Теплопередающее устройство спутника

Изобретение относится к системам терморегулирования, преимущественно телекоммуникационных спутников. Предлагаемое устройство содержит замкнутый двухфазный контур, заправленный низкокипящим теплоносителем (аммиаком). Контур включает в себя сообщенные между собой трубопроводами конденсатор, имеющий вход и выход, испарители, имеющие общий вход и общий выход, и гидроаккумулятор, установленный вблизи общего входа испарителей. Гидроаккумулятор содержит корпус, имеющий взаимно противоположные вход и выход, соединенные соответственно с выходом конденсатора и общим входом испарителей, сетчатый фитиль, расположенный внутри корпуса вблизи его стенок, и электрообогреватель. Конденсатор прикреплен к обшивкам радиатора. Испарители, в корпусе которых установлены капиллярные насосы, соединены с термостатируемой панелью и установлены гидравлически параллельно. После общего выхода испарителей дополнительно установлен регулятор давления прямого действия, соединенный своим входом с общим выходом испарителей, а выходом - с входом конденсатора. Внутри корпуса гидроаккумулятора к его входу присоединен патрубок с выходным отверстием вблизи зоны фитиля, расположенной у выхода. Этот патрубок имеет дополнительные отверстия контакта с фитилем в его зоне, расположенной у входа. Электрообогреватель установлен на наружной поверхности гидроаккумулятора в районе его входа. В зоне, расположенной у выхода, фитиль выполнен с более мелкими ячейками, чем в остальной его части. Техническим результатом изобретения является обеспечение надежности устройства во всех режимах работы (тепловыделения) приборов в условиях эксплуатации спутника. 3 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам обеспечения требуемого теплового режима телекоммуникационных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

Известны теплопередающие устройства согласно материалам:

1) монографии: А.А. Никонов, Г.А. Горбенко, В.Н. Блинков. Теплообменные контуры с двухфазным теплоносителем для систем терморегулирования космических аппаратов. М.: Центр научно-технической информации «Поиск», 1991 г., стр.63-66, рис.3.6 на стр.112;

2) патенту США № 5944092 [2];

3) патенту РФ № 2196079 [3].

которые представляют замкнутый двухфазный контур с испарителем, выполняющим одновременно две функции:

- воспринимает избыточное тепло от работающего прибора, установленного на панели;

- действует как насос в результате наличия в испарителе высокоэффективной с точки зрения преодолевания гидравлического сопротивления при движении теплоносителя (например, аммиака) в контуре капиллярного насоса, выполненного из пористого никеля (или титана).

В составе спутника для обеспечения минимально возможной массы стараются выполнить минимальное количество панелей с размещением на каждой из них максимального количества приборов. Это обуславливает прикрепление к обшивкам панелей соответствующего количества гидравлически параллельно соединенных испарителей (два и более параллельных испарителей). В условиях эксплуатации, как правило, часть приборов находится в «холодном» резерве, а работающие приборы могут согласно циклограммам их работы выделять тепло от минимально возможного количества до максимально возможного.

Проведенные авторами экспериментальные данные показывают, например, когда два испарителя соединены параллельно и один из приборов, установленных на панели напротив испарителей, работает в режиме минимального тепловыделения, а другой прибор не функционирует, происходит высыхание капиллярной структуры (капиллярного насоса) испарителя и теплопередающее устройство выходит из строя: в результате небольшого тепловыделения образуются пары аммиака с относительно низкой температурой и соответственно с относительно невысокой плотностью и эти пары, поступив в каналы радиатора - в магистраль конденсатора - на начальном же участке радиатора превращаются в жидкую фазу, а поступающие следующие порции пара предыдущие порции, превращенные в жидкую фазу, двигают по магистрали по направлению к выходу радиатора и одновременно сами превращаясь в жидкую фазу; и таким образом большая часть имеющейся жидкой фазы аммиака, находящейся в полости гидроаккумулятора, от гидроаккумулятора до работающего испарителя, испаряется и транспортируется в магистраль конденсатора - в каналы радиатора и происходит высыхание капиллярной структуры испарителя (т.к. количество заправленного в контур аммиака с точки зрения обеспечения нормального функционирования устройства как двухфазного контура ограничено сверху и определяется величиной максимально возможного подвода тепла к испарителям, а конструктивно и функционально объем канала радиатора реализуется таким, что он может вмещать в себя большую часть заправленного объема аммиака).

Таким образом, общим существенным недостатком известных устройств является недостаточно высокая надежность обеспечения их работоспособности, когда испарители теплопередающего устройства соединены гидравлически параллельно и на панелях напротив испарителям установлены приборы, работающие по различным циклограммам с тепловыделениями от минимально возможного до максимального.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемого технического решения является теплопередающее устройство согласно [1].

Известное теплопередающее устройство, представляющее из себя замкнутый двухфазный контур (см. фиг.3), заправленный соответствующим количеством теплоносителя - аммиаком, включает следующие элементы:

- соединительные трубопроводы 1;

- испаритель 2, соединенный с термостатируемой поверхностью прибора 8; в корпусе испарителя установлена капиллярная вставка (капиллярный насос), капиллярная структура которой изготовлена из пористого никеля;

- конденсатор 5, который крепится к поверхности радиатора, излучающего в условиях орбитального функционирования тепло, выделившееся в магистралях конденсатора;

- гидроаккумулятор 6 (6.4 и 6.5 - зоны с жидкой и паровой фазами теплоносителя);

- электрообогреватель 10, установленный на наружной поверхности гидроаккумулятора 6.

Как было указано выше, существенным недостатком известного устройства является недостаточно высокая надежность обеспечения его работоспособности, когда испарители теплопередающего устройства соединены гидравлически параллельно и на панелях напротив испарителей установлены приборы, работающие по различным циклограммам с тепловыделениями от минимально возможного до максимального.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается выполнением теплопередающего устройства таким образом, что дополнительно после общего выхода испарителей установлен регулятор давления прямого действия, соединенный своим входом с общим выходом испарителей, выходом - с входом конденсатора, а внутри корпуса гидроаккумулятора к входу присоединен патрубок с выходным отверстием вблизи фитиля, расположенного в зоне выхода, причем патрубок имеет дополнительные отверстия в зоне контакта с фитилем, расположенным в зоне входа, при этом электрообогреватель установлен на наружной поверхности гидроаккумулятора в районе его входа, а фитиль, расположенный в зоне выхода, выполнен с более мелкими ячейками, чем в остальной части (т.е. для обеспечения нормального функционирования устройства, установленного на спутнике, как в условиях наземных испытаний, так и в условиях орбитального функционирования: гидроаккумулятор установлен вертикально входным штуцером, направленным вверх, выходным штуцером - направленным вниз, причем внутри корпуса к входному штуцеру присоединен патрубок с выходным отверстием вблизи фитиля, расположенного в нижней части, имеющей отверстия в зоне контакта с фитилем, расположенным в верхней части, при этом электрообогреватель установлен на наружной поверхности верхнего днища, а фитиль в нижней части корпуса выполнен с более мелкими ячейками, чем в остальной части), 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 теплопередающем устройстве.

Предлагаемое теплопередающее устройство спутника (см. фиг.1 и 2, где изображена его принципиальная схема) представляет из себя замкнутый двухфазный контур, заправленный соответствующим количеством низкокипящего теплоносителя, например аммиака, и включает в себя следующие элементы:

- соединительные трубопроводы 1, расположенные между испарителями 2 и 3, регулятором давления прямого действия 4, конденсатором 5, гидроаккумулятором 6;

- конденсатор 5 имеет по одному входу и выходу; выполнен в виде профильного трубопровода с полками, встроен в сотовую панель и полками прикреплен к обшивкам радиатора с двусторонним излучением;

- испарители 2 и 3 соединены с термостатируемой сотовой панелью 7, на которой напротив испарителей установлены термовыделяющие приборы 8 (8.1 и 8.2), 9; испарители установлены гидравлически параллельно и имеют один общий вход и один общий выход; в корпусе каждого испарителя установлен (см. фиг.2) капиллярный насос 2.1 (капиллярная вставка, выполненная из пористого, например, никеля);

- гидроаккумулятор 6 установлен вблизи общего входа испарителей и содержит: корпус цилиндрической формы с входным и выходным штуцерами; фитиль 6.1, расположенный внутри корпуса в нижней части его (10 - электрообогреватель); причем для повышения гарантированного сбора как можно большей массы жидкой фазы как в условиях наземных испытаний, так и в условиях орбитального функционирования (в условиях невесомости) вблизи выхода из гидроаккумулятора, что благоприятно скажется на работе испарителей в части предотвращения режима высыхания капиллярных насосов, гидроаккумулятор 6 установлен вертикально входным штуцером, направленным вверх (применительно монтажа теплопередающего устройства на спутнике для условий работы устройства при наземных испытаниях спутника), выходным штуцером - направленным вниз и причем внутри корпуса к входному штуцеру присоединен патрубок 6.2 с выходным отверстием вблизи фитиля 6.1, расположенного в нижней части гидроаккумулятора, имеющей отверстия (см. вид Б на фиг.2) в зоне контакта с фитилем 6.3, расположенным в верхней части; при этом электрообогреватель 10 приклеен к наружной поверхности верхней части корпуса: в результате такой установки электрообогревателя (более теплые стенки в верхней части корпуса по сравнению с остальной частью), наличия патрубка (жидкая фаза поступает в нижнюю часть внутреннего объема гидроаккумулятора) и соответствующих фитилей (фитиль в нижней части корпуса выполнен с более мелкими ячейками, чем в остальной части) в условиях орбитального функционирования гарантированно большая масса теплоносителя, свободная от паров в случае наличия их в поступившем теплоносителе, будет в фитиле у выходного штуцера гидроаккумулятора; кроме того, мощность электрообогревателя расходуется только на нагрев и образование паров теплоносителя, находящегося в верхней части, и практически минимизируется прогрев требуемой для нормального функционирования испарителей переохлажденной жидкой фазы, поступающей из конденсатора, а затем подаваемого на общий вход испарителей;

- регулятор давления прямого действия 4; установлен после общего выхода испарителей; соединен своим входом с общим выходом испарителей, а выходом - с входом конденсатора 5; регулятор давления 4 при максимальном тепловыделении приборов полностью открыт, а при минимально возможном тепловыделении приборов сообщает паровую полость испарителей с магистралью конденсатора при превышении давления паров в полости испарителя определенной величины и обеспечивает повышение давления паров, образующихся в паровых каналах испарителя (или испарителей), и, следовательно, повышает температуру их испарения в результате реализации работы прибора при более повышенной температуре; в результате периодической работы регулятора в магистраль конденсатора поступают порции пара с относительно высокой температурой и давлением и, следовательно, указанные порции полностью превращаются в жидкую фазу достаточно далеко от входа конденсатора, что обеспечивает достаточный объем жидкого теплоносителя до испарителей и исключает высыхание капиллярного насоса (капиллярных насосов) при минимальных тепловыделениях работающих приборов;

- кроме того, наличие регулятора обеспечивает плавное (без всплеска) повышение температуры испарителя (испарителей) и приборов до установившего значения при запуске устройства в результате наличия в паровой полости испарителей только паров теплоносителя;

- электрообогреватель 10 предназначен для изменения давления паров в полости гидроаккумулятора с целью регулирования изменения холодопроизводительности радиатора в соответствии с величинами тепловыделений приборов путем соответствующего смещения линии раздела «пар-жидкость» теплоносителя в магистрали конденсатора, тем самым изменяя эффективную температуру и эффективную площадь излучения радиатора.

Все стыки между соединительными трубопроводами и другими элементами теплопередающего устройства - сварные, что обеспечивает высокую степень герметичности полости с аммиаком.

Оптимальная компоновка теплопередающего устройства на спутнике следующая и обусловлена необходимостью его нормального функционирования как в условиях наземных испытаний, так и в условиях орбитального функционирования спутника, поэтому:

- расположение на спутнике регулятора прямого действия и испарителей относительно к уровню Земли - произвольное; испарители должны быть установлены ниже гидроаккумулятора;

- гидроаккумулятор относительно к уровню Земли должен быть расположен вертикально (входным штуцером, направленным вверх);

- радиатор: вход магистрали конденсатора находится в верхней относительно Земли части радиатора, а выход - в нижней части, установленного выше уровня входа гидроаккумулятора и общего входа (входов) испарителей; смежные участки конденсатора выполнены наиболее протяженными и они расположены горизонтально относительно к уровню Земли.

Работа теплопередающего устройства происходит следующим образом.

Тепло, выделяющееся при работе прибора (приборов), теплопроводностью передается обшивке сотовой панели, далее, через полки и стенки корпуса испарителя к пористой структуре капиллярного насоса, в результате чего теплоноситель, находящийся в свободных порах, нагревается, а затем испаряется вблизи наружной поверхности капиллярного насоса и поступает в полость испарителя и далее в полость соединительного трубопровода до регулятора давления прямого действия. При достижении определенного значения давления паров, соответствующего значению минимально допустимой температуры кипения теплоносителя (например, 30°С), и, следовательно, выше минимально допустимой рабочей температуры прибора, регулятор открывается и начинается циркуляция паров в магистраль конденсатора, где происходит превращение паров в жидкую фазу - выделившееся при конденсации паров тепло передается стенкам радиатора и излучается в космическое пространство в условиях орбитального функционирования (при наземных условиях радиатор обдувается сухим воздухом и избыточное тепло от радиаторов передается воздушному потоку).

В результате соответствующей работы электрообогревателя изменяется давление паров в паровой полости гидроаккумулятора и регулируется зона затопления жидкой фазой магистрали конденсатора путем подачи (или обратного поступления) из гидроаккумулятора соответствующего количества жидкого теплоносителя, тем самым обеспечивая холодопроизводительность радиатора, соответствующую тепловыделению приборов.

При максимальном тепловыделении приборов давление паров в испарителе и, следовательно, их температура максимально допустимая (например, 40°С), регулятор открыт полностью, зона образования границы «пар-жидкая фаза» находится вблизи выхода из магистрали конденсатора, холодопроизводительность радиатора также максимальная и согласуется с вышеуказанным тепловыделением приборов.

В случае работы только части приборов, причем с минимальным тепловыделением, в результате начала работы регулятора только при достаточно высоком давлении паров (т.е. при достаточно высокой их температуре) и, следовательно, обеспечения границы «пар-жидкая фаза» достаточно далеко от входа конденсатора и в результате обеспечения накопления основной массы жидкой фазы теплоносителем в районе выхода из гидроаккумулятора в результате наличия в нем соответствующего патрубка и фильтра с более мелкими ячейками, а также расположения электрообогревателя на верхнем днище гидроаккумулятора, образуется достаточный объем жидкой фазы для полного заполнения жидкой фазой от гидроаккумулятора до жидкостных полостей испарителей и исключается высыхание испарителей.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения теплопередающего устройства согласно предложенному авторами техническому решению обеспечивается надежная работа его во всех режимах работы (тепловыделений) приборов в условиях эксплуатации спутника, т.е. тем самым достигаются целей изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение проходит экспериментальную отработку. Предварительные данные испытаний подтверждают выполнение целей изобретения.

Предложенное авторами теплопередающее устройство в дальнейшем предполагается использовать в перспективных телекоммуникационных спутниках.

Теплопередающее устройство спутника, содержащее замкнутый двухфазный контур, заправленный низкокипящим теплоносителем, включающий в себя сообщенные между собой трубопроводами конденсатор, имеющий вход и выход, испарители, имеющие общий вход и общий выход, и гидроаккумулятор, установленный вблизи общего входа испарителей, содержащий корпус, имеющий взаимно противоположные вход и выход, соединенные соответственно с выходом конденсатора и общим входом испарителей, сетчатый фитиль, расположенный внутри корпуса вблизи его стенок, и электрообогреватель, при этом конденсатор прикреплен к обшивкам радиатора, а испарители, в корпусе которых установлены капиллярные насосы, соединены с термостатируемой панелью, установлены гидравлически параллельно, отличающееся тем, что после общего выхода испарителей дополнительно установлен регулятор давления прямого действия, соединенный своим входом с общим выходом испарителей, а выходом - с входом конденсатора, при этом внутри корпуса гидроаккумулятора к его входу присоединен патрубок с выходным отверстием вблизи зоны фитиля, расположенной у выхода, причем патрубок имеет дополнительные отверстия контакта с фитилем в его зоне, расположенной у входа, а электрообогреватель установлен на наружной поверхности гидроаккумулятора в районе его входа, при этом в зоне, расположенной у выхода, фитиль выполнен с более мелкими ячейками, чем в остальной его части.