Способ изготовления системы терморегулирования космического аппарата

Способ изготовления системы терморегулирования космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к созданию и эксплуатации систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников с жидкостными контурами охлаждения их приборов.

Известны способы изготовления таких жидкостных контуров - патенты RU 2238886 [1] (принят авторами за прототип), RU 4481255 [2], которые включают (см. фиг. 1, где: 1 - жидкостный контур с теплоносителем; 1.1 - электронасосный агрегат (ЭНА); 1.2 - жидкостные коллекторы панелей, на которых установлены приборы КА; 1.3 - жидкостные тракты радиатора (излучательного); 1.5 - компенсатор объема, содержащий жидкостную полость 1.5.1, заполненную жидким теплоносителем, и газовую полость 1.5.2, заправленную двухфазным рабочим телом; 1.5.3 - сильфон; 1.5.4 - электрообогреватели) до заправки жидким теплоносителем жидкостного контура, например ЛЗ-ТК-2, и до заправки газовой полости компенсатора объема двухфазным рабочим телом, например фреоном 141в, проверки соответствующих величин их суммарных негерметичностей в вакуумной камере с использованием пробного газа (например, гелия) на соответствие требуемым нормам при максимальных рабочих давлениях.

В настоящее время, например, для КА «Экспресс-АМ5» величины максимальных и минимальных рабочих давлений соответственно следующие: давления в газовой и жидкостной полостях, а также на входе в ЭНА близки друг к другу: ≈ 1,15 кгс/см² и ≈ 0,5 кгс/см² (обусловлены величиной поддерживаемого при эксплуатации диапазона изменения температуры фреона 141в в газовой полости от 35°С до 15°С в результате соответствующей работы электрообогревателей), а давления на выходе из ЭНА соответственно больше на величину перепада давлений работающего ЭНА и равны ≈ 2 кгс/см² и ≈ 1,35 кгс/см².

Так как в условиях эксплуатации давления в газовой и жидкостной полостях в текущие моменты времени одинаковы и они герметичны (удовлетворяют требуемым нормам), взаимное проникновение теплоносителя ЛЗ-ТК-2 и рабочего тела фреона 141в в газовую и жидкостную полости пренебрежимо мало и, следовательно, в теплоносителе ЛЗ-ТК-2 в условиях эксплуатации (до 19 лет) не имеется растворенного фреона 141в и по этой причине отсутствует влияние фреона 141в на бескавитационную работу ЭНА.

Однако когда СТР мощного КА (см. фиг 2, где: 1 - жидкостный контур; 1.1 - электронасосный агрегат (ЭНА); 1.2 - жидкостные коллекторы панелей, на которых установлены приборы КА; компенсатор объема 1.5, содержащий жидкостную полость 1.5.1, заполненную жидким теплоносителем, и газовую полость 1.5.2, заправленную двухфазным рабочим телом; 1.5.3 - сильфон; 1.5.4 - электрообогреватели; 2 - двухфазный контур; 2.1 - капиллярный насос (контурная тепловая труба); 2.1.1 - полость с парами аммиака (паровая полость); 2.1.2 - полость с жидким теплоносителем ЛЗ-ТК-2 (жидкостная полость); 2.2.3 - капиллярная структура; 2.4 - радиатор (излучательный), в жидкостном тракте которого циркулирует двухфазный аммиак) выполнена на основе технического решения - см. заявку № RU 2007108169 (опубликована Роспатентом 10.09.2008 г.) [3], то без принятия специальных конкретных мер по обеспечению суммарной негерметичности между полостями с аммиаком и ЛЗ-ТК-2 не более определенной величины (которые не затребованы в известных [1], [2], [3]) может привести постепенно сперва к появлению пузырей паров аммиака допустимой концентрации в теплоносителе на входе в ЭНА без нарушения устойчивого режима его работы, а затем - к кавитации в ЭНА и к полному прекращению циркуляции теплоносителя в жидкостном контуре, поскольку, хотя величины суммарной негерметичности в жидкостном контуре с теплоносителем (ЛЗ-ТК-2), в газовой полости компенсатора объема с рабочим телом (двухфазным фреоном 141в) и в двухфазном контуре (ДФК) с аммиаком удовлетворяют соответствующим заданным нормам, т.е. каждый из них герметичен, влияние аммиака на работу ЭНА может быть существенно отрицательным, т.к. при рабочих температурах в капиллярном насосе (около 55°С) рабочее давление паров аммиака (≈ 25 кгс/см²) существенно выше рабочего давления теплоносителя ЛЗ-ТК-2 (≈ 1,25 кгс/см² в районе капиллярного насоса) и из-за этого возможно проникновение недопустимого количества паров аммиака в жидкостный контур с теплоносителем ЛЗ-ТК-2.

В известных технических решениях [1]-[3] нет требования, как технологически или конструктивно обеспечить проникновение аммиака в жидкостный контур с ЛЗ-ТК-2 в таком количестве, чтобы работоспособность СТР при этом гарантировалась в течение не менее 15,5 лет, т.е. известные технические решения обеспечивают недостаточно высокую надежность работы СТР в течение требуемого срока эксплуатации.

Целью предлагаемого авторами данного технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления СТР КА, предусматривающем соответствующие проверки суммарных негерметичностей жидкостного тракта, включающего жидкостный контур с электронасосным агрегатом, жидкостные полости компенсатора объема и капиллярного насоса, перед заправкой его жидким деаэрированным теплоносителем, например ЛЗ-ТК-2, газовой полости компенсатора объема перед заправкой ее двухфазным рабочим телом, например фреоном 141в; двухфазного контура, сообщенного в тепловом отношении с жидкостным контуром с помощью жидкостной и паровой полостей капиллярного насоса, перед заправкой его двухфазным рабочим телом, например аммиаком; в вакуумной камере с использованием пробного газа, например гелия, в процессе изготовления двухфазного контура до его заправки дополнительно контролируют величину суммарной негерметичности между полостями капиллярного насоса, при этом его отвакуумированную жидкостную полость сообщают с течеискателем, а в паровую полость подают пробный газ давлением, равным максимальному давлению насыщенных паров двухфазного рабочего тела в паровой полости в условиях эксплуатации аппарата на орбите, которая должна удовлетворять следующему условию:

Q_ут.г≤К_ам-г⋅m_ам.доп,

где Q_ут.г - допустимая суммарная межполостная негерметичность пробного газа между полостями: паровая полость - жидкостная полость капиллярного насоса, Вт;

К_ам-г - опытный коэффициент пересчета относительно пробного газа допустимых утечек двухфазного рабочего тела двухфазного контура из паровой полости в жидкостную полость капиллярного насоса (m_ам.доп; кг) в течение всего срока эксплуатации аппарата, Вт/кг;

m_ам.доп=ρ_ам⋅V_ж.к.цир⋅υ_доп;

ρ_ам - плотность паров аммиака при минимальной рабочей температуре при испытаниях на герметичность и минимально допустимом, исключающем кавитацию в электронасосном агрегате давлении жидкого теплоносителя на входе в него при отсутствии допустимых пузырей газа согласно опытным данным, кг/м³;

V_ж.к.цир - максимальный объем циркулирующего жидкого теплоносителя в жидкостном контуре, м³;

υ_доп - допустимая доля объема нерастворенных паровых пузырей аммиака в теплоносителе на входе в электронасосный агрегат при минимально допустимом давлении, обеспечивающая устойчивый режим его работы: согласно опытным данным не более 0,02-0,05,

при этом в условиях эксплуатации посредством повышения минимально допустимой рабочей температуры рабочего тела в газовой полости компенсатора объема на входе в электронасосный агрегат обеспечивают повышение минимально допустимого рабочего давления до величины (кгс/см²):

где Р_{парц.ам} - парциальное давление, достаточное для растворения паров рабочего тела до входа в электронасосный агрегат, поступившего из жидкостной полости капиллярного насоса в жидкостный контур в течение срока эксплуатации аппарата на орбите, согласно опытным данным, кгс/см²,

что и является, по мнению авторов, существенными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа известной патентной и научно-технической литературы, проведенного авторами, предложенное сочетание существенных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено, и следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе изготовления системы терморегулирования космического аппарата.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого технического решения.

Предлагаемый способ изготовления СТР КА включает в себя нижеуказанные операции, выполняемые в следующей последовательности:

- в процессе изготовления перед заправками штатными деаэрированными теплоносителями (например, соответственно фреоном 141в, аммиаком, ЛЗ-ТК-2) осуществляют проверки величин суммарной негерметичности методом вакуумирования в вакуумной камере с использованием пробного газа (например, гелия) с контрольной течью согласно ОСТ 92-1527-89 [4]:

- газовой полости компенсатора объема при давлении гелия, равном максимальному рабочему давлению паров фреона 141в (например, 1,15 кгс/см²): при этом измеренное значение суммарной негерметичности должно быть, например, не более 1,333⋅10^-7 Вт (после этого заправляют газовую полость требуемым количеством фреона 141в и герметизируют ее);

- двухфазного контура, в котором в условиях эксплуатации циркулирует двухфазное рабочее тело - аммиак, при давлении гелия, равном максимальному давлению насыщенных паров аммиака (например, 25 кгс/см²) в условиях эксплуатации КА на орбите: при этом измеренное значение суммарной негерметичности должно быть, например, не более 1,333⋅10^-8 Вт;

- после выполнения предыдущей операции выполняют следующую дополнительную операцию (которую разрешается выполнять на любом этапе изготовления двухфазного контура до его заправки, в том числе на этапе изготовления собственно капиллярного насоса):

дополнительно контролируют величину суммарной негерметичности между полостями капиллярного насоса, при этом его отвакуумированную жидкостную полость сообщают с течеискателем, а в паровую полость подают пробный газ давлением, равным максимальному давлению насыщенных паров двухфазного рабочего тела в паровой полости (например, 25 кгс/см²) в условиях эксплуатации аппарата на орбите, которая должна удовлетворять следующему условию:

Q_ут.г.≤К_ам-г⋅m_ам.доп,

где Q_ут.г. - допустимая суммарная межполостная негерметичность пробного газа между полостями: паровая полость - жидкостная полость капиллярного насоса, например, не более 6,67⋅10^-9, Вт;

К_ам-г - опытный коэффициент пересчета относительно пробного газа допустимых утечек двухфазного рабочего тела двухфазного контура из паровой полости в жидкостную полость капиллярного насоса (m_ам.доп; кг) в течение всего срока эксплуатации аппарата, Вт/кг (для перепада давлений между полостями, равного 25 кгс/см², согласно опытным данным К_ам-г=6,67⋅10^-5 Вт/кг);

m_ам.доп=ρ_ам⋅V_ж.к.цир⋅υ_доп;

ρ_ам - плотность паров аммиака при минимальной рабочей температуре, равной минимальной температуре при испытаниях на герметичность (≈ 15°С), и минимально допустимом, исключающем кавитацию в ЭНА давлении жидкого теплоносителя на входе в электронасосный агрегат в течение всего срока эксплуатации КА на орбите (≈ 0,3 кгс/см² согласно данным эксплуатации КА на орбите в течение более 15,5 лет) при отсутствии допустимых пузырей газа согласно опытным данным, 0,23 кг/м³ (чем меньше минимальное давление на входе в ЭНА, тем меньше давление в жидкостном контуре и, следовательно, тем меньше утечки ЛЗ-ТК-2 на орбите);

V_ж.к.цир - максимальный объем циркулирующего жидкого теплоносителя в жидкостном контуре, м³ (не более 9⋅10^-3 м³ согласно статистике);

υ_доп≤0,02-0,05 - допустимая, опытно определенная доля объема нерастворенных паровых пузырей аммиака в теплоносителе на входе в квалифицированный ЭНА при минимально допустимом давлении, обеспечивающая устойчивый режим его работы;

- после вышеуказанного контроля величины суммарных негерметичностей с положительными результатами заправляют жидкостный контур теплоносителем ЛЗ-ТК-2, а ДФК - аммиаком, герметизируют их, осуществляют наземные электрические испытания КА и перед запуском его на орбиту реализуют такое программное обеспечение работы электрообогревателей компенсатора объема, которое реализует повышение минимально допустимой рабочей температуры рабочего тела в газовой полости компенсатора объема на входе в электронасосный агрегат (в нашем случае на ≈ 5°С) и обеспечивает повышение минимально допустимого рабочего давления до величины (кгс/см²), обеспечивающей отсутствие нерастворенных пузырей в теплоносителе жидкостного контура и гарантирующей с высокой надежностью бескавитационную работу ЭНА на орбите рассматриваемого КА:

где Р_{парц.ам}=0,135 кгс/см² - парциальное давление, достаточное для растворения паров рабочего тела до входа в ЭНА, поступающих из жидкостной полости капиллярного насоса в жидкостный контур в течение срока эксплуатации аппарата на орбите согласно опытным данным, кгс/см².

Следует отметить, что допускается включение в работу вышеуказанного программного обеспечения в течение эксплуатации КА на орбите, если на борту КА по телеметрии периодически контролируется расход теплоносителя, обеспечиваемого ЭНА: как показывает анализ, если расход уменьшится на (1-2)%, то необходимо включить в работу вышеуказанное программное обеспечение, тем самым повысив давление теплоносителя на входе в ЭНА до требуемой величины (например, на 0,135 кгс/см²) по сравнению с исходным давлением.

Таким образом, как следует из вышеизложенного, в результате изготовления СТР вновь разрабатываемого КА согласно предложенному авторами техническому решению гарантированно обеспечивается требуемый стабильный расход теплоносителя в жидкостном контуре СТР в течение длительного (не менее 15,5 лет) требуемого срока эксплуатации КА на орбите, т.е. тем самым обеспечивается повышение надежности работы СТР КА в условиях эксплуатации на орбите, одновременно обеспечив при этом минимально возможные утечки теплоносителя из жидкостного контура.

Способ изготовления системы терморегулирования космического аппарата путем проверки суммарных негерметичностей: жидкостного тракта, включающего жидкостный контур с электронасосным агрегатом, жидкостные полости компенсатора объема и капиллярного насоса, перед заправкой его жидким деаэрированным теплоносителем, например ЛЗ-ТК-2; газовой полости компенсатора объема перед заправкой ее двухфазным рабочим телом, например фреоном 141в; двухфазного контура, сообщенного в тепловом отношении с жидкостным контуром с помощью жидкостной и паровой полостей капиллярного насоса, перед заправкой его двухфазным рабочим телом, например аммиаком; в вакуумной камере с использованием пробного газа, например гелия, отличающийся тем, что в процессе изготовления двухфазного контура до его заправки дополнительно контролируют величину суммарной негерметичности между полостями капиллярного насоса, при этом его отвакуумированную жидкостную полость сообщают с течеискателем, а в паровую полость подают пробный газ давлением, равным максимальному давлению насыщенных паров двухфазного рабочего тела в паровой полости в условиях эксплуатации аппарата на орбите, которая должна удовлетворять следующему условию:

,

где - допустимая суммарная межполостная негерметичность пробного газа между полостями: паровая полость - жидкостная полость капиллярного насоса, Вт;

- опытный коэффициент пересчета относительно пробного газа допустимых утечек двухфазного рабочего тела двухфазного контура из паровой полости в жидкостную полость капиллярного насоса (; кг) в течение всего срока эксплуатации аппарата, Вт/кг;

;

- плотность паров рабочего тела двухфазного контура при минимальной рабочей температуре, равной минимальной температуре при испытаниях на герметичность, и минимально допустимом, исключающем кавитацию в электронасосном агрегате давлении жидкого теплоносителя на входе в электронасосный агрегат при отсутствии допустимых пузырей газа согласно опытным данным, кг/м³;

- максимальный объем циркулирующего жидкого теплоносителя в жидкостном контуре, м³;

- допустимая доля объема нерастворенных паровых пузырей рабочего тела двухфазного контура в теплоносителе на входе в электронасосный агрегат при минимально допустимом давлении, обеспечивающая устойчивый режим его работы: согласно опытным данным не более 0,02-0,05,

при этом в условиях эксплуатации посредством повышения минимально допустимой рабочей температуры рабочего тела в газовой полости компенсатора объема на входе в электронасосный агрегат обеспечивают повышение минимально допустимого рабочего давления до величины , кгс/см²:

,

где - парциальное давление, достаточное для растворения паров рабочего тела до входа в электронасосный агрегат, поступившего из жидкостной полости капиллярного насоса в жидкостный контур в течение срока эксплуатации аппарата на орбите, согласно опытным данным, кгс/см².