Система терморегулирования теплового макета космического аппарата

 

Изобретение относится к космической технике, и в частности к системе терморегулирования теплового макета космического аппарата. Согласно изобретению система содержит гидроблок с устройствами измерения расхода и давления теплоносителя в жидкостном тракте, установленными в гермоконтейнере, снабженном компенсатором объема и клапаном-регулятором расхода жидкости (перед входом радиатора, с одним входом и двумя выходами), жидкостные платы приборов - снаружи гермоконтейнера. Система выполнена из двух блоков, на входе и выходе жидкостных трактов которых установлены гидравлические разъемы: блока переменного состава - с указанными жидкостными платами и компенсационным устройством и блока постоянного состава - с гермоконтейнером, гидроблоком, компенсатором объема и радиатором, имеющим клапан-регулятор, выходы которого соединены с входом в радиатор через регулируемые дроссели, а с собственным входом - через обратные клапаны. Для испытаний каждого нового космического аппарата изготавливают только блок переменного состава и тепловые имитаторы приборов на платах и к одному из гидравлических разъемов присоединяют заправленное компенсационное устройство. Изобретение направлено на повышение технологических и эксплуатационных характеристик системы терморегулирования. 2 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к системе терморегулирования (СТР) теплового макета космического аппарата (КА).

В настоящее время отработка, демонстрация работоспособности и предельных возможностей СТР, в частности, связных спутников, в условиях, приближенных в реальным, проводятся в процессе тепловакуумных испытаний (ТВИ) тепловых макетов (ТМ) - полномасштабных тепловых моделей КА, содержащих штатную (натурную) СТР (см. монографию О.Б. Андрейчук, Н.Н. Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М., "Машиностроение", 1982 г., стр. 72 - 73).

Анализ источников информации по патентной и научно-технической информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является газожидкостная СТР (пример передачи тепла двумя теплоносителями) ТМ КА, описанная на стр. 14 - 16, рис. 2.3 (см. вышеупомянутую монографию), согласно которой в общем случае одноконтурная СТР с двумя теплоносителями имеет вид, изображенный на фиг. 2.

Известная газожидкостная СТР ТМ КА, конструктивно выполненная как единое целое, содержит: вентилятор 1, гермоконтейнер 2, в котором установлены электрообогреватель газа и тепловые имитаторы приборов 3, газожидкостный теплообменник 4, гидроблок 5 с коммутаторами его электроприводов 6, компенсатор объема 7, наружный радиатор 8, основной клапан-регулятор 9 (поз. 10 - резервный клапан-регулятор, поз. 11 - переключатель с основного на резервный), предназначенные для изменения расхода жидкого теплоносителя через наружный радиатор путем перепуска части его через обводную (байпасную) линию при постоянном расходе через газожидкостный теплообменник, и жидкостные платы 12, расположенные снаружи гермоконтейнера и предназначенные для снятия избыточного тепла с тепловых имитаторов приборов (например, ретранслятора), установленных на них.

Сравнительный анализ показал, что существенными недостатками известного решения являются: 1. Невысокая эксплуатационная характеристика СТР ТМ КА, связанная с невозможностью определения при ТВИ предельных возможностей СТР в части определения предельно допустимых температуры и расхода жидкого теплоносителя через жидкостные платы для обеспечения теплового режима приборов ретранслятора, т.к. в известном техническом решении клапан-регулятор через жидкостные платы поддерживает постоянный расход теплоносителя, в то время, как в условиях орбитального функционирования спутника при длительном сроке активного существования (5 лет и более) из-за постепенного износа гидронасоса расход теплоносителя в жидкостном тракте СТР уменьшается.

2. Одновременно сложность СТР ТМ КА, обусловленная тем, что в настоящее время в связи с возросшими сроками активного существования связных спутников (5 лет и более) их изготавливают единично и на последующих новых спутниках новый ретранслятор (с антеннами) отличается от предыдущего тепловыделением и, как правило, количеством жидкостных плат (приборов), их размерами и местом расположения снаружи гермоконтейнера, а приборы других служебных систем (например, системы телеметрии), расположенные в гермоконтейнере, заимствуются с предыдущего спутника, и для каждого такого нового спутника (с новым ретранслятором и заимствованными приборами служебных систем в гермоконтейнере) необходимо изготавливать каждый раз ТМ его и, следовательно, каждый раз штатную (натурную) СТР.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что СТР выполнена из двух блоков, на входе и выходе жидкостных трактов которых установлены разъемы гидравлические: блока с переменным составом, включающим в себя жидкостные платы приборов и компенсационное устройство, и блока с постоянным составом, включающим в себя гермоконтейнер, гидроблок, компенсатор объема, радиатор, содержащий электрообогреватель его жидкостного тракта, и клапан-регулятор, вторые выходы которого соединены со входом в радиатор через регулируемые дроссели, а с собственным входом - через обратные клапаны, 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 ТМ КА изображена на фиг. 1.

Предлагаемая СТР состоит из двух блоков, которые включают в себя следующие элементы: - блока с переменным составом, содержащим на выходе и входе в жидкостный тракт разъемы гидравлические 1 и 2 (предназначены для соединения с разъемами гидравлическими блока с постоянным составом); компенсаицонное устройство 3, соединенное с одним из разъемов гидравлических (предназначено для компенсации температурного изменения объема теплоносителя в жидкостном тракте при хранении блока) и последовательно (параллельно) соединенные жидкостные платы приборов 4 (предназначены для отвода избыточного тепла от прикрепленных к ним тепловых имитаторов приборов); - блока с постоянным составом, содержащим на выходе и входе в жидкостный тракт разъемы гидравлические 5 и 6 (предназначены для соединения с разъемами гидравлическими блока с переменным составом); гидроблок 7, два гидронасоса которого электрически соединены со своими коммутаторами электроприводов 8, установленными в гермоконтейнере 9, включающим в свой состав электрообогреватель газа для поддержания при ТВИ температуры газа в гермоконтейнере в требуемом диапазоне (гидроблок предназначен для создания циркуляции теплоносителя в тракте); трубку Вентури 10, соединенную с датчиком перепада давлений 11 и датчиком давления 12, установленные в гермоконтейнере (предназначены для измерения расхода и давления теплоносителя при ТВИ): компенсатор объема 13 (предназначен для компенсации температурного изменения объема теплоносителя при хранении блока и ТМ); радиатор, включающий в свой состав электрообогреватель его жидкостного тракта 14 (предназначен для отвода избыточного тепла излучением в термобарокамере при ТВИ и обеспечения любой требуемой температуры теплоносителя на его выходе, например, от минус 90 до 50^oC, в результате суммарного воздействия излучения тепла с его поверхности и количества подводимого к жидкостному тракту от обогревателя тепла); клапан-регулятор 15 (предназначен для изменения расхода теплоносителя от максимально возможного для конкретного спутника для минимально возможного с точки зрения обеспечения теплового режима приборов, установленных на жидкостных платах), регулируемые дроссели 16 и 17, установленные после первого и второго выходов клапана-регулятора (предназначены: 1) при нормальном функционировании клапана-регулятора дроссель 17 предназначен для исключения расхода через второй выход его, а дроссель 16 предназначен для создания такого дополнительного сопротивления в жидкостном тракте, которое обеспечивает максимально возможный расход теплоносителя при ТВИ при полностью открытом первом выходе клапана-регулятора, реализующийся при эксплуатации конкретного спутника на орбите; 2) при отказе в процессе проведения ТВИ ТМ КА, проводимых в смежной организации, клапана-регулятора (что вероятно, т.к. блок с постоянным составом будет использоваться для проведения ТВИ многократно в течение 10 - 15 лет), например, из-за отказа его электропривода клапан-регулятор остановился в таком положении, что первый его выход закрыт полностью, дроссель 17 предназначен для создания требуемого дополнительного гидравлического сопротивления и, следовательно, уменьшения расхода теплоносителя в жидкостном тракте до требуемого при ТВИ); обратные клапаны 18, установленные между вторыми выходами клапана-регулятора и его входом (предназначены для пропускания избыточного объема теплоносителя, образующегося при повышении температуры теплоносителя, находящегося в замкнутом объеме между полностью закрытыми выходами клапана-регулятора при его крайних положениях и закрытом дросселе (16 или 17), только в одном направлении - от выходов клапана-регулятора к его входу). (Устройства измерения расхода и давления теплоносителя и коммутаторы гидроблока в вакууме не работоспособны, поэтому они установлены в гермоконтейнере).

Работа предложенной СТР ТМ КА происходит следующим образом (см. фиг. 1).

Изготавливают постоянный блок СТР ТМ, у которого гидроблок и радиатор имеют соответствующие запасы по расходу теплоносителя и отводимой излучением тепловой мощности, и заправляют теплоносителем, после чего его используют многократно с различными переменными блоками СТР ТМ вновь разрабатываемых спутников.

Для каждого вновь разрабатываемого связного спутника вновь изготавливают только переменный блок СТР ТМ и тепловые имитаторы приборов ретранслятора, прикрепляемые к жидкостным платам 4. Заправляют жидкостный тракт блока теплоносителем и присоединяют к одному из разъемов гидравлических 1 или 2 заправленное теплоносителем компенсационное устройство.

Перед проведением ТВИ для исключения влияния компенсационного устройства 3 на тепловой режим ТМ в процессе ТВИ его от переменного блока СТР отсоединяют и постоянный блок СТР присоединяют к переменному блоку СТР по разъемам гидравлическим (1 и 5, 2 и 6) и образуется СТР ТМ, а совместно с имитаторами приборов - ТМ конкретного спутника, предназначенный для проведения ТВИ.

ТМ устанавливают в термобарокамере и начинают ТВИ: включают в работу один из гидронасосов гидроблока и необходимые величины расхода теплоносителя, в том числе минимальные предельные, устанавливают соответствующим изменением положения клапана-регулятора, а также регулируемых дросселей, а необходимые температуры теплоносителя на входе в жидкостные платы приборов - изменением тепловой мощности электрообогревателя жидкостного тракта радиатора, температуру газа в гермоконтейнере - изменением тепловой мощности его электрообогревателя. При этом тепловые имитаторы ретранслятора выделяют тепловую мощность согласно работе ретранслятора в условиях орбитального функционирования спутника, а тепловые имитаторы заимствованных приборов в гермоконтейнер не устанавливают, т.к. работоспособность их подтверждена при предыдущих ТВИ и орбитальном функционировании спутника, с которого они заимствованы.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате выполнения СТР ТМ согласно предложенному авторами техническому решению упрощается конструкция и изготовление собственно СТР и ТМ в целом в результате выполнения СТР из переменного блока, изготавливаемого для вновь разрабатываемого спутника, и постоянного блока, используемого в течение 10 - 15 лет многократно с различными переменными блоками, и исключения из состава СТР вентилятора, газожидкостного теплообменника и резервного клапана-регулятора и связанного с его наличием перепускного клапана, тепловых имитаторов заимствованных приборов, а в процессе проведения ТВИ в результате наличия в составе СТР клапана-регулятора с регулируемыми дросселями и обратными клапанами и электрообогревателя жидкостного тракта радиатора через жидкостные платы приборов ретранслятора можно реализовать различное сочетание расходов и температуры теплоносителя, в том числе минимально возможного расхода и максимально возможной температуры теплоносителя, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которой будет изготавливаться СТР теплового макета вновь создаваемого связного спутника.

Формула изобретения

Система терморегуляции теплового макета космического аппарата, содержащая гидроблок с коммутатором его электроприводов и устройствами измерения расхода и давления теплоносителя в жидкостном тракте, установленными в гермоконтейнере, включающем в себя электрообогреватель газа, компенсатор объема, клапан-регулятор расхода жидкости, установленный перед входом радиатора и имеющий один вход и два выхода, жидкостные платы приборов, установленные снаружи гермоконтейнера, отличающаяся тем, что система выполнена из двух блоков, на входе и выходе жидкостных трактов которых установлены гидравлические разъемы: блока с переменным составом, включающего в себя указанные жидкостные платы приборов и компенсационное устройство, и блока с постоянным составом, включающего в себя указанные гермоконтейнер, гидроблок, компенсатор объема, радиатор, содержащий электрообогреватель его жидкостного тракта, и клапан-регулятор, выходы которого соединены с входом в радиатор через регулируемые дроссели, а с собственным входом - через обратные клапаны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2