Способ изготовления системы терморегулирования космического аппарата

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА). Способ изготовления СТР КА включает проверки суммарных негерметичностей жидкостного тракта и двухфазного контура (ДФК) перед заправкой их соответствующими теплоносителями. В процессе изготовления ДФК дополнительно контролируют с использованием пробного газа в вакуумной камере межполостную негерметичность между паровой полостью и жидкостной полостью капиллярного насоса, сообщив отвакуумированную жидкостную полость с течеискателем, обеспечив подачу в паровую полость пробного газа давлением, равным максимальному рабочему давлению аммиака. Перед запуском КА на орбиту с помощью специального программного обеспечения работы электрообогревателей компенсатора объема обеспечивают повышение минимального давления на входе в электронасосный агрегат (ЭНА) до определенной величины, гарантирующей с высокой надежностью бескавитационную работу ЭНА в условиях эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы СТР КА в условиях длительной эксплуатации на орбите. 2 ил.

 

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:

Qут.г≤Кам-г⋅mам.доп,

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

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

mам.допам⋅Vж.к.цир⋅υдоп;

ρам - 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;

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

υдоп - 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 Рпарц.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:

Qут.г.≤Кам-г⋅mам.доп,

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

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

mам.допам⋅Vж.к.цир⋅υдоп;

ρам - 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);

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

υдоп≤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 Рпарц.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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для обеспечения требуемых тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры, в частности электронных плат.

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике. Способ обеспечения теплового режима приборного отсека летательного аппарата заключается в охлаждении аппаратуры (2) двухконтурной системой охлаждения.

Изобретение относится к космической технике, а именно к способу диагностики и прогнозирования срока нормального функционирования КА. В способе для КА, содержащего емкость с рабочим газом, определяют эффективную площадь выходного сечения внезапно образовавшейся течи в результате внезапного механического ударного воздействия на гермоконтейнер метеорной или техногенной частицы; момент времени образования вышеназванной течи; момент времени, когда давление газа в гермоконтейнере уменьшится до минимального допустимого значения, обеспечивающего работоспособность КА.

Изобретение относится к устройствам отвода низкопотенциального тепла от систем космических аппаратов. Капельный холодильник-излучатель содержит теплоноситель с системой его хранения и подачи, генератор капель, перекачивающие насосы, трубопроводы, нагреватели элементов и коллектор капель, выполненный в виде каплеприемника.

Изобретение относится к устройствам отвода низкопотенциального тепла от систем космических аппаратов. Капельный холодильник-излучатель содержит теплоноситель с системой его хранения и подачи, генератор капель, перекачивающие насосы, трубопроводы, нагреватели элементов и коллектор капель.
Изобретение относится к модификации параметров космической среды, а также предназначено для экспериментальной наземной отработки в искусственной среде. Для прогрева атмосферы Марса локально нагревают марсианскую залежь природных карбонатов путем концентрирования солнечных лучей на ее поверхности.

Группа изобретений относится к конструкции и компоновке космических аппаратов (КА), преимущественно геостационарных. КА содержит модуль служебных систем (100) и модуль полезной нагрузки (200), соединённые фермой (300).

Группа изобретений относится к методам и средствам защиты бортового оборудования космических аппаратов (КА), а также экипажей пилотируемых КА (станций). Способ включает в себя металлизацию оборудования так, что агрегаты и аппаратуру (1) служебных систем КА выводят на одну шину (2), а комплекс (5) целевой и/или научной аппаратуры - на другую шину (4).

Изобретение относится к терморегулируемому бортовому оборудованию космического аппарата (КА). Отсек содержит шестиугольную платформу (многослойную панель), на которой с двух сторон размещены тепловыделяющие элементы блоков аппаратуры.

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам теплообмена. Панель холодильника-излучателя содержит теплоизлучающую пластину из композиционного материала и металлические трубки для теплоносителя, размещенные между теплоизлучающей пластиной и накладками из композиционного материала.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА). Способ контроля качества СТР КА включает слив требуемой дозы теплоносителя в процессе заправки СТР теплоносителем и в дальнейшем периодический контроль наличия требуемой массы теплоносителя в жидкостном контуре. Для этого измеряют фактическую слитую дозу теплоносителя из жидкостной полости компенсатора объема для текущего момента времени, например, по результатам измерения давления теплоносителя, температур теплоносителя в жидкостном контуре и рабочего тела в газовой полости компенсатора объема. При этом определяют также упругость насыщенного пара рабочего тела при измеренной температуре. После определяют требуемую расчетную величину слитой дозы теплоносителя для текущего момента времени. Далее для данного момента времени сравнивают между собой фактическую слитую из жидкостного контура дозу теплоносителя с расчетной дозой и судят о качестве СТР КА. Техническим результатом изобретения является повышение качества изготовления жидкостного контура СТР в результате обеспечения более высокой точности и надежности контроля качества жидкостного контура в процессе изготовления, наземных испытаний и эксплуатации КА на орбите. 2 ил.

Изобретение относится к системам терморегулирования космических аппаратов. Способ изготовления СТР КА включает проверки суммарных негерметичностей жидкостного тракта и двухфазного контура перед заправкой их соответствующими теплоносителями. В процессе изготовления ДФК дополнительно контролируют с использованием пробного газа в вакуумной камере межполостную негерметичность между паровой полостью и жидкостной полостью капиллярного насоса, сообщив отвакуумированную жидкостную полость с течеискателем, обеспечив подачу в паровую полость пробного газа давлением, равным максимальному рабочему давлению аммиака. Перед запуском КА на орбиту с помощью специального программного обеспечения работы электрообогревателей компенсатора объема обеспечивают повышение минимального давления на входе в электронасосный агрегат до определенной величины, гарантирующей с высокой надежностью бескавитационную работу ЭНА в условиях эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы СТР КА в условиях длительной эксплуатации на орбите. 2 ил.

Наверх