Способ обеспечения теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации и устройство для осуществления его

Изобретение относится к спутникам связи, телевещания и ретрансляции информации и, более конкретно, к системам обеспечения их теплового режима. Предлагаемый способ заключается в том, что бортовой прибор с концентрированным источником тепла (КИТ) размещают во внутренней полости теплоизолированного замкнутого жидкостно-радиационного теплообменника, а избыточное тепло от КИТ удаляют в магистраль оборотного водоснабжения предприятия. В предлагаемом устройстве вход и выход жидкостной полости указанного теплообменника, внутри которого размещен прибор с КИТ, соединены трубопроводами с напорной и отводной линиями оборотного водоснабжения предприятия. До входа и выхода указанной жидкостной полости, ниже уровня теплообменника в соединительных трубопроводах установлены дренажные и отсечные вентили. Параметры трубопровода от напорной линии оборотного водоснабжения до входа указанной жидкостной полости выбраны по специальному условию. Коробчатый жидкостно-радиационный теплообменник состоит из двух секций с двойной стенкой: основания и колпака, жидкостные полости которых сообщены дренажными отверстиями, имеющими запорные элементы, с атмосферой. Технический результат изобретения состоит в упрощении процесса и средств обеспечения требуемого теплового режима спутника, имеющего в своем составе прибор с КИТ, при его наземных испытаниях, а также в снижении сопутствующих экономических затрат. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к спутникам связи, телевещания и ретрансляции информации.

В настоящее время тепловой режим отечественных спутников связи, телевещания и ретрансляции информации типа "Экспресс" (например, с тепловыделением 1500 Вт) при наземных электрических испытаниях эффективно обеспечивается, используя способы отвода избыточного тепла из бортовой жидкостной системы терморегулирования (СТР) через жидкостно-жидкостный теплообменник в специально созданные для этих целей наземные системы обеспечения теплового режима (СОТР), представляющие из себя замкнутые жидкостные (или двухфазные) циркуляционные контуры автоматического регулирования, включающие в себя, в частности, электронасосный агрегат, компенсатор объема (гидроаккумулятор), регулятор расхода теплоносителя, холодильный агрегат, пульт управления и регулирования (см. патенты Российской Федерации 2132805, 2144893, по заявке 96105429 от 23.03.1996 г.).

Анализ, проведенный авторами, показал, что в случае, когда при наземных испытаниях в составе спутника с мощным тепловыделением (например, 3500 Вт) имеется прибор с концентрированным источником тепла (например, балластное сопротивление для сброса избыточной электроэнергии, когда спутник функционирует в переходных или дежурном режимах и энергопотребление приборов сведено к минимуму) с повышенной рабочей температурой (например, 700°С) по сравнению с рабочей температурой других (остальных) приборов, установленных на борту спутника на жидкостных термостатируемых платах СТР (например, не более 50°С), известные способы и устройства обладают общими существенными недостатками, а именно: в этом случае для отвода избыточного тепла от балластного сопротивления (например, до 3500 Вт) при наземных испытаниях необходимо вновь создать на базе известных способа и устройства специально предназначенную для этой цели вторую СОТР, подобную вышеуказанной, и из-за этого обеспечение теплового режима спутника существенно усложняется (будет использоваться две СОТР), и при этом возрастут также существенно материальные и финансовые затраты.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близкими по технической сути прототипами предлагаемого технического решения являются способ обеспечения теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации при наземных испытаниях, выполненный на базе патента Российской Федерации по заявке 96105429 от 23.03.1996 г., и устройство для обеспечения теплового режима спутника, выполненное на базе патента Российской Федерации 2144893.

Таким образом, известный способ обеспечения теплового режима мощного спутника, в составе которого имеется прибор с концентрированным источником тепла, при наземных испытаниях включает в себя следующие процессы (см. фиг.4):

- отвод избыточного тепла от работающих приборов, установленных на борту спутника 9 на термостатируемых (например, жидкостных) платах 3.1, в специальную наземную автоматическую систему обеспечения теплового режима 1 спутника;

- отвод избыточного тепла от балластного сопротивления 5:

1) естественной конвекцией окружающего воздуха и излучением в окружающее пространство при тепловыделении спутника 1500 Вт (т.к. тепловыделение существующих спутников относительно небольшое, например 1500 Вт, то и тепловыделение балластного сопротивления в переходных режимах работы спутника также не превышает вышеуказанной величины, и при этом температура потока воздуха, как показывают расчеты и результаты испытаний, после обтекания балластного сопротивления не будет выше максимально допустимой (не более 50°С) для окружающего спутник воздуха);

2) во вторую специальную наземную автоматическую систему обеспечения теплового режима 4 балластного сопротивления 5 при тепловыделении спутника, например, 3500 Вт (анализ, проведенный на этапе разработки вновь создаваемого спутника с большим тепловыделением (3500 Вт), показал, что при таких тепловыделениях рабочая температура балластного сопротивления достигнет до 700°С, и температура потока воздуха после обтекания его повысится до 80°С, и воздух с такой температурой при подъеме вверх будет обтекать элементы спутника, что недопустимо, т.к. максимальная температура окружающего спутник воздуха при наземных испытаниях не должна превышать 50°С. Следовательно, для отвода избыточного тепла от балластного сопротивления необходимо разработать и изготовить согласно известным способу и устройству второе устройство для обеспечения теплового режима балластного сопротивления, что приведет к существенному усложнению и удорожанию обеспечения теплового режима спутника при наземных испытаниях).

Известное устройство для обеспечения теплового режима спутника с тепловыделением 3500 Вт, имеющего в своем составе балластное сопротивление, включает в себя следующие основные элементы (см. фиг.5):

- первую наземную систему обеспечения теплового режима 1 (1.1 - блок управления и регулирования; 1.2 - электронасосный агрегат; 1.3 - компенсатор объема (гидроаккумулятор); 1.4 - холодильник; 1.5 - регулятор расхода теплоносителя; 1.6, 1.7 - гидроразъемы);

- жидкостно-жидкостный теплообменник 2 (2.1-2.4 - гидроразъемы), один из жидкостных контуров которого подключен к СОТР, а другой жидкостный контур его сообщен с жидкостным трактом бортовой СТР 3.1 спутника 9 (3.2-3.3 - гидроразъемы);

- вторую наземную систему обеспечения теплового режима 4 (4.1 - блок управления и регулирования; 4.2 - электронасосный агрегат; 4.3 - компенсатор объема (гидроаккумулятор); 4.4 - холодильник; 4.5 - регулятор расхода теплоносителя; 4.6-4.9 - гидроразъемы; 4.10 - жидкостная термостатируемая плата, на которой установлено балластное сопротивление 5).

Таким образом, как следует из вышеизложенного, существенными недостатками известных способа обеспечения теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации и устройства для осуществления его являются их сложность (необходимо избыточное тепло отводить в две специальные автоматические системы регулирования с относительно сложной их конструкцией) и обусловленные этим высокие экономические затраты при реализации в производстве.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Проведенный авторами анализ показал, что устранение вышеуказанных существенных недостатков и решение вышеупомянутой задачи достигаются следующим образом.

1. Прибор с концентрированным источником тепла размещают во внутренней полости замкнутого жидкостно-радиационного теплообменника и избыточное тепло, выделяющееся при его работе, удаляют в магистраль оборотного водоснабжения предприятия.

2. Вход и выход жидкостной полости жидкостно-радиационного теплообменника, теплоизолированного снаружи, соединены трубопроводами соответственно с напорной и отводной линиями оборотного водоснабжения предприятия, причем до входа и выхода жидкостной полости ниже уровня теплообменника в соединительных трубопроводах установлены последовательно по одному дренажному и отсечному вентилю, при этом длина и диаметр проходного сечения соединительного трубопровода от напорной линии оборотного водоснабжения до входа жидкостной полости теплообменника выполнены, удовлетворяя условию

где Рмакс.доп - максимальное допустимое рабочее давление в жидкостной полости теплообменника, Па;

Рмакс.о.в - максимально возможное давление воды в точке отбора из напорной линии оборотного водоснабжения, Па;

К=42,2 - постоянный коэффициент, кг/м³;

L - длина соединительного трубопровода, м;

- требуемый минимальный расход воды через теплообменник, м³/с;

D - внутренний диаметр проходного сечения соединительного трубопровода, м;

Δр - гидравлические потери давления в местном сопротивлении, Па,

а жидкостно-радиационный теплообменник выполнен в виде коробки, состоящей из двух гидравлически и механически связанных секций с двойной стенкой: основания и колпака, жидкостные полости которых в районе выходов из секций сообщены дренажными отверстиями с атмосферой, находящимися в верхней части теплообменника и заглушенными герметично запорными элементами, 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 заявляемых способе и устройстве.

Принципиальная схема предлагаемого способа обеспечения теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации изображена на фиг.1-3.

Предлагаемый способ включает в себя выполняемые в следующей последовательности операции (см. фиг.1):

- отвод избыточного тепла от работающих приборов, установленных на борту спутника 9 на термостатируемых (например, жидкостных) платах 3.1, в специальную наземную автоматическую систему обеспечения теплового режима 1 спутника;

- балластное сопротивление 5 размещают во внутренней полости замкнутого жидкостно-радиационного теплообменника 4 и избыточное тепло, выделяющееся при его работе, удаляют в магистраль оборотного (замкнутого циркуляционного) водоснабжения 8 предприятия.

Принципиальная схема предлагаемого устройства обеспечения теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации изображена на фиг.2-3.

Фиг.2:

- наземная система обеспечения теплового режима 1 (1.1 - блок управления и регулирования; 1.2 - электронасосный агрегат; 1.3 - компенсатор объема (гидроаккумулятор); 1.4 - холодильник; 1.5 - регулятор расхода теплоносителя; 1.6, 1.7 - гидроразъемы);

- жидкостно-жидкостный теплообменник 2 (2.1-2.4 - гидроразъемы), один из жидкостных контуров которого подключен к СОТР, а другой жидкостный контур его сообщен с жидкостным трактом бортовой СТР 3.1 спутника 9 (3.2-3.3 - гидроразъемы);

- теплоизолированный снаружи жидкостно-радиационный теплообменник 4, внутри которого размещено балластное сопротивление 5;

- трубопроводы 6 и 7, соединяющие вход и выход жидкостно-радиационного теплообменника 4 соответственно с напорной 8.1 и отводной 8.2 линиями оборотного водоснабжения 8 предприятия (например, температура воды в напорной линии не превышает 35°С, а расход воды - не менее 4500 см³/с);

- до входа и выхода жидкостной полости 4.1 ниже уровня теплообменника в соединительных трубопроводах 6 и 7 установлены последовательно по одному дренажному 6.1 и 7.1 (предназначены для слива воды из жидкостной полости - при необходимости) и отсечному вентилю 6.2 и 7.2; с целью максимального упрощения конструкции в устройстве не предусмотрены различные регулирующие устройства - поэтому для исключения недопустимого давления в жидкостной полости жидкостно-радиационного теплообменника длина и диаметр проходного сечения соединительного трубопровода от напорной линии оборотного водоснабжения до входа жидкостной полости теплообменника выполнены, удовлетворяя условию, установленному авторами в результате анализа физических процессов, происходящих в устройстве при его работе:

где Рмакс.доп - максимальное допустимое рабочее давление в жидкостной полости теплообменника, Па (например, 4 кгс/см²);

Рмакс.о.в - максимально возможное давление воды в точке отбора из напорной линии оборотного водоснабжения, Па (например, 8 кгс/см²);

К=42,2 - постоянный коэффициент, кг/м³;

L - длина соединительного трубопровода м;

- требуемый минимальный расход воды через теплообменник, м³/с (например, 100 см³/с);

D - внутренний диаметр проходного сечения соединительного трубопровода, м (например, 16 мм);

Δр - гидравлические потери давления в местном сопротивлении, Па;

фиг.3 - на этой фигуре изображена принципиальная схема разработанного в настоящее время авторами оптимального по массе и габаритам жидкостно-радиационного теплообменника; теплообменник 4 выполнен в виде коробки, состоящей из двух гидравлически и механически связанных секций с двойной стенкой; основания 4.2 и колпака 4.3, жидкостные полости которых в районе выходов из секций сообщены дренажными отверстиями 4.4-4.6 с атмосферой, находящимися в верхней части теплообменника и заглушенными герметично запорными элементами, например, винтами с использованием резиновых прокладок.

Обеспечение теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации (например, с тепловыделением 3500 Вт) с использованием предложенных способа и устройства происходит следующим образом.

Заправляют теплоносителем бортовую СТР, жидкостно-жидкостный теплообменник, первую СОТР и их гидроразъемы состыковывают между собой согласно фиг.2.

Собирают систему обеспечения теплового режима балластного сопротивления согласно фиг.2. Для обеспечения допустимого давления воды в жидкостной полости жидкостно-радиационного теплообменника при заполнении ее водой выполняют обязательно следующую последовательность открытия вентилей: сперва открывают вентиль 7.2, а затем - вентиль 6.2 (в противном случае давление в жидкостной полости может быть выше допустимого, т.к. в этом случае гидравлическое сопротивление подводящего соединительного трубопровода равно нулю – см. выше математическое соотношение (1)). После открытия вентилей частично вывинчивают винты и в результате сообщения жидкостной полости жидкостно-радиационного теплообменника с атмосферой (образуется некоторая негерметичность) поступающая в нее (протекающая через нее) вода выдавливает из его полости воздух, и тем самым обеспечивается полное заполнение жидкостной полости водой (винты герметично ввинчивают после прекращения появления пузырей воздуха из жидкостной полости). Таким образом, после этого через жидкостную полость циркулирует вода с достаточным расходом, омывая полностью (нет воздуха в жидкостной полости) все поверхности жидкостно-радиационного теплообменника, и устройство в целом готово к обеспечению теплового режима балластного сопротивления.

Перед началом электрических испытаний спутника включают в работу первую СОТР и бортовую СТР.

После начала электрических испытаний тепловой режим приборов, установленных на жидкостных платах, обеспечивается первой СОТР, а тепловой режим балластного сопротивления - устройством для обеспечения температурного режима его (тепло, выделяющееся при функционировании балластного сопротивления, отводится от него излучением и конвекцией к внутренним поверхностям жидкостно-радиационного теплообменника а затем передается циркулирующему через его жидкостную полость воде).

Проведенный анализ показал, что в результате использования предложенных способа и устройства для поддержания требуемого теплового режима при наземных испытаниях вновь создаваемого спутника с большим тепловыделением обеспечивается:

- существенное упрощение процесса поддержания требуемого температурного режима и устройства для обеспечения теплового режима спутника в результате использования в качестве второй СОТР относительно простого по принципу работы и по конструкции и составу устройства обеспечения теплового режима балластного сопротивления;

- экономический эффект от использования предложенных способа и устройства в производстве составляет не менее 200000 рублей.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате использования предложенных способа и устройства существенно упрощаются процесс и средства обеспечения требуемого теплового режима спутника при наземных испытаниях и обеспечивается положительный экономический эффект, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенные авторами технические решения отражены в технической документации НПО прикладной механики и будут использованы при изготовлении (испытаниях) вновь разрабатываемого мощного спутника связи телевещания и ретрансляции информации.

1. Способ обеспечения теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации, имеющего в своем составе прибор с концентрированным источником тепла с повышенной по сравнению с другими приборами рабочей температурой, включающий отвод избыточного тепла от работающих приборов, установленных на термостатируемых платах, в наземную систему обеспечения теплового режима спутника, отличающийся тем, что прибор с концентрированным источником тепла размещают во внутренней полости замкнутого жидкостно-радиационного теплообменника, а избыточное тепло, выделяющееся при его работе, удаляют в магистраль оборотного водоснабжения предприятия.

2. Устройство для обеспечения теплового режима спутника связи, телевещания и ретрансляции информации, имеющего в своем составе прибор с концентрированным источником тепла с повышенной по сравнению с другими приборами рабочей температурой, включающее в себя наземную систему обеспечения теплового режима спутника, подключенную к наземному контуру жидкостно-жидкостного теплообменника, сообщенного другим своим жидкостным контуром с жидкостным трактом бортовой системы терморегулирования, отличающееся тем, что содержит теплоизолированный снаружи замкнутый жидкостно-радиационный теплообменник для размещения в его внутренней полости указанного прибора с концентрированным источником тепла, причем вход и выход жидкостной полости этого теплообменника соединены трубопроводами соответственно с напорной и отводной линиями оборотного водоснабжения предприятия, а до входа и выхода указанной жидкостной полости ниже уровня теплообменника в соединительных трубопроводах установлено последовательно по одному дренажному и отсечному вентилю, при этом длина и диаметр проходного сечения соединительного трубопровода от указанной напорной линии до входа жидкостной полости теплообменника выполнены согласно условию

где Рмакс.доп - максимальное допустимое рабочее давление в жидкостной полости теплообменника, Па;

Рмакс.о.в - максимально возможное давление воды в точке отбора из напорной линии оборотного водоснабжения, Па;

К = 42,2 - постоянный коэффициент, кг/м³;

L - длина соединительного трубопровода, м;

Ъ - требуемый минимальный расход воды через теплообменник, м³/с;

D - внутренний диаметр проходного сечения соединительного трубопровода, м;

Δр - гидравлические потери давления в местном сопротивлении, Па,

а жидкостно-радиационный теплообменник выполнен в виде коробки, состоящей из двух гидравлически и механически связанных секций с двойной стенкой - основания и колпака, жидкостные полости которых в районе выходов из данных секций сообщены дренажными отверстиями с атмосферой, выполненными в верхней части этого теплообменника и герметично заглушенными запорными элементами.