Система терморегулирования космического аппарата

Система терморегулирования космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 18000 13000 ≈ 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.

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.