Система терморегулирования космического аппарата

 

Изобретение относится к космической технике. Система терморегулирования космического аппарата содержит замкнутый жидкостный тракт с теплоносителем. Замкнутый жидкостный тракт включает терморегулятор расхода теплоносителя с чувствительным элементом, радиатор, газожидкостный теплообменник, измеритель расхода теплоносителя, компенсатор объема, калиброванный тройник со сменным калибратором расхода теплоносителя на одном из его выходов. Чувствительный элемент терморегулятора установлен перед электронасосным агрегатом до жидкостного тракта ретранслятора. Тройник установлен перед чувствительным элементом терморегулятора. Первый выход тройника соединен со входом чувствительного элемента терморегулятора. Второй выход тройника сообщен байпасным трубопроводом с жидкостным трактом между электронасосным агрегатом и выходом чувствительного элемента терморегулятора. Такое выполнение системы терморегулирования позволяет повысить ее надежность и продолжительность орбитального функционирования. 2 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к системе терморегулирования (СТР) связного спутника, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

В настоящее время для обеспечения теплового режима приборов, установленных в составе связных спутников (например, типа "Молния"), широко используются газожидкостные СТР (пример передачи тепла двумя теплоносителями), описание которых приведено на стр. 14 - 17 монографии: О.Б. Андрейчук, Н.Н. Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М., "Машиностроение", 1982 г.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является газожидкостная СТР, изложенная на стр. 16 (см. вышеупомянутую монографию), которая содержит в своем составе регулятор расхода жидкости для изменения расхода теплоносителя через наружный радиатор с постоянной площадью радиационных поверхностей.

Известная газожидкостная СТР связного спутника (см. фиг. 2) содержит замкнутый жидкостный тракт 1, заправленный жидким теплоносителем, включающий в себя электронасосный агрегат 2; терморегулятор расхода теплоносителя 3 (3.3 - мембрана с клапанами; 3.4 - и 3.5 - сильфоны; 3.6 - пружина), имеющий выходы "1" и "2", с чувствительным элементом 3.1, имеющим вход и выход для теплоносителя, заполненным рабочей жидкостью 3.2 и установленным до жидкостного тракта ретранслятора 4, подключенного к остальному тракту через разъемы гидравлические 5, 6, 7, 8; наружный радиатор 9; газожидкостный теплообменник 10, установленный в герметичном контейнере 11 с приборами; измеритель расхода теплоносителя 12, содержащий трубку Вентури 12.1 и датчик перепада давлений 12.2; компенсатор объема 13.

Как показал анализ теплового режима вновь создаваемых спутников, проведенный авторами, известная СТР обладает существенными недостатками, а именно: вышеуказанная СТР обеспечивает недостаточно высокую надежность и недостаточный ресурс (например, требуются вероятность безотказной работы не менее 0,98, ресурс не менее 100000 ч) собственно СТР и ретранслятора в случае, когда в связи с использованием в настоящее время одной и той же СТР (и, следовательно, одного и того же терморегулятора с известной инерционностью и транспортным запаздыванием) с различными ретрансляторами (величина и закон изменения тепловыделений которых в теплоноситель СТР различны) терморегулятор расхода теплоносителя при этом обеспечивает изменение положения своего регулирующего органа - мембраны с клапанами и расхода теплоносителя через радиатор и, следовательно, колебание температуры теплоносителя в жидкостном тракте на входе в ретранслятор и в остальных частях жидкостного тракта СТР с различной частотой колебаний вплоть до автоколебаний (зависит от величины и закона изменения тепловыделений ретранслятора и от инерционности - постоянной времени терморегулятора), а увеличение частоты колебаний температуры теплоносителя в жидкостном тракте однозначно снижает надежность и ресурс ретранслятора, так и собственно СТР (в частности, произойдет преждевременный отказ упругих элементов компенсатора объема и терморегулятора - мембраны, сильфонов, пружины).

В настоящее время необходимость устранения таких существенных недостатков известной СТР актуальна, т. к. в последнее время с целью сокращения продолжительности создания и экономии средств одна и та же разработанная конструкция СТР будет использоваться с различными ретрансляторами.

Таким образом, существенными недостатками известного устройства является то, что оно обеспечивает недостаточно высокую надежность и недостаточный ресурс собственно СТР и ретранслятора.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что предложенная СТР выполнена таким образом, что в жидкостном тракте перед чувствительным элементом терморегулятора дополнительно установлен калиброванный тройник со сменным калибратором расхода теплоносителя на одном из его выходов, причем первый выход калиброванного тройника соединен с входом чувствительного элемента, а второй выход его сообщен байпасным трубопроводом с жидкостным трактом между электронасосным агрегатом и выходом чувствительного элемента терморегулятора, 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 изображена на фиг. 1.

Предлагаемая СТР (см. фиг. 1) содержит замкнутый жидкостный тракт 1, заправленный жидким теплоносителем, включающий в себя: электронасосный агрегат 2 (предназначен для циркуляции теплоносителя по замкнутому тракту); терморегулятор расхода теплоносителя 3 (предназначен для изменения холодопроизводительности радиатора 9 путем изменения расхода теплоносителя через него в зависимости от величины и закона изменения тепловыделений ретранслятора 4 в теплоноситель; в составе терморегулятора: 3.3 - мембрана с клапанами; 3.4 и 3.5 - сильфоны; 3.6 - пружина), имеющий выходы "1" (направляет поток теплоносителя в радиатор 9) и "2" (направляет поток теплоносителя мимо радиатора 9), с чувствительным элементом 3.1, имеющим вход и выход для теплоносителя, заполненным рабочей жидкостью 3.2 (при изменении температуры теплоносителя, омывающего чувствительный элемент 3.1, изменяется температура и, следовательно, объем рабочей жидкости 3.2 и положение мембраны с клапанами 3.3; тем самым изменяется расход теплоносителя через и мимо радиатора и, следовательно, температура теплоносителя на входе в ретранслятор 4) и установленным до жидкостного тракта ретранслятора 4, подключенного к остальному тракту через разъемы гидравлические 5, 6, 7, 8 (предназначены для подключения различных ретрансляторов 4 к одной и той же СТР); наружный радиатор 9 (предназначен для обеспечения излучения избыточного тепла в космическое пространство); газожидкостный теплообменник 10, установленный в герметичном контейнере 11 с приборами (предназначен для передачи избыточного тепла, выделяемого приборами, установленными в гермоконтейнере, от газа к теплоносителю, циркулирующим через него); измеритель расхода теплоносителя 12, содержащий трубку Вентури 12.1 и датчик перепада давлений 12.2, компенсатор объема 13 (предназначен для компенсации температурного изменения объема теплоносителя); совокупность дополнительных элементов; калиброванный тройник 14, установленный перед чувствительным элементом 3.1 терморегулятора 3, со сменным калибратором расхода теплоносителя 14.1 на одном из его выходов (позволяющим получить определенный требуемый расход теплоносителя через чувствительный элемент терморегулятора), имеющим соответствующее проходное сечение, причем первый выход калиброванного тройника 14 соединен с входом чувствительного элемента 3.1, а второй выход его сообщен байпасным трубопроводом 15 с жидкостным трактом между электронасосным агрегатом 2 и выходом чувствительного элемента терморегулятора 3.1 (в совокупности предназначены для изменения инерционности чувствительного элемента 3.1 терморегулятора с целью получения приемлемой частоты колебаний температуры теплоносителя в жидкостном тракте СТР при использовании ее с различными ретрансляторами; анализ, проведенный авторами, показал, что инерционность чувствительного элемента или постоянная времени, характеризующая его инерционность количественно, определяется из решения дифференциального уравнения переходного процесса чувствительного элемента, имеющего следующий вид: где С - теплоемкость чувствительного элемента, Дж/кг·град; G - масса чувствительного элемента, кг; t - температура чувствительного элемента, ^oC; τ - текущее время переходного процесса, c, α - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к чувствительному элементу, Вт/м²·град; F - площадь теплообмена чувствительного элемента, м²; t_т - температура омывающего чувствительный элемент теплоносителя, ^oC; Решение этого уравнения:
t = t_т-(t_т-t₀)·e^-[(α˙^F)/(C˙^G)]˙τ,
где t_о - начальная температура чувствительного элемента, ^oC,
или
t = t_т-(t_т-t₀)·e^-(1/T)˙τ,
где постоянная времени - T равно:
T = (C·G)/(α·F);
Из анализа выражения для постоянной времени - T чувствительного элемента следует, что она может быть изменена только изменением коэффициента теплоотдачи, который в нашем случае может быть изменен только изменением расхода теплоносителя, омывающего чувствительный элемент, т.к. остальные параметры определены имеющейся конструкцией СТР; следовательно, для этого в конструкции СТР необходимо предусмотреть вышеуказанную дополнительную совокупность элементов, предложенную авторами.

Работа предложенной СТР происходит следующим образом.

Изготавливают СТР. В процессе испытаний методом подбора в один из выходов калиброванного тройника устанавливают калибратор расхода теплоносителя с соответствующим проходным сечением (имеется ряд калибраторов с различными проходными сечениями), обеспечивающим такой расход теплоносителя через чувствительный элемент, что при этом реализуется требуемая постоянная времени чувствительного элемента и терморегулятор при работе в составе СТР, к которой подключен жидкостный тракт заданного ретранслятора, в условиях эксплуатации обеспечивает колебание температуры теплоносителя в жидкостном тракте с частотой, не более заданной, тем самым обеспечивая требуемые надежность и ресурс собственно СТР и ретранслятора.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения СТР согласно предложенному авторами техническому решению повышается надежность и ресурс (продолжительность орбитального функционирования) системы и ретранслятора в результате меньшей частоты колебаний температуры теплоносителя в жидкостном тракте по сравнению с известной СТР и одновременно предложенное техническое решение обеспечивает использование одной и той же конструкции СТР с различными ретрансляторами, сокращая продолжительность и затраты на разработку связных спутников, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

Предложенное авторами техническое решение в ближайшее время будет отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которой будет изготавливаться СТР вновь создаваемого связного спутника.

Формула изобретения

Система терморегулирования космического аппарата, содержащая замкнутый жидкостный тракт с теплоносителем, включающий в себя терморегулятор расхода теплоносителя с чувствительным элементом, имеющим вход и выход для теплоносителя, заполненным рабочей жидкостью и установленным перед электронасосным агрегатом до жидкостного тракта ретранслятора, подключенного к остальному тракту через разъемы гидравлические, радиатор, газожидкостный теплообменник, установленный в герметичном контейнере, измеритель расхода теплоносителя, компенсатор объема, отличающаяся тем, что в жидкостном тракте перед чувствительным элементом терморегултора дополнительно установлен калиброванный тройник со сменным калибратором расхода теплоносителя на одном из его выходов, причем первый выход калиброванного тройника соединен с входом чувствительного элемента, а второй выход его сообщен байпасным трубопроводом с жидкостным трактом между электронасосным агрегатом и выходом чувствительного элемента терморегулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2