Спутник связи, телевещания и ретрансляции информации
Изобретение относится к спутниковым информационным системам и, в частности, к системам терморегулирования связных и ретрансляционных спутников. Согласно изобретению спутник содержит элементы аппаратуры, установленные на обшивках сотовых панелей и объединенные между собой трубопроводами. К обшивкам панелей посредством теплопроводного клея приклеены сотоблоки и полки жидкостного коллектора. В гранях сотовых ячеек и в обшивках панелей вне зоны размещения элементов аппаратуры выполнены перфорированные отверстия. Коллектор и трубопроводы своими торцами приварены к торцам переходников, имеющих полугнезда. Другие торцы смежных переходников выполнены с буртиками, прижаты друг к другу и сварены в зоне стыка буртиков. В полугнездах установлены втулки, имеющие напротив сварных стыков канавки, сообщенные пазами с внутренними полостями переходников. Размеры и число перфорированных отверстий, параметры втулок, пазов и канавок, а также площади непроклея выбраны из определенных диапазонов и соотношений. Последние учитывают технологические факторы, а также интенсивность падения давления воздуха под обтекателем ракеты-носителя при выведении спутника на орбиту. Технический результат изобретения состоит в создании спутника с минимально возможной массой при одновременном повышении его надежности и срока активного существования (до 15 лет). 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к космической технике, в частности к спутникам связи, телевещания и ретрансляции информации, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания,В настоящее время новые (вновь разрабатываемые) отечественные спутники связи, телевещания и ретрансляции информации типа "Экспресс" (в дальнейшем изложении "спутник") в общем виде представляют из себя конструкцию, в которой различные устройства и приборы со своими контактными теплоотдавщими поверхностями прикреплены к наружным поверхностям обшивок сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором, соединенных между собой трубопроводами, через жидкостный тракт которых циркулирует жидкий теплоотводящий теплоноситель (принцип отвода избыточного тепла, выделяющегося при работе устройств и приборов спутника, в космическое пространство описан, например, в патентах Российской Федерации N 2151720, 2158703).Анализ, проведенный авторами, показал, что общим существенным недостатком известных новых спутников является неприемлемое снижение надежности и срока орбитального функционирования (требуется до 15 лет) при выполнении сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором с оптимальными параметрами, обеспечивающими минимально возможную массу спутника.Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является новый спутник (выполненный на базе спутника "Экспресс" и с использованием патента N 2158703), устройства и приборы модуля полезной нагрузки которого установлены на обшивках сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором (см. фиг. 4-6, где изображена принципиальная схема спутника):фиг. 4: 1 - модуль полезной нагрузки; 1.1 - сотовая панель со встроенным жидкостным коллектором (см. фиг.5); 1.2 - прибор (устройство); 1.3 - сварной стык между торцами коллектора и соединительного трубопровода (см.фиг.6); 1.4 - теплоизоляция; 2 - модуль служебных систем;фиг.5: 1.1 - сотовая панель со встроенным жидкостным коллектором; 1.1.1 - обшивка; 1.1.2 - сотовый заполнитель (изготавливаемый в виде отдельных сотоблоков размером, например, 500 500 мм); 1.1.3 - сотоблок; 1.1.4 - герметичная граница (полимеризированный затвердевший пленочный клей между соседними приклеенными сотоблоками (например, центральный сотоблок, торцы сотового заполнителя которого приклеены к внутренним поверхностям обшивок, по всему периметру имеет герметичную границу и в зонах непроклея 1.1.7 (например, размерами 20 20 мм) и ячейках (например, размерами 5 5 мм) сотового заполнителя указанного сотоблока; при эксплуатации в условиях космического пространства будет повышенное (избыточное) давление (100000 Па), приводящее к короблению (к изменению формы) поверхности обшивки, имеющей толщину 0,5 мм; это, в свою очередь, приводит к ухудшению условий контакта между теплоотдающей поверхностью прибора и поверхностью обшивки и, следовательно, приводит к ухудшению тепловой связи между прибором и панелью и к повышению температуры работающего прибора выше допустимой и к выходу его из строя);1.1.5 - перфорированные отверстия на гранях сотовой ячейки 1.1.6;1.1.7 - зоны непроклея внутренней поверхности обшивки с внешней поверхностью полки 1.3.1.1 коллектора и с торцами ячеек сотового заполнителя (как показал анализ, для обеспечения требуемой (оптимальной) тепловой связи между теплоотдающей поверхностью прибора и поверхностью обшивки и полки коллектора, обязательно необходимо нормировать (ограничить) соответствующим образом неплоскостность наружной поверхности обшивки и площадь непроклея между поверхностями обшивки и полки коллектора);фиг.6: 1.3 - сварной стык между торцами коллектора и соединительного трубопровода (сварка смежных стыков коллектора и соединительного трубопровода производится в процессе сборки спутника и на внутренней поверхности жидкостного тракта в районе свариваемого стыка образуется проплав; кроме того, при этом некоторая часть расплавленного металла затвердевает в виде свободных частиц, и в дальнейшем они циркулируют в потоке жидкого теплоносителя и могут заклинить (вывести из строя),например, электронасосный агрегат, обеспечивающий циркуляции теплоносителя); 1.3.1 - коллектор; 1.3.1.1 - полка коллектора; 1.3.2 - соединительный трубопровод; 1,3.3 - сварной шов; 1.3.4 - проплав (имеет произвольную форму и существенно уменьшает площадь проходного сечения жидкостного тракта, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления жидкостного тракта и к снижении расхода теплоносителя в нем).В современных условиях весьма актуальна задача создания спутника с минимально возможной массой с обеспечением при этом безотказной работы его в течение длительного срока орбитального функционирования (в течение до 15 лет).Анализ показал, что для решения этой задачи, т.е. для обеспечения минимально возможной массы спутника при одновременном обеспечении требуемого теплового режима устройств и приборов толщина обшивок панели должна составлять, например, 0,5 мм.В этом случае, как установлено авторами, на участке выведения спутника на орбиту, когда скорость уменьшения давления воздуха под обтекателем ракеты-носителя достигает до 5000 Па/с и давление под обтекателем уменьшается от 100000 Па до нуля, ввиду относительно большого размера сотовой панели (например, 2500 2500 мм) через перфорированные отверстия сотового заполнителя из ячеек сот воздух наружу удаляется с недостаточной интенсивностью, а из ячеек центрального сотоблока воздух вообще не удаляется (центральный сотоблок со всех сторон приклеен герметично соседними сотоблоками и обшивками), и в ячейках сот (и в зонах непроклея) образуется недопустимо повышенные давления и градиенты давлений, приводящие к короблению (к изменению формы поверхности) обшивок и к существенному уменьшению тепловых связей между поверхностями контакта обшивки и приборов (устройств); это, в свою очередь, приводит к недопустимому возрастанию рабочей температуры приборов и устройств и, следовательно, к преждевременному выходу их из строя.В результате анализа авторами также установлено, что при монтажной сварке стыков коллекторов с соединительными трубопроводами проходное сечение жидкостного тракта может существенно уменьшаться в результате изменения конфигурации внутренней поверхности коллектора и трубопровода под воздействием высокой температуры и попадания во внутрь расплавленного металла с последующим затвердением на внутренних поверхностях коллектора и трубопровода в районе свариваемого стыка (образуется проплав произвольной формы), приводящие к снижения расхода теплоносителя в коллекторе из-за увеличения гидравлического сопротивления жидкостного тракта и к ухудшению теплообмена между устройством (прибором) и теплоносителем, и, следовательно, это также приводит к снижению надежности их функционирования.Кроме того, анализ показал, что наряду с обеспечением оптимальных параметров сотовой панели со встроенным жидкостным коллектором для достижения минимально возможной массы спутника с одновременным обеспечением высокой надежности сохранения требуемой тепловой связи между прибором (устройством) и циркулирующим теплоносителем необходимо нормировать величины непроклея поверхностей коллекторов к внутренним поверхностям обшивок панелей; степень плоскостности наружных поверхностей, предназначенных для установки приборов.Таким образом, существенными недостатками известного спутника являются неприемлемые снижение надежности и уменьшение срока орбитального функционирования при выполнении сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором с оптимальными параметрами, и, следовательно, не обеспечивается создание спутника с минимально возможной массой.Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.Проведенный авторами анализ показал, что устранение вышеуказанных существенных недостатков и решение вышеупомянутой задачи достигаются выполнением вновь разрабатываемого спутника следующим образом:1. Обшивки панелей вне зоны размещения устройств и приборов содержат перфорированные отверстия, выполненные, удовлетворяя условиям где d - эквивалентный диаметр перфорированного отверстия обшивки, м;F - суммарная площадь перфорированных отверстий через грани в одной ячейке сотового заполнителя, м2;L - шаг между перфорированными отверстиями обшивки, м:h - толщина обшивки, м;Е - модуль нормальной упругости материала обшивки, Н/м2;Кп=1,2510-6 - коэффициент, учитывающий нелинейность зависимостей между параметрами и влияние неучтенных факторов, м/с;(dp/dt) - максимально возможная скорость изменения давления воздуха под обтекателем ракеты-носителя на участке выведения спутника на орбиту, Па/с;S - максимально допустимая единичная площадь непроклея внутренней поверхности обшивки к сотовому заполнители, м2;f - плотность ячеек сотового заполнителя, 1/м2,причем над каждым сотоблоком панели выполнено не менее одного отверстия.2. Входные и выходные торцы жидкостных коллекторов и трубопроводов соединены сваркой с торцами переходников, а другие торцы смежных переходников, выполненные с буртиками, прижаты друг к другу, в их полугнезда установлена втулка и в зоне стыка буртиков смежные переходники соединены сваркой между собой, причем каждая втулка напротив стыка имеет канавку, сообщенную пазами с внутренними полостями переходников удовлетворяющая условию110-3 Dп 1,510-3;0,9DDвD,где Dп - эквивалентный диаметр паза, сообщающего полость канавки с внутренней полостью переходника, м;D - внутренний диаметр переходников, м;Dв - внутренний диаметр втулки, м.3. Полки жидкостных коллекторов приклеены к внутренним поверхностям обшивок посредством теплопроводного клея с единичной площадью непроклея, не превышающей 200 мм2, и с сумарной площадью непроклея, не превышающей 3% от общей площади полки, а наружные поверхности обшивок выполнены с допуском плоскостности не более 0,1 мм на площади поверхности, равной не менее 200 200 мм, 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 предлагаемого спутника изображена на фиг.1-3.Конструкция спутника включает в себя следующие основные элементы:фиг. 1:1 - модуль полезной нагрузки; 1.1 - сотовая панель со встроенным жидкостным коллектором (см. фиг.2); 1.2 - прибор (устройство); 1.5 - сварной стык между торцами переходника и коллектора (или соединительного трубопровода) (см.фиг.3); сварка смежных стыков переходника и коллектора (соединительного трубопровода) производится в процессе изготовления панели (соединительного трубопровода): входные и выходные торцы жидкостных коллекторов и трубопроводов соединены сваркой с торцами переходников (перед сваркой во внутрь переходника напротив свариваемого стыка устанавливают плотно прилегающее к внутренним поверхностям коллектора (соединительного трубопровода) и переходника специальное цанговое устройство, и в результате этого в районе стыка образуется проплав небольшой толщины (0,1 мм), и площадь проходного сечения жидкостного тракта уменьшается на несущественную величину; после сварки вышеуказанного стыка цанговое устройство из внутренней полости переходника удаляется); 1.6 - сварной стык между смежными торцами переходников, входящих в состав коллектора и соединительного трубопровода (см.фиг.3 - сварка смежных стыков переходников 1.3.5 и 1.3.6 коллектора и соединительного трубопровода производится в процессе сборки спутника - торцы этих смежных переходников, выполненные с буртиками (обеспечивающими образование качественного герметичного сварного шва), прижаты друг к другу, в их полугнезда установлена втулка 1.3.7, и в зоне стыка буртиков смежные переходники соединены сваркой между собой, причем каждая втулка напротив стыка имеет канавку 1.3.7.1, сообщенную пазами 1.3.7.2 с внутренними полостями переходников, удовлетворяющая условию, установленному авторами в результате анализа физических процессов, происходящих в процессе изготовления спутника, и предварительных опытных данных:110-3 Dп 1,510-3;0,9DDвD,где Dп - эквивалентный диаметр паза, сообщающего полость канавки с внутренней полостью переходника, м;D - внутренний диаметр переходников, м;Dв - внутренний диаметр втулки, м:1.4 - теплоизоляция; 2 - модуль служебных систем;фиг.2:1.1 - сотовая панель со встроенным жидкостным коллектором; 1.1.1 - обшивка; обшивки панелей вне зоны размещения приборов и устройств содержат перфорированные отверстия, выполненные, удовлетворяя условиям, установленным авторами в результате анализа физических процессов, происходящих во время функционирования спутниками предварительных опытных данных: где d - эквивалентный диаметр перфорированного отверстия обшивки, м;F - суммарная площадь перфорированных отверстий через грани в одной ячейке сотового заполнителя, м2;L - шаг между перфорированными отверстиями обшивки, м;h - толщина обшивки, м;Е - модуль нормальной упругости материала обшивки, Н/м2;Кп=1,2510-6 - коэффициент, учитывавший нелинейность зависимостей между параметрами и влияние неучтенных факторов, м/с;(dp/dt) - максимально возможная скорость изменения давления воздуха под обтекателем ракеты-носителя на участке выведения спутника на орбиту, Па/с;S - максимально допустимая единичная площадь непроклея внутренней поверхности обшивки к сотовому заполнителя, м2;f - плотность ячеек сотового заполнителя, 1/м2,причем над каждым сотоблоком панели выполнено не менее одного отверстия; 1.1.2 - сотовый заполнитель (изготавливаемый в виде отдельных сотоблоков размером, например, 500 500 мм); 1.1.3 - сотоблок; 1.1.4 - герметичная граница (полимеризированный затвердевший пленочный клей между соседними приклеенными сотоблоками); 1.1,5 - перфорированные отверстия на гранях сотовой ячейки; 1.1.6; 1.1.7 - зоны непроклея внутренней поверхности обшивки с внешней поверхностью полки коллектора и с торцами ячеек сотового заполнителя;фиг.3: 1.3 - сварной стык между торцами переходников коллектора и соединительного трубопровода; 1.3.1 - коллектор; 1.3.1.1 - полка коллектора; 1.3.2 - соединительный трубопровод; 1.3.3 - сварной шов; 1.3.4 - проплав, образуется в свободном объеме канавки втулки и не влияет на площадь проходного сечения жидкостного тракта, и в связи с тем, что площадь проходного сечения втулки близка к площади проходного сечения коллекторов, гидравлическое сопротивление жидкостного тракта практически не возрастает; кроме того, образующиеся в процессе сварки маленькие капли жидкого металла, как показывает анализ опытных данных, в результате выполнения втулки согласно предложенному не проникают в жидкостный тракт, а оседают на поверхности канавки втулки и не ухудшают надежность спутника).Кроме того, на основании анализа предварительных опытных данных для гарантированного обеспечения требуемой тепловой связи между прибором (устройством) и циркулирующим теплоносителем полки жидкостных коллекторов приклеены к внутренним поверхностям обшивок посредством теплопроводного клея с единичной площадью непроклея, не превышающей 200 мм2, и с сумарной площадью непроклея, не превышающей 3% от общей площади полки, а наружные поверхности обшивок выполнены с допуском плоскостности не более 0,1 мм на площади поверхности, равной не менее 200 200 мм.Работа предложенного спутника при орбитальном функционировании происходит следующим образом.Через жидкостные тракты коллекторов сотовых панелей и соединительных трубопроводов спутника циркулирует жидкий теплоотводящий теплоноситель.Тепло, выделяющееся при работе установленных на сотовых панелях приборов и устройств спутника, передается к внутренней поверхности жидкостных трактов коллекторов, а затем к омывающему эти поверхности теплоотводящему теплоносителю, тем самым обеспечивая требуемые (комфортные) рабочие температуры приборов и устройств.В результате выполнения конструкции спутника согласно вышеописанному предложенному техническому решению тепловая связь между теплоотдающей поверхностью приборов и устройств и теплоотводящим циркулирующим теплоносителем в процессе и в течение орбитального функционирования спутника сохраняется качественной (неизменной с момента изготовления), тем самым обеспечивая требуемые рабочие температуры приборов и устройств и, следовательно, высоконадежную работу спутника, имеющего минимально возможную массу, в течение требуемого длительного срока эксплуатации (до 15 лет).Проведенный анализ показал, что в результате выполнения вновь создаваемого спутника согласно вышепредложенному обеспечиваются создание спутника с минимально возможной массой в результате использования сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором с оптимальными параметрами (указанные панели одновременно используются в качестве элементов, предназначенных для обеспечения теплового режима, и в качестве основных силовых конструктивных элементов спутника); исключение нарушения теплового режима, и, следовательно, исключается связанный с этим отказ функционирующих приборов и устройств, установленных на сотовых панелях со встроенным жидкостным коллектором условиях орбитального функционирования спутника в течение до 15 лет; экономия материальных и финансовых средств при решении задачи создания вышеуказанного спутника.Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения спутника согласно предложенному авторами техническому решению обеспечивается решение задачи создания спутника с минимально возможной массой с одновременным обеспечением повышения надежности и срока орбитального функционирования его (до 15 лет), т.е. тем самым достигаются цели изобретения.В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которой начато изготовление вновь разработанного мощного спутника связи, телевещания и ретрансляции информации.Формула изобретения
1. Спутник связи, телевещания и ретрансляции информации, включающий в себя устройства и приборы, установленные на обшивках сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором и имеющие входы и выходы, соединенные между собой трубопроводами, причем в гранях сотовых ячеек выполнены перфорированные отверстия, отличающийся тем, что в обшивках панелей вне зоны размещения указанных устройств и приборов выполнены перфорированные отверстия, согласно условиям: где d - эквивалентный диаметр перфорированного отверстия обшивки, м;F - суммарная площадь перфорированных отверстий в гранях одной сотовой ячейки, м2;L - шаг между перфорированными отверстиями обшивки, м;h - толщина обшивки, м;Е - модуль нормальной упругости материала обшивки, Па;Кп=1,2510-6 - коэффициент, учитывающий нелинейность зависимостей между параметрами и влияние неучтенных факторов, м/с;(dp/dt) - максимально возможная скорость изменения давления воздуха под обтекателем ракеты-носителя на участке выведения спутника на орбиту, Па/с;S - максимально допустимая площадь непроклея внутренней поверхности обшивки к сотовому заполнителю, на единицу этой поверхности, м2;f - плотность ячеек сотового заполнителя, 1/м2,причем над каждым сотоблоком панели выполнено не менее одного указанного отверстия.2. Спутник по п.1, отличающийся тем, что указанный жидкостный коллектор и указанные трубопроводы выполнены с входными и выходными торцами, которые соединены сваркой с торцами переходников, имеющих полугнезда, причем другие торцы смежных друг с другом переходников выполнены с буртиками, прижаты друг к другу и соединены в зоне стыка буртиков сваркой, а в их полугнездах установлена втулка, имеющая напротив этого стыка канавку, сообщенную пазами с внутренними полостями переходников, причем выполнены условия:110-3 Dп 1,510-3;0,9D DB D,где Dп - эквивалентный диаметр паза, сообщающего канавку с внутренними полостями переходников, м;D - внутренний диаметр переходников, м;DB - внутренний диаметр втулки, м.3. Спутник по п.1, отличающийся тем, что указанный жидкостный коллектор выполнен с полкой, которая приклеена к внутренней поверхности указанных обшивок посредством теплопроводного клея с площадью непроклея, на единицу поверхности полки, не превышающей 200 мм2, и с суммарной площадью непроклея, не превышающей 3% общей площади полки коллектора, а наружная поверхность обшивок выполнена с допуском плоскостности не более 0,1 мм на площади поверхности, не меньшей 200 мм 200 мм.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6