Космический аппарат

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА). Устройство содержит отсеки с целевой аппаратурой, приборный, агрегатный с двигательной установкой, систему электропитания с солнечной батареей, комплекс автоматики и стабилизации напряжения, аккумуляторные батареи, установленные на теплообменных устройствах с образованием моноблоков, систему терморегулирования (СТР) с гидравлическими контурами и агрегатами для отбора, подвода и сброса тепла в виде термоплат и излучательных внешних радиаторов, включенными в контур указанной СТР. Моноблоки снабжены тепловыми трубами, расположенными параллельно на заданном расстоянии одна от другой. Концевые части этих труб образуют зоны конденсации и объединены пластиной из теплопроводящего материала в отдельные термоплаты. К термоплатам через теплопроводящий материал прикреплены трубки с капиллярной структурой, выполняющей роль капиллярного насоса и образующей зону испарения контурной тепловой трубы. Группы термоплат соединены параллельно между собой и подключены к внешнему излучательному радиатору с помощью трубопроводов, образуя автономный контур. Изобретение позволяет улучшить ресурсные характеристики, уменьшить массу и повысить надежность КА. 1 ил.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА).

В космической технике среди прочих стоит задача по увеличению срока активного существования КА. Наиболее трудные технические проблемы на этом пути возникают при проектировании автоматических КА.

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

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

Для продления срока службы (ресурса) АБ необходимо обеспечивать в процессе их работы требуемые температурные режимы в сравнительно узком диапазоне. Для низкоорбитальных КА оптимальный диапазон рабочих температур АБ, характеризующихся сравнительно высокими токами заряда и разряда, составляет, как правило, 10-25^oС (Система терморегулирования и рабочие характеристики аккумуляторных батарей для западно-европейских ИСЗ. Астронавтика и ракетодинамика, экспресс - информация, 6, с. 23-29, 1989). Кроме того, на ресурс АБ существенное влияние оказывает количество циклов "заряд - разряд".

Надежность работы СТР зависит от многих факторов, в том числе и от протяженности гидромагистралей, определяющей степень загрузки прокачивающих насосов. При этом крайне нежелательно производить расстыковку гидромагистралей в процессе проведения испытаний КА как на заводе, так и в эксплуатирующей организации.

Подобные операции могут привести к скрытым дефектам СТР: повреждение, изнашивание уплотнительных стыков, химическое изменение теплоносителя, загрязнение и коррозия гидромагистралей, - это повлечет отказы СТР, проявляющиеся в процессе штатной работы КА.

Известна система терморегулирования для искусственного спутника Земли (Патент США 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 негерметичных отсеках, что положительно сказывается на ресурсных характеристиках КА.

Недостатком аналога является то, что применение термоплат с циркулирующим теплоносителем приводит к увеличению массы КА, так как они имеют значительную площадь и толщину. Кроме того, использование термоплат с подключением их к гидромагистрали СТР ухудшает характеристики последней, так как увеличивается протяженность гидромагистрали с соответствующим увеличением гидравлического сопротивления, уменьшается надежность работы СТР, так как разгерметизация любой термоплаты однозначно выводит из строя СТР в целом.

Другим недостатком аналога является то, что при проведении наземных испытаний КА его СТР 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 (патент РФ 2144889 от 27.01.2000 г., прототип), содержащий отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный 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, по длине 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.

Данное техническое решение позволяет частично устранить недостатки аналога. При наземных испытаниях можно термостатировать КА без включения СТР, тем самым сохраняя необходимый ресурс СТР для штатной работы. Кроме того, возможно сохранение ресурса аккумуляторных батарей при использовании в процессе испытаний технологических АБ.

Недостатком прототипа является прежде всего то, что при замене технологических АБ на штатные или вышедших из строя АБ на исправные обязательно нужно расстыковать гидромагистраль с последующим проведением продолжительных и дорогостоящих испытаний СТР на герметичность. Это приводит к значительным неудобствам наземной эксплуатации КА. Также сохраняются недостатки, свойственные для аналога. Действительно, применение термоплат приводит к: увеличению массы КА из-за значительных геометрических размеров конструкции термоплаты; снижению надежности работы СТР в связи с появлением вероятности разгерметизации любой термоплаты и однозначного выхода из строя СТР в целом.

Задачей изобретения является повышение надежности работы СТР и уменьшение массы КА при прочих равных условиях, а также повышение удобств наземной эксплуатации КА.

Указанная задача решается тем, что в известном КА, содержащем отсек с целевой аппаратурой, отсек с приборами, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему электропитания, включающую в себя солнечную батарею, комплекс автоматики и стабилизации напряжения, аккумуляторные батареи, установленные на соответствующих теплообменных устройствах и объединенных с последними в моноблоки, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и агрегатами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе в виде термоплат и излучательных внешних радиаторов, включенных в контур указанной системы терморегулирования, каждый моноблок снабжен расположенными параллельно на заданном расстоянии друг от друга тепловыми трубами, концевые части тепловых труб, образующие зоны конденсации, объединены пластиной из теплопроводящего материала в отдельные термоплаты, при этом к каждой термоплате через теплопроводящий материал закреплена трубка с капиллярной структурой, выполняющей роль капиллярного насоса и образующей зону испарения контурной тепловой трубы, причем каждая группа термоплат соединена параллельно между собой и подключена к излучательному внешнему радиатору с помощью трубопроводов, образуя автономный контур.

На чертеже показано предлагаемое устройство КА.

Он состоит из отсека с целевой аппаратурой 1, приборного отсека 2, системы терморегулирования 3, агрегатного отсека 4 с размещенной в нем комплексной двигательной установкой 5, системы электропитания, содержащей аппаратуру регулирования 6, солнечную батарею 7 и аккумуляторные батареи 8. Аккумуляторные батареи 8 и соответствующие теплообменные устройства 9 образуют моноблоки, поскольку последние прикреплены к АБ стягивающими винтами (не показаны). Моноблоки установлены на конструкции агрегатного отсека 4. Теплообменное устройство 9 выполнено из тепловых труб 10, которые расположены в одной плоскости параллельно на заданном расстоянии друг от друга. При этом тепловые трубы 10 имеют плоскую поверхность для установки на них АБ 8. Поверхность тепловых труб под АБ 8 образует термоплату-испаритель 11. При этом концы тепловых труб 10 с обеих сторон жестко закреплены и объединены пластиной из теплопроводящего материала с образованием отдельной термоплаты 12. К каждой термоплате 12 через теплопроводящий материал, например пасту (не показано), закреплена трубка 13 с капиллярной структурой, выполняющей роль капиллярного насоса и образующей зону испарения контурной тепловой трубы 14. Каждая группа термоплат 12, соединенных между собой параллельно, составляет автономный контур, включающий в себя, кроме того, каналы 15 излучательного внешнего радиатора 16 и трубопроводы 17. Контурная тепловая труба образована путем последовательного соединения термоплаты 12, трубопроводов 17 и каналов 15 излучательного внешнего радиатора 16. Теплообменное устройство 9 по конструктивным соображениям может содержать транспортную зону тепловых труб 10, если термоплату-испаритель 11 и термоплату 12 нельзя установить на близком расстоянии друг от друга.

Тепловые трубы 10 и трубки 13 частично заполнены жидким аммиаком и герметизированы. При выделении АБ 8 некоторого количества тепла жидкий аммиак, испаряясь, забирает от него тепло и происходит охлаждение АБ 8.

В зоне тепловыделения АБ 8 размещена зона испарения тепловых труб, при этом расстояние между тепловыми трубами определяется плотностью теплового потока от АБ 8 к термоплате-испарителю 11. Зоны конденсации тепловых труб 10 каждой термоплаты 12 объединены пластиной из теплопроводящего материала. Для обеспечения гарантированного захолаживания радиатора 16 на его поверхности обеспечиваются определенные оптические коэффициенты.

Принцип работы средств обеспечения теплового режима АБ 8 состоит в следующем. Тепловая энергия, выделяемая АБ 8, передается тепловым трубам 10. Теплоноситель в виде жидкого аммиака, циркулирующий внутри тепловых труб 10, воспринимая эту тепловую энергию, частично или полностью испаряется с сохранением заданной температуры места установки АБ 8. Испарившийся теплоноситель поступает в зону конденсации тепловых труб 10, где происходит конденсация теплоносителя с передачей тепловой энергии теплопроводной пластине. Далее, за счет кондуктивной теплопередачи, тепловая энергия передается в зону испарения контурной тепловой трубы на капиллярный насос, где происходит испарение теплоносителя контурной тепловой трубы. Капиллярный насос представляет собой трубку 13 с капиллярной структурой (см. авторское свидетельство СССР 1779648) и позволяет преодолевать большие гидравлические сопротивления при движении теплоносителя, тем самым разносить зоны испарения и конденсации контурной тепловой трубы на большие расстояния. Испарившийся в зоне испарения контурной тепловой трубы теплоноситель поступает в каналы 15 внешнего излучающего радиатора 16, где происходит его конденсация и сброс тепла в космическое пространство. Сконденсировавшийся теплоноситель за счет давления нагнетания, развиваемого капиллярным насосом, поступает по трубке обратно в зону испарения контурной тепловой трубы. Затем процесс повторяется вновь.

Предлагаемая конструкция КА позволяет полностью и эффективно решать поставленную задачу.

Уменьшение массы КА достигается за счет использования относительно тонких и легких тепловых труб 10 в качестве теплопередающего элемента теплообменного устройства 9 аккумуляторных батарей 8. При этом не требуется дополнительных устройств для охлаждения АБ 8 в процессе наземных испытаний. Поскольку аккумуляторные батареи 8 закреплены вдоль стенки агрегатного отсека, то тепловые трубы 10 оказываются практически в вертикальном положении при проведении испытаний КА, а их испарительная зона будет расположена ниже, чем зоны конденсации одного из краев тепловых труб 10. Это означает, что жидкая фаза аммиака находится внизу, контактируя теплопроводностью с аккумуляторной батареей 8, газообразная - вверху, контактируя теплопроводностью с термоплатой 12. Таким образом, в наземных условиях теплообменное устройство 9 работает так же эффективно, так как его тепловые трубы 10 функционируют как термосифоны.

Повышение надежности СТР, а значит и увеличение ее ресурса, достигается за счет уменьшения протяженности гидромагистрали СТР, так как тепловые трубы 10 и дублированные контурные тепловые трубы, включая каналы внешнего излучательного радиаторов 15 (не показаны), не связаны гидравлически с контурами СТР, а также за счет отсутствия влияния на работоспособность СТР факта разгерметизации некоторого количества тепловых труб 10 или даже одного из каналов 15 внешнего излучательного радиатора 16.

Увеличение ресурса аккумуляторных батарей 8 может быть достигнуто за счет использования в процессе испытаний технологических АБ 8, поскольку монтаж и демонтаж АБ 8 не требуют разборки и разгерметизации гидромагистралей СТР. Этот факт способствует повышению как надежности СТР, так и удобства наземной эксплуатации КА.

Таким образом, применение предлагаемого космического аппарата позволит существенно повысить надежность СТР и КА в целом и уменьшить массу, а также повысить удобства наземной эксплуатации КА.

Формула изобретения

Космический аппарат, содержащий отсек с целевой аппаратурой, отсек с приборами, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему электропитания, включающую в себя солнечную батарею, комплекс автоматики и стабилизации напряжения, аккумуляторные батареи, установленные на соответствующих теплообменных устройствах, объединенных с последними в моноблоки, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и агрегатами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе в виде термоплат и излучательных внешних радиаторов, включенными в контур указанной системы терморегулирования, отличающийся тем, что каждый моноблок снабжен расположенными параллельно на заданном расстоянии одна от другой тепловыми трубами, концевые части тепловых труб, образующие зоны конденсации, объединены пластиной из теплопроводящего материала в отдельные термоплаты, при этом к каждой термоплате через теплопроводящий материал закреплена трубка с капиллярной структурой, выполняющей роль капиллярного насоса и образующей зону испарения контурной тепловой трубы, причем каждая группа термоплат соединена параллельно между собой и подключена к внешнему излучательному радиатору с помощью трубопроводов, образуя автономный контур.

РИСУНКИ

Рисунок 1