Космический аппарат

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА). Согласно изобретению, КА содержит отсеки с целевой и служебной аппаратурой, систему электропитания с аккумуляторными батареями (в агрегатном отсеке) и систему терморегулирования. Последняя включает в себя приборы для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненные в виде термоплат с гидравлическими каналами. При этом на днище каждой батареи закреплена образующая с ней моноблок термоплата. Моноблок закреплен в агрегатном отсеке с помощью узлов, выполненных в корпусе каждой батареи. В термоплате каждого моноблока выполнены дополнительные гидравлические каналы, соединенные между собой трубопроводами. Данные каналы и трубопроводы образуют автономную разомкнутую магистраль. Изобретение позволяет упростить технологию наземных испытаний КА, ограничить монтажные работы с КА в полевых условиях и улучшить ресурсные характеристики систем электропитания и терморегулирования КА. 2 ил.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при проектировании космических аппаратов.

Космическая техника среди прочих ставит перед собой задачу по увеличению срока активного существования создаваемых космических аппаратов (КА). Наиболее трудные технические проблемы на этом пути возникают при проектировании автоматических КА.

Как известно (Космические аппараты. Под общей редакцией К.П.Феоктистова, М. , Воениздат, 1993), космический аппарат представляет собой техническое устройство, состоящее, как правило, из целевой аппаратуры и обеспечивающих систем. В качестве целевой аппаратуры могут быть использованы оптические, оптико-электронные, радиотехнические или иные системы, позволяющие непосредственно выполнять поставленную перед КА задачу. В число обеспечивающих систем входят: комплексная двигательная установка (КДУ), система электропитания (СЭП), бортовой комплекс управления (БКУ), система терморегулирования (СТР) и другие системы в зависимости от типа и назначения КА.

К числу систем современных КА, существенно влияющих на его срок активного существования, относятся в первую очередь СЭП и СТР. У систем электропитания наиболее слабым звеном являются аккумуляторные батареи (АБ) а у СТР - подвижные электромеханические устройства (вентиляторы, насосы и т.д.).

Для продления срока службы АБ очень важно обеспечивать в процессе их работы требуемые температурные режимы, при этом особенно важно поддерживать температуру в сравнительно узком диапазоне. Оптимальный диапазон рабочих температур для АБ, предназначенных для установки на борту низкоорбитальных КА и характеризующихся сравнительно высокими токами заряда и разряда, должен составлять 10-25^oC (Система терморегулирования и рабочие характеристики аккумуляторных батарей для западно-европейских ИСЗ. Астронавтика и ракетодинамика, экспресс-информация, N 6, стр. 23-29, 1989).

Конструктивно СТР представляет собой систему соединенных магистралями агрегатов и элементов, осуществляющих подвод или отвод тепловой энергии от элементов КА за счет циркуляции теплоносителя. В большинстве случаев используются конвективные СТР, состоящие из одного или нескольких замкнутых контуров и обеспечивающие передачу теплоты из гермоотсеков КА через промежуточные теплообменники в окружающую среду. Сброс теплоты излучением осуществляется с поверхности радиатора, по каналам которого циркулирует промежуточный теплоноситель. Все длительно работающие КА снабжены радиационными теплообменниками (В.В.Малоземцев. Оптимизация систем терморегулирования космических аппаратов, М., Машиностроение, 1988).

Известен космический аппарат (Б.М.Панкратов. Основы теплового проектирования транспортных космических систем, М., Машиностроение, 1988), содержащий отсек целевой аппаратуры, герметичный приборный отсек, внутри которого размещены устройства обеспечивающих систем, агрегатный отсек с КДУ, СТР с внешними радиаторами. В данном КА аккумуляторные батареи располагаются в приборном отсеке и охлаждаются воздушным потоком. Сброс тепла в окружающую среду осуществляется через внешние радиаторы, по каналам которых циркулирует жидкий теплоноситель. Часть радиаторов устанавливается в АО для обогрева КДУ. С помощью радиаторов может быть обеспечен температурный режим спецаппаратуры.

Недостатком подобного КА является то, что в герметичном приборном отсеке требуется поддержание заданного давления среды в течение срока существования КА, создание свободных зон для обеспечения циркуляции воздушного потока без застоя. Кроме того, трудно обеспечить узкий диапазон изменения температур АБ как в процессе проведения наземных испытаний, так и при штатной работе, что отрицательно сказывается на сроке активного существования КА в целом.

Известна система терморегулирования для искусственного спутника Земли (Патент США N 4880050, F 28 D 15/00, 1989, аналог), которая для эффективного отвода тепла от оборудования к внешним радиационным панелям снабжена термоплатами. В данном техническом устройстве наиболее важные приборы могут быть установлены на термоплаты, по каналам которых циркулирует жидкий теплоноситель. Такой способ охлаждения приборов позволяет существенно сузить диапазон изменения рабочих температур до оптимальных значений и обеспечить тепловой режим бортовой аппаратуры, расположенной как в герметичном, так и в негерметичном отсеках, что положительно сказывается на ресурсных характеристиках КА.

Недостатком аналога является то, что при проведении наземных испытаний система терморегулирования должна быть постоянно включена для охлаждения систем КА. Продолжительные наземные испытания КА в этом случае приводят к ограничению ресурса СТР, а значит и к уменьшению срока активного существования КА.

Известен космический аппарат (прототип, 46КС-65-104-97 Т3, ЦСКБ, Самара), содержащий отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный отсек с расположенными в нем обеспечивающими и иными устройствами, агрегатный отсек с КДУ, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненным в виде термоплат с входными и выходными штуцерами, систему электропитания, состоящую из располагаемой на внешних элементах конструкции КА солнечной батареи, комплекса автоматики и стабилизации напряжения, установленного в приборном отсеке, и герметичных АБ, размещенных в АО.

На фиг. 1 показано устройство прототипа. Известный КА состоит из: отсека с целевой аппаратурой 1, герметичного приборного отсека 2, системы терморегулирования 3, агрегатного отсека 4 с размещенной в нем КДУ 5, системы электропитания, содержащей комплекс автоматики и стабилизации напряжения 6, солнечную батарею 7 и аккумуляторные батареи 8. Аккумуляторные батареи 8 установлены на предварительно смонтированные термоплаты 9, имеющие входной 10 и выходной 11 штуцеры. Штуцеры соединены между собой трубопроводами 12. Трубопроводы 12 и каналы 13, выполненные в термоплатах 9, образуют гидравлическую магистраль, которая последовательно встроена в контур СТР 3.

Система терморегулирования 3 обеспечивает температурный режим АБ 8 с помощью термоплат 9. При этом приборный отсек 2 охлаждается конвективным способом, т. е. приборы обдуваются воздухом, передача тепла теплоносителю происходит через газожидкостные теплообменники, а сброс тепла в окружающую среду осуществляется через внешние радиаторы.

Аккумуляторные батареи 8 установлены в АО 4, что существенно уменьшает плотность размещения приборов в отсеке 2 или требуемый объем герметичнеого отсека. При этом АБ должны быть герметичными и конструктивно выполненными для охлаждения термоплатами. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют инкель-водородные АБ.

Основным недостатком прототипа является сложная технология монтажа АБ в АО и ухудшение ресурсных характеристик КА в процессе проведения наземных испытаний.

Допустим, что АБ 8 устанавливаются в АО 4 на термоплаты 9 до начала наземных испытаний на заводе-изготовителе (ЗИ) космического аппарата. Тогда штатные СТР 3 и АБ 8 должны быть включены постоянно во время проведения испытаний, что ухудшает ресурсные характеристики обеих систем КА в целом.

Допустим, что АБ 8 устанавливаются на термоплаты 9 после проведения наземных испытаний. При этом вместо штатных АБ 8 можно использовать технологические АБ, которые охлаждаются с помощью автономных наземных систем обеспечения теплового режима. В этом случае достигается улучшение ресурсных характеристик СТР и СЭП. Однако подобный выигрыш порождает новые технические и технологические проблемы. Действительно, проведение работ по установке АБ в полевых условиях сложно выполнить качественно, поскольку в АО размещены КДУ и другие устройства, которые затрудняют проведение монтажных работ обслуживающим персоналом. Кроме того, в этих условиях нельзя обеспечить закрепление АБ 8 к термоплате 9 таким образом, чтобы был надежный термоконтакт между ними, так как термоплаты 9 расположены на внутренней стенке АО 4. А необходимость проведения подстыковки трубопроводов 12 к штуцерам 10 и 11 на последнем этапе испытаний повышает вероятность разгерметизации основной магистрали СТР в процессе эксплуатации КА и выхода СТР 3 из строя. Поэтому подобная технология проведения наземных испытаний и монтаж АБ и трубопроводов СТР крайней нежелательны.

Задачей изобретения является упрощение технологии проведения наземных испытаний КА, ограничение монтажных работ на КА в полевых условиях, а также улучшение ресурсных характеристик систем электропитания и терморегулирования и КА в целом.

Указанная задача решается тем, что в известном КА, содержащем отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный отсек, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненными в виде термоплат с гидравлическими каналами, включенными в контур указанной системы терморегулирования, систему электропитания, включающую в себя солнечную батарею, установленный в приборном отсеке комплекс автоматики и стабилизации напряжения, а также размещенные в агрегатном отсеке аккумуляторные батареи, на днище каждой аккумуляторной батареи закреплена образующая с ней моноблок термоплата, узлы крепления моноблока к конструкции агрегатного отсека выполнены в корпусе каждой аккумуляторной батареи, а в термоплате каждого моноблока выполнены дополнительные гидравлические каналы, соединенные между собой с помощью трубопроводов, при этом указанные каналы и трубопроводы образуют автономную разомкнутую магистраль.

На фиг. 2 показано предлагаемое устройство КА. Он состоит из отсека с целевой аппаратурой 1, герметичного приборного отсека 2, системы терморегулирования 3, агрегатного отсека 4 с размещенной в нем комплексной двигательной установкой 5, системы электропитания, содержащей комплекс автоматики и стабилизации напряжения 6, солнечную батарею 7 и аккумуляторные батареи 8. Аккумуляторные батареи 8 и соответствующие термоплаты 9 образуют моноблок, поскольку последние прикреплены к АБ стягивающими винтами (на чертеже не показано). Моноблоки установлены на конструкции агрегатного отсека, причем узлы крепления 18 выполнены в корпусе АБ. Штуцеры 10 и 11 вместе с трубопроводами 12 и каналами 13, выполненными в термоплате, образуют разомкнутую гидравлическую магистраль, которая последовательно встроена в контур СТР 3. Трубопроводы 14, каналы 15, выполненные параллельно каналам 13 в термоплате 9, образуют свою разомкнутую магистраль. Для подсоединения трубопроводов 14 и каналов 15 служат входные 16 и выходные 17 штуцеры.

Система терморегулирования 3 обеспечивает температурный режим АБ 8 с помощью термоплат 9. При этом приборный отсек 2 охлаждается конвективным способом.

Наличие дополнительных каналов 15 со штуцерами 16 и 17 и выполнение узлов крепления 18 моноблока к конструкции АО 4 на АБ 8 позволяет полностью решить поставленную задачу.

Допустим, АБ 8 устанавливаются вместе с термоплатами 9 до начала наземных испытаний. В этом случае на всех этапах испытаний можно использовать для охлаждения АБ 8 дополнительные (технологические) каналы 15, включив их последовательно или последовательно-параллельно в контур наземного устройства обеспечения теплового режима. При этом СТР не включается, а значит ее ресурсные характеристики не ухудшаются. Предварительное закрепление термоплаты 9 к соответствующей АБ 8 до их установки в АО 4 обеспечивает надежный контакт с точки зрения теплосъема. Применение термоплаты в процессе наземных испытаний создает оптимальные тепловой режим АБ 8, что позволяет сохранять ресурсные характеристики АБ 8. Кроме того, исключаются монтажные работы в полевых условиях. С целью сохранения ресурсных характеристик АБ 8 на ЗИ можно использовать технологические аккумуляторные батареи, а штатные батареи устанавливать после завершения испытаний на ЗИ.

Наличие дополнительных каналов 15 и штуцеров 16 и 17 не ухудшает массогабаритные характеристики моноблока, т.к. увеличение массы термоплаты 9 за счет штуцеров 16 и 17 компенсируется уменьшением массы термоплаты 9 за счет выполнения в ней дополнительных каналов 15. Трубопроводы 14 после проведения наземных испытаний можно демонтировать.

Каналы 13 и 15 в термоплате могут выполняться в металлической термоплате параллельно и иметь U-образную форму. Подобная форма каналов обеспечивает надежный теплосъем с никель-водородных аккумуляторных батарей.

Таким образом, применение предлагаемого устройства КА позволяет упростить технологию проведения испытаний, ограничить монтажные работы на КА в полевых условиях, а также улучшить ресурные характеристики систем электропитания и терморегулирования и КА в целом.

Формула изобретения

Космический аппарат, содержащий отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный отсек, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненными в виде термоплат с гидравлическими каналами, включенными в контур указанной системы терморегулирования, систему электропитания, включающую в себя солнечную батарею, установленный в приборном отсеке комплекс автоматики и стабилизации напряжения, а также размещенные в агрегатном отсеке аккумуляторные батареи, отличающийся тем, что на днище каждой аккумуляторной батареи закреплена образующая с ней моноблок термоплата, узлы крепления моноблока к конструкции агрегатного отсека выполнены в корпусе каждой аккумуляторной батареи, а в термоплате каждого моноблока выполнены дополнительные гидравлические каналы, соединенные между собой с помощью трубопроводов, при этом указанные каналы и трубопроводы образуют автономную разомкнутую магистраль.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

QZ4A Регистрация ходатайства об отзыве заявления об открытой лицензии

(54) КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

(73) Патентообладатель:Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» (RU)

Дата регистрации ходатайства об отзыве заявления об открытой лицензии: 27.02.2012

Дата публикации: 20.03.2012

---