излучением между сотопанелями и приборами;

5) отсутствует тепловая связь (по коллекторным тепловым трубам) между крайними сотопанелями, что влияет на теплообмен между всеми сотопанелями.

Технической задачей предложенного решения является устранение указанных недостатков, обеспечение необходимой степени достоверности ТВИ при одновременном снижении стоимости испытаний.

Поставленная техническая задача достигнута тем, что в способе тепловакуумных испытаний КА, заключающемся в вакуумировании камеры с размещенным в ней КА до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, воздействии на КА натурных тепловых потоков с помощью размещенного в вакуумной камере имитатора внешних тепловых потоков, воспроизведении внутреннего теплового нагружения КА, соответствующего штатной циклограмме энергопотребления КА в орбитальном полете, осуществляемого включением приборов КА с помощью наземной контрольно-проверочной аппаратуры, КА, корпус которого выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с боковыми гранями из сотопанелей, содержащих продольные тепловые трубы, и оснащен тепловыми эквивалентами или штатными образцами приборов и содержит несколько поясов коллекторных тепловых труб, перпендикулярных тепловым трубам сотопанелей, предварительно снабжают стендовыми нагревателями, расположенными в нижних зонах сотопанелей, и стендовыми охладителями, расположенными в верхних зонах сотопанелей, и устанавливают его в вакуумной камере вертикально с расположением боковых граней корпуса перпендикулярно земной поверхности, после создания в вакуумной камере необходимых внешних условий испытаний включают стендовые нагреватели с тепловыделением, эквивалентным суммарному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей при штатной эксплуатации, без включения приборов и определяют температурные поля сотопанелей, далее увеличивают подаваемую на стендовые нагреватели сотопанелей мощность до значения двойного суммарного тепловыделения приборов соответствующих сотопанелей и одновременно задействуют стендовые охладители для поглощения тепловыделения стендовых нагревателей, эквивалентного штатному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей, и при этом добиваются совпадения температурных полей сотопанелей в обоих режимах, с последующим включением установленных на сотопанелях приборов со штатным тепловыделением и одновременным снижением тепловыделения стендовых нагревателей до штатного значения тепловыделения приборов, при этом во время испытаний тепловое нагружение и контроль полей температур каждой боковой панели корпуса КА осуществляют индивидуально, а продолжительность режимов испытаний ограничивают условием не превышения температуры приборных блоков допустимого значения, по результатам испытаний, которые получают в виде температурных полей панелей корпуса КА и данных по функционированию агрегатов системы обеспечения теплового режима, уточняют предварительно созданную математическую модель тепловых режимов КА и выполняют тепловые расчеты для штатного КА и натурных условий эксплуатации.

Предложенный способ ТВИ поясняется чертежами фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена схема корпуса КА, а на фиг. 2 - схема одной боковой панели корпуса КА.

Фиг. 1 поясняет проведение начального этапа ТВИ, на ней не показаны приборы, которые на этом этапе не включают.

Фиг. 2 поясняет проведение заключительного этапа ТВИ (не показан радиационный теплообменник).

На представленных чертежах введены следующие обозначения:

1 - сотопанель;

2 - аксиальная тепловая труба в сотопанели;

3 - коллекторная тепловая труба;

4 - стендовый нагреватель;

5 - стендовый охладитель;

6 - радиационный теплообменник;

7 - экранно-вакуумная теплоизоляция;

8 - прибор с тепловыделением 100 Вт;

9 - прибор с тепловыделением 50 Вт;

10 - прибор с тепловыделением 80 Вт.

Объектом ТВИ является КА или тепловой макет КА, но в том и другом случае оснащенный штатной системой обеспечения теплового режима, включающей аксиальные ТТ в сотопанелях, различные коллекторные и связующие аксиальные ТТ, нагреватели с системой управления их мощностью, экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ), радиационные теплообменники (РТО), терморегулирующие покрытия и т.п.

На начальном этапе ТВИ после создания в вакуумной камере необходимых внешних условий испытаний, т.е. создания внешних тепловых потоков, включают только расположенные в нижних зонах сотопанелей стендовые нагреватели с тепловыделением, эквивалентным тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей при штатной эксплуатации, а сами приборы не включают.

При такой подаче тепла снизу аксиальные ТТ в сотопанелях будут функционировать в условиях гравитации в режиме термосифона и обеспечивать распределение теплового потока по длине сотопанелей снизу вверх (по вертикали). Одновременно коллекторные ТТ, расположенные в горизонтальной плоскости в верхней части внутренних поверхностей сотопанелей, обеспечивают перераспределение тепла как в пределах каждой из четырех боковых сотопанелей, так и между ними.

Функционирование стендовых нагревателей обуславливает нагрев сотопанелей корпуса КА, с которых через радиационные теплообменники и закрытые ЭВТИ участки корпуса тепловой поток излучением сбрасывается на внутренние стенки вакуумной камеры. При этом между поверхностью КА и вакуумной камерой устанавливается равновесное состояние, обеспечиваемое работой холодильной установки вакуумной камеры, отводящей тепловыделения нагревателей.

Испытания проводятся для различных режимов функционирования КА, в т.ч. для экстремальных тепловых режимов - «горячего» и «холодного».

На этом этапе испытаний определяются средние температуры сотопанелей корпуса КА и достаточность основных параметров СОТР КА - величины площадей радиационных теплообменников и характеристик терморегулирующих покрытий внешних поверхностей КА (РТО и ЭВТИ).

На следующем этапе испытаний на КА воздействуют такими же внешними потоками, как и на первом этапе. Однако, внутреннее тепловое нагружение осуществляют по-другому - увеличивают подаваемую на стендовые нагреватели сотопанелей мощность до значения двойного суммарного тепловыделения приборов соответствующих сотопанелей и одновременно задействуют стендовые охладители для поглощения тепловыделения стендовых нагревателей, эквивалентного штатному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей. При этом, регулируя нагрузки нагревателей и охладителей, добиваются совпадения значений средних температур сотопанелей корпуса КА на обоих этапах.

Далее, включают установленные на сотопанелях приборы со штатным тепловыделением и одновременно снижают тепловыделения стендовых нагревателей до штатного значения тепловыделения приборов.

Вышеизложенные операции по внутреннему тепловому нагружению сотопанелей корпуса КА, а именно - первоначальная двойная тепловая нагрузка от стендовых нагревателей с последующим снижением ее до одинарной и включением приборов со штатным одинарным тепловыделением - необходимы для устойчивой гарантированной работы аксиальных тепловых труб, находящихся в составе сотопанелей и функционирующих в режиме термосифона в условиях земной гравитации.

Установленные и подключенные к системе охлаждения стендовые охладители компенсируют тепловыделение стендовых нагревателей, что позволяет осуществить на этом этапе испытаний штатное тепловое нагружение КА.

Стендовые охладители могут быть выполнены в виде жидкостных теплообменников, функционирующих автономно, т.е. каждый теплообменник поглощает тепловой поток отдельной сотопанели.

Также как и на начальном этапе испытаний, коллекторные ТТ, расположенные в горизонтальной плоскости, обеспечивают перераспределение тепла как в пределах каждой из четырех боковых сотопанелей, так и между ними.

Реализуемое таким образом внутреннее тепловое нагружение сотопанелей корпуса, соответствующее штатному нагружению КА, позволяет определить тепловое состояние и температурные поля посадочных мест аппаратуры с повышенной степенью достоверности.

Индивидуальный контроль за тепловым нагружением приборов и сотопанелей, а также контроль за их фактическими температурами обеспечивает безопасность эксплуатации и сохранность дорогостоящей материальной части, особенно в случае использования в испытаниях штатных приборных блоков.

По результатам испытаний, которые получены с необходимой степенью достоверности, уточняют математическую модель тепловых режимов КА и выполняют тепловые расчеты для натурных условий эксплуатации штатного КА.

Предложенный способ ТВИ КА осуществляют следующим образом. На всех этапах испытаний в вакуумной камере с криоэкранами создают необходимые условия традиционным способом - вакуумирование камеры до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, захолаживание криоэкранов для имитации холода окружающего космического пространства, облучение наружных поверхностей КА тепловыми потоками от имитаторов солнечного и земного излучений.

На начальном этапе включают расположенные в нижних зонах сотопанелей 1 стендовые нагреватели 4 с тепловыделением, суммарным тепловыделениям приборов соответствующих сотопанелей при штатной эксплуатации, а сами приборы не включают. Например, для сотопанели, показанной на фиг. 2, мощность стендового нагревателя 4 составит 100+50+80=230 (Вт). Аксиальные тепловые трубы 2, функционируя в режиме термосифона, распределят тепловой поток по сотопанели, коллекторные тепловые трубы 3 распределят его равномерно по сотопанели и между сотопанелями. При этом на каждой сотопанели с учетом теплообмена через радиационный теплообменник 6 и закрытые ЭВТИ 7 участками сотопанелей корпуса КА со стенками вакуумной камеры установится средняя температура.

На следующем этапе испытаний увеличивают мощность стендовых нагревателей 4 всех боковых сотопанелей, например, для сотопанели, представленной на фиг. 2 стендовый нагреватель 4 задействуют с мощностью тепловыделения 230×2=460 (Вт). Одновременно включают стендовые охладители 5 для поглощения тепловыделения стендовых нагревателей (в примере для представленной панели 230 Вт). Регулируя тепловые мощности нагревателей и охладителей, добиваются совпадения температурных полей сотопанелей в обоих этапах.

Далее включают сами приборы 8, 9, 10 или их тепловые эквиваленты со штатным тепловыделением, например 100, 50 и 80 Вт соответственно, и одновременно снижают мощность тепловыделения стендового нагревателя 4 с 460 до 230 Вт, а стендовый охладитель 5 по-прежнему поглощает 230 Вт.

Аксиальные тепловые трубы 2 и коллекторные тепловые трубы 3 функционируют так же, как и на первом этапе испытаний. При установлении равновесного состояния (с учетом теплообмена через радиационный теплообменник 6 и закрытые ЭВТИ 7 участками корпуса КА) определяют искомые поля температур по сотовым панелям и температуры посадочных мест под приборами.

Для проведения предложенного способа испытаний необходим корпус КА со штатной системой обеспечения теплового режима, что исключает изготовление нештатных агрегатов СОТР и тем самым снижает стоимость изготовления матчасти для ТВИ.

Таким образом, для представленной конструкции КА совокупность предложенных признаков - испытания КА в собранном виде в вертикальном положении без развертывания панелей КА в горизонтальной плоскости, задействование стендовых нагревателей и охладителей представленным способом позволяет использовать для ТВИ штатный корпус КА с минимальными доработками, точнее имитировать теплообмен между сотопанелями корпуса КА, что в итоге обеспечивает необходимую степень достоверности результатов испытаний при одновременном снижении их стоимости.

Похожие патенты RU2711407C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИБОРНОГО ОТСЕКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 2014
  • Гришко Михаил Иванович
  • Зайцев Сергей Эдуардович
  • Смирнов Александр Сергеевич
  • Пожалов Вячеслав Михайлович
  • Шестаков Антон Александрович
  • Митрофанов Михаил Сергеевич
RU2562667C1
СПОСОБ ТЕПЛОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 2014
  • Гришко Михаил Иванович
  • Смирнов Александр Сергеевич
  • Пожалов Вячеслав Михайлович
  • Митрофанов Михаил Сергеевич
RU2564056C1
Способ компоновки космического аппарата 2018
  • Зайцев Сергей Эдуардович
  • Пожалов Вячеслав Михайлович
  • Смирнов Александр Сергеевич
  • Савосин Геннадий Валерьевич
  • Сынков Валерий Степанович
RU2682891C1
Активная фазированная антенная решетка радиолокационного космического аппарата дистанционного зондирования Земли 2019
  • Алексеев Владимир Антонович
  • Дементьев Николай Васильевич
  • Коваленко Александр Иванович
  • Риман Виктор Владимирович
  • Шишанов Анатолий Васильевич
RU2738160C1
БЛОК ВЫВЕДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 2019
  • Сторож Александр Дмитриевич
  • Лукащук Иван Петрович
  • Шапаренко Павел Юрьевич
  • Лагно Олег Геннадьевич
  • Китаев Александр Ирикович
  • Быков Сергей Михайлович
  • Миненко Сергей Иванович
  • Гуртов Александр Сергеевич
  • Липатникова Татьяна Игоревна
  • Вавин Михаил Юрьевич
  • Фомакин Виктор Николаевич
  • Левин Аркадий Борисович
  • Царьков Василий Николаевич
  • Семашкина Светлана Владимировна
  • Перхалев Алексей Анатольевич
RU2726302C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ТЕРМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ 2006
  • Корнилов Владимир Александрович
RU2355608C2
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ 2011
  • Леонов Александр Георгиевич
  • Гришко Михаил Иванович
  • Савосин Геннадий Валерьевич
  • Зайцев Сергей Эдуардович
  • Кушнер Борис Израилович
  • Кочнев Игорь Александрович
  • Сынков Валерий Степанович
  • Смирнов Александр Сергеевич
RU2463219C1
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С РЕГУЛЯРНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ ОТНОСИТЕЛЬНО СОЛНЦА 2003
  • Земсков Е.Ф.
  • Ковтун В.С.
  • Сургучев О.В.
  • Носкин Г.В.
  • Лобанов В.Н.
  • Вовк А.В.
RU2264954C2
Способ обеспечения теплового режима приборного отсека летательного аппарата 2016
  • Кочнев Игорь Александрович
  • Пожалов Вячеслав Михайлович
  • Смирнов Александр Сергеевич
  • Свинцов Анатолий Вячеславович
RU2622173C1
СИСТЕМА ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ПРИБОРНОГО ОТСЕКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 2015
  • Черномаз Виктор Иванович
  • Свищев Виктор Владимирович
  • Доронин Андрей Витальевич
  • Гончаров Константин Анатольевич
  • Моишеев Александр Александрович
RU2603690C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 711 407 C1

Реферат патента 2020 года Способ тепловакуумных испытаний космического аппарата

Изобретение относится к наземным испытаниям космических аппаратов (КА), корпус которых выполнен с боковыми гранями из сотопанелей (СП), содержащих аксиальные (вертикальные) и горизонтальные коллекторные тепловые трубы. На СП установлены тепловые эквиваленты или штатные приборы КА. В первом режиме в нижних зонах СП включают стендовые нагреватели с суммарным тепловыделением (ТВ), равным штатному ТВ приборов соответствующих СП. При этом приборы не включают. Во втором режиме увеличивают мощность нагревателей СП до двойного суммарного ТВ приборов этих СП. Одновременно задействуют стендовые охладители для поглощения ТВ стендовых нагревателей. Регулируя нагрузки нагревателей и охладителей, добиваются совпадения значений средних температур СП в обоих режимах. Затем включают установленные на СП приборы со штатным ТВ и одновременно снижают ТВ стендовых нагревателей до штатного ТВ приборов. Указанное управление подводом и отводом тепла от СП позволяет стабилизировать работу аксиальных тепловых труб в условиях гравитации. Технический результат заключается в обеспечении необходимой достоверности испытаний КА при одновременном снижении затрат на их проведение. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 711 407 C1

Способ тепловакуумных испытаний космического аппарата (КА), заключающийся в вакуумировании камеры с размещенным в ней КА до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, воздействии на КА натурных тепловых потоков с помощью размещенного в вакуумной камере имитатора внешних тепловых потоков, воспроизведении внутреннего теплового нагружения КА, соответствующего штатной циклограмме энергопотребления КА в орбитальном полете, осуществляемого включением приборов КА с помощью наземной контрольно-проверочной аппаратуры, отличающийся тем, что КА, корпус которого выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с боковыми гранями из сотопанелей, содержащих продольные тепловые трубы, и оснащен тепловыми эквивалентами или штатными образцами приборов и содержит несколько поясов коллекторных тепловых труб, перпендикулярных тепловым трубам сотопанелей, предварительно снабжают стендовыми нагревателями, расположенными в нижних зонах сотопанелей, и стендовыми охладителями, расположенными в верхних зонах сотопанелей, и устанавливают его в вакуумной камере вертикально с расположением боковых граней корпуса перпендикулярно земной поверхности, после создания в вакуумной камере необходимых внешних условий испытаний включают стендовые нагреватели с тепловыделением, эквивалентным суммарному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей при штатной эксплуатации, без включения приборов и определяют температурные поля сотопанелей, далее увеличивают подаваемую на стендовые нагреватели сотопанелей мощность до значения двойного суммарного тепловыделения приборов соответствующих сотопанелей и одновременно задействуют стендовые охладители для поглощения тепловыделения стендовых нагревателей, эквивалентного штатному тепловыделению приборов соответствующих сотопанелей, и при этом добиваются совпадения температурных полей сотопанелей в обоих режимах, с последующим включением установленных на сотопанелях приборов со штатным тепловыделением и одновременным снижением тепловыделения стендовых нагревателей до штатного значения тепловыделения приборов, при этом во время испытаний тепловое нагружение и контроль полей температур каждой боковой панели корпуса КА осуществляют индивидуально, а продолжительность режимов испытаний ограничивают условием не превышения температуры приборных блоков допустимого значения, по результатам испытаний, которые получают в виде температурных полей панелей корпуса КА и данных по функционированию агрегатов системы обеспечения теплового режима, уточняют предварительно созданную математическую модель тепловых режимов КА и выполняют тепловые расчеты для штатного КА и натурных условий эксплуатации.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2711407C1

СПОСОБ ТЕПЛОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 2014
  • Гришко Михаил Иванович
  • Смирнов Александр Сергеевич
  • Пожалов Вячеслав Михайлович
  • Митрофанов Михаил Сергеевич
RU2564056C1
УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПАНЕЛЬНОГО УЗЛА С ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ 1997
  • Конуэй Пол Джерард
RU2186005C2
СПОСОБ ИМИТАЦИИ ВНЕШНИХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 2005
  • Севастьянов Николай Николаевич
  • Верхотуров Владимир Иванович
  • Зяблов Валерий Аркадьевич
  • Мишин Геннадий Сергеевич
  • Щербаков Эдуард Викторович
RU2302984C1
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 2011
  • Халиманович Владимир Иванович
  • Лавров Виктор Иванович
  • Колесников Анатолий Петрович
  • Легостай Игорь Васильевич
  • Попов Василий Владимирович
  • Марченко Игорь Анатольевич
  • Вшивков Александр Юрьевич
  • Шутов Дмитрий Вадимович
  • Акчурин Владимир Петрович
RU2481254C2
US 6332591 B1, 25.12.2001.

RU 2 711 407 C1

Авторы

Зайцев Сергей Эдуардович

Пожалов Вячеслав Михайлович

Смирнов Александр Сергеевич

Данилова Надежда Петровна

Волков Валерий Игоревич

Кочнев Игорь Александрович

Гуреев Андрей Евгеньевич

Даты

2020-01-17Публикация

2019-03-13Подача