Способ терморегулирования тепловых труб с электронагревателями на приборных панелях космических аппаратов

Изобретение относится к области терморегулирования космических аппаратов. Предлагаемый способ заключается в выравнивании скоростей изменения температур в зонах приборных панелей в моменты воздействия на панели внешних тепловых потоков при выключенных приборах. Постоянство температур в пределах допустимого диапазона поддерживают включением и выключением электронагревателей. Перед одновременным включением приборов на интервалах их совместной работы определяют суммарные тепловые энергии, выделяемые этими приборами и электронагревателями, расположенными в зонах приборов. В зависимости от разности этих энергий электронагреватели либо отключают, либо уменьшают подводимое ими тепло. При указанном отключении и достижении верхних предельных температур отключают электронагреватели в соседних зонах, обеспечивая условия термостатирования соседних зон по нижним допустимым значениям температур. Подобные действия производят для очередных интервалов одновременной работы приборов и при постоянной работе приборов. В случае попеременного включения приборов одновременно с постоянно работающими приборами определяют величину тепловой энергии, выделяемой первыми, и на интервалах их отключения равномерно подводят к ним тепло от электронагревателей. При достижении верхних предельных температур электронагреватели отключают на промежуточных интервалах работы приборов, а также, при необходимости, и в соседних зонах. При этом обеспечивают условия термостатирования этих соседних зон, аналогичные вышеуказанным. Техническим результатом изобретения является продление срока эксплуатации КА путем исключения неблагоприятных циклических воздействий температур. 4 ил.

 

Изобретение относится к космической технике и может использоваться в системах терморегулирования космических аппаратов (КА).

Известны способы терморегулирования радиационных приборных панелей КА при помощи жидкостных трактов теплоносителя, расположенных внутри указанных панелей, см. [1]. Циркулирующий внутри трактов теплоноситель обеспечивает отвод тепла от приборов на радиационную панель, обеспечивающую внешний теплообмен излучением с окружающим космическим пространством. Величина сбрасываемого тепла определяется величиной поверхности панели, ее радиационными характеристиками и температурой теплоносителя. Регулирование сброса тепла осуществляется за счет изменения температуры панели. В свою очередь температура панели регулируется циркуляцией теплоносителя. При высокой тепловой нагрузке циркуляция теплоносителя максимальна, а при низкой - минимальна. Массовый расход теплоносителя в жидкостных трактах регулируется скоростью вращения насосов.

В процессе терморегулирования указанной приборной панели температура в зонах установки приборов относительно равномерно распределяется по поверхности панели. При этом отсутствуют большие градиентные перепады температур в зонах, а вместо них осуществляется постепенный переход от одного температурного поля к другому с постоянным увеличением температуры в местах установки приборов с большим собственным тепловыделением.

Недостатком является наличие дополнительной массы, прежде всего приходящейся на насосные агрегаты, и понижение отказоустойчивости системы терморегулирования. У систем такого типа существует опасность метеоритного пробоя или разгерметизации всего одной трубки, после чего контур системы терморегулирования в целом выходит из строя.

Известен способ терморегулирования тепловых труб с электронагревателями, установленными на приборных панелях КА, см. [2], выбранный в качестве прототипа, при реализации которого не требуется затрат энергии на прокачку теплоносителя; не задействованы движущиеся части, поэтому ТТ более надежны и бесшумны; приборная панель с использованием ТТ более надежна по отношению к внешним воздействующим факторам и способна обеспечить высокую теплопроводность между источниками тепла и стоками, что дает возможность использовать меньшие поверхности и, следовательно, снизить массу панели и КА в целом.

Способ терморегулирования ТТ с ЭН включает в себя измерение температур в зонах размещения тепловых труб с электронагревателями на приборных панелях КА. Сравнение температур с нижними и верхними значениями их допустимых пределов и подвод тепла в зонах установки приборов на панелях при выходе измеренных температур на предельные нижние значения и до момента достижения указанными температурами верхних предельных значений. При этом регулирование температур осуществляется за счет включения-отключения электронагревателей (ЭН), установленных на тепловых трубах.

При соответствующем проектировании системы терморегулирования (СТР) с тепловыми трубами (ТТ) более эффективны в тепловом отношении, более надежны и имеют меньший вес по сравнению с СТР, содержащими жидкостные контура.

К недостаткам способа-прототипа управления терморегулированием ТТ с ЭН на приборных панелях КА можно отнести то, что температурное регулирование производится только в зоне каждой ТТ, при этом не учитываются внешние тепловые потоки и тепловые потоки от самих приборов, а также тепловое влияние соседних зон.

За счет этого на приборных панелях могут возникать большие скорости изменения температур на плоскостях установки приборов, с термоциклированием зон установки приборов.

Указанные недостатки негативно сказываются на работе приборов, установленных на панелях, приводят к повышенной деградации приборов и способствуют их отказам.

Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является продление срока эксплуатации КА за счет исключения неблагоприятных циклических воздействий температур с высокими градиентами на приборный состав в зонах его установки на панелях и уменьшение тем самым вероятности отказов систем.

Для достижения технического результата в способе терморегулирования тепловых труб с электронагревателями на приборных панелях космических аппаратов, включающем измерение температур в зонах размещения тепловых труб с электронагревателями, сравнение температур с их нижними и верхними допустимыми значениями и подвод тепла к панелям в зонах установки приборов с помощью электронагревателей при достижении измеренными температурами их предельных нижних значений до момента достижения указанными температурами верхних предельных значений, в отличие от известного в моменты времени воздействия на панели пространственных внешних однородных тепловых потоков при выключенных приборах производят выравнивание скоростей изменения температур в зонах приборных панелей вплоть до момента достижения температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона и поддержание их путем включения и выключения электронагревателей, при этом фиксируют мощность включаемых электронагревателей и моменты времени их включения и выключения, перед одновременным включением приборов определяют величину выделяемой ими суммарной тепловой энергии на интервалах их совместной работы, по фиксированной мощности включаемых электронагревателей и определенной по указанным моментам времени продолжительности их работы определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую электронагревателями, расположенными в зонах включаемых приборов при поддержании равномерно распределенных тепловых потоков на интервалах совместной работы приборов, сравнивают величины тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, и в том случае, если тепловая энергия, получаемая от приборов, превышает или равна тепловой энергии, получаемой от электронагревателей, отключают электронагреватели в зонах установки приборов, а в случае, если тепловая энергия, выделяемая электронагревателями, больше тепловой энергии, выделяемой приборами, определяют разность между значениями указанных энергий и изменяют значения подводимой тепловой энергии на определенную разность с помощью электронагревателей в зонах установки работающих приборов на интервалах совместной работы приборов, кроме того, в процессе работы приборов контролируют измеренные значения температур в зонах их установки и в случае достижения ими верхних предельных значений при включенных электронагревателях производят выравнивание скоростей изменения температур последовательным отключением электронагревателей вплоть до момента достижения температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а при отключенных электронагревателях в зонах работающих приборов отключают электронагреватели в соседних зонах до достижения указанных температур, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по нижним допустимым значениям температур, далее, для очередных интервалов одновременной работы приборов повторно сравнивают величины тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, и по результатам сравнения осуществляют вышеуказанным образом повторные изменения температур с помощью электронагревателей, при этом, в случае изменения значений внешних тепловых потоков, воздействующих на панели, производят повторные циклы выравнивания скоростей изменения температур в зонах установки приборов путем включения и выключения электронагревателей вплоть до достижения выравненными температурами значений в пределах допустимого диапазона и осуществляют вышеуказанные изменения температур электронагревателями с учетом вновь выравненных температур, а при постоянной работе приборов уменьшают подвод тепла в зонах их установки путем отключения электронагревателей в указанных зонах, измеренные значения температур в зонах расположения постоянно работающих приборов сравнивают с их допустимыми верхними и нижними предельными значениями и в случае достижения температурами нижних допустимых значений, производят выравнивание скоростей изменения температур в указанных зонах путем включения электронагревателей до получения температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а при достижении температурами верхних допустимых значений уменьшают подвод потока тепловой энергии в зоны установки постоянно работающих приборов путем отключения электронагревателей в соседних зонах до достижения выравненными температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условие термостатирования соседних зон по нижним предельно допустимым значениям температур, а в случае попеременного включения приборов одновременно с постоянно работающими приборами, определяют величину тепловой энергии, выделяемой попеременно включаемыми приборами, и на промежуточных интервалах их отключения осуществляют равномерный подвод тепла в зонах расположения попеременно включаемых приборов с помощью расположенных в этих зонах электронагревателей на определенную выше величину, далее измеренные значения температур в зонах установки попеременно включаемых приборов сравнивают с нижними и верхними допустимыми предельными значениями и в случае достижения нижнего значения производят равномерный подвод тепловых потоков в зоны установки работающих приборов на интервалах совместной работы приборов путем включения электронагревателей до достижения выравненными температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а в случае достижения верхнего предельного значения уменьшают поток тепловой энергии в зонах путем отключения электронагревателей на промежуточных интервалах их работы, выравнивая температуры до достижения ими постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а при последующем повышении температур в зонах, в которых установлены работающие приборы, при отключенных указанных электронагревателях уменьшают поток тепловой энергии путем отключения электронагревателей в соседних зонах до достижения выравненными температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по нижним допустимым значениям температур.

Полученный технический результат позволяет уменьшить вероятность отказов бортовых систем и тем самым продлить срок эксплуатации КА на орбите.

Для объяснения сути предлагаемого технического решения введены фиг.1 - фиг.4.

На фиг.1 представлен фрагмент радиационной приборной панели КА с ТТ и ЭН.

На фиг.2 представлены графики температурных циклов в зонах размещения приборов на радиационной панели, Т (τ).

На фиг.3 представлен график высокой скорости изменения температуры в зонах установки приборов на радиационных панелях, Т (τ).

На фиг.4 представлены графики изменения выравненных температур в зонах размещения приборов, Т (τ).

На фиг.1 введены обозначения:

1 - приборная панель;

2 - приборы, установленные на панели;

3 - ТТ;

4 - ЭН;

5 - температурные датчики (ДТ).

Дополнительно введены обозначения 1-й - 4-й зон для установки приборов. Каждая зона определена границами участка расположения группы приборов, а также расположенными в ней ТТ 3 с ЭН 4. В зонах размещения ТТ 3 на приборной панели 1 установлены ДТ 5.

Тепловая энергия на радиационную панель в зоны размещения приборов может подводиться как при помощи ЭН, установленных на ТТ, так и внешним тепловым потоком от лучистой энергии Солнца на наружную часть радиационной панели с определенными характеристиками ее покрытий (коэффициентом поглощения солнечного излучения (A_S) и степенью черноты поверхности (ε)). Площадь радиационной панели, являющейся радиатором системы обеспечения теплового режима, выбирается из условия обеспечения сброса выделяемого приборами тепла при максимально допустимой температуре панелей КА под приборами в конце требуемого периода его штатной эксплуатации (в соответствии с прогнозом деградации на радиаторах с учетом возможного загрязнения в полете при максимальном тепловыделении приборов и максимально возможных внешних тепловых потоков от Солнца).

Учитывая недостаточную теплопроводность как правило облегченной конструкции сотовых панелей вдоль их плоскостей, они разбиваются на зоны, для которых расчет необходимой площади радиатора производится индивидуально с учетом тепловыделения аппаратуры, установленной в этой зоне. Для повышения эффективности радиаторов и выравнивания поля температур по зоне, в ней внутри панели устанавливаются с определенным шагом ТТ, см. [2]. Затем по результатам тепловакуумных наземных испытаний КА площадь радиаторов уточняется и в случае ее избытка закрывается экрановакуумной тепловой изоляцией (ЭВТИ).

ТТ за счет переноса тепловой энергии производят перераспределение неравномерных тепловых потоков, полученных как от приборов, так и от ЭН до выравнивания температуры в зонах на радиационных панелях. Для того чтобы при управлении тепловыми потоками можно было учитывать имеющиеся, как правило, незначительные градиенты температур, распределенные по поверхности и внутри панели, в разных местах зон устанавливается по несколько ТД, см.фиг.1. Число ТД определяется на этапе проектирования панели для контроля степени неравномерности распределения температур. А управление подводом тепла в зону от ЭН осуществляется по среднему температурному значению, рассчитанному по измеренным значениям температур в разных точках зоны.

Выбранная мощность нагревателей СТР является необходимой для предельных наиболее «холодных» условий эксплуатации КА. При этом она будет избыточной для промежуточных внешних тепловых условий и режимов работы бортовой аппаратуры. Поэтому предусмотрено активное автоматическое управление работой ЭН ТТ путем их включения и выключения по командам, вырабатываемым бортовым контуром управления СТР. Панели КА условно разбиваются на зоны обогрева с учетом компоновки аппаратуры и ее тепловыделения. В каждой зоне обогрева управление ЭН осуществляется независимо от других зон.

Таким образом, реализована гибкая возможность настройки режима работы ЭН ТТ, позволяющая управлять минимальной температурой, поддерживаемой в зонах обогрева, частотой включения ЭН, амплитудой колебания температуры в месте установки управляющих ТД, а также позволяющая учитывать и нейтрализовать негативное тепловое влияние приборов и нагревателей в соседних зонах обогрева (если оно проявляется) и исключить аномально работающие ДТ и группы ЭН.

В предлагаемом техническом решении принимаются допущения о квазиравномерном распределении температур в зоне размещения ТТ с ЭН. Далее рассматриваются скорости изменения указанных температур при этом пренебрегаем неоднородностью градиентов распределения температур в пределах зоны в элементах конструкции, из которых состоит приборная панель.

Допустим, что панель освещена Солнцем и на нее воздействуют однородные внешние тепловые потоки, связанные только с ориентацией ее на Солнце. Тепловыми потоками от других внешних источников энергии пренебрегаем. Такие допущения можно отнести, например, к северной и южной приборным панелям геостационарного спутника связи (ГСС), см. [2].

Мощность поглощаемого теплового потока от лучистой энергии Солнца, приходящегося на единицу площади указанных панелей, можно определить по выражению:

где q_s - поверхностная плотность теплового потока от лучистой энергии Солнца, (Вт/м²);

γ - угол между нормалью к поверхности панели и направлением на Солнце.

А мощность излучаемого теплового потока, приходящегося на единицу площади, определяется по выражению:

,

где σ₀ - постоянная Стефана-Больцмана [Вт/(м²·К⁴)];

Т - температура поверхности панели, К.

Угол γ зависит от угла возвышения Солнца над экватором и изменяется от дат солнцестояния до равноденствия, сезонно попеременно для освещенных панелей в пределах ±66,5...90 угл. градусов.

Таким образом, при поддержании орбитальной ориентации ГСС для нескольких суток его полета на северной и южной приборных радиационных панелях, находящихся в равновесном тепловом состоянии, температуры в зонах можно принять за постоянные. При этом приборы и электронагреватели ТТ находятся в выключенном состоянии, а внешние тепловые потоки принимаются за неизменные.

Неосвещенная панель долго находиться в таком состоянии не может, так как она быстро охладится до предельно низких температур. Скорость охлаждения освещенной панели будет зависеть от соотношения A_S/ε. Чем меньше указанное соотношение, тем скорость больше. Очевидно, что в таком случае без подогрева поддерживать на приборных панелях заданный диапазон термостатирования невозможно.

Поэтому производят постоянное измерение температур в i-x зонах установки приборов, где i=1, 2, 3, ..., I - число зон, см. фиг.1, содержащих j-e ТТ с ЭН, где j=1, 2, 3, ..., J - число ТТ в зоне, на к-х приборных панелях КА, где к=1,2,3,..., К - число панелей, сравнение указанных температур с допустимыми их значениями и при достижении определенных нижних уровней температур, включают ЭН. А при достижении верхних допустимых, настраиваемых для ЭН уровней, отключают их.

В предлагаемом способе, при фиксированных внешних тепловых потоках, воздействующих на панели, и выключенных приборах, осуществляют выравнивание температур в i-x зонах приборных панелей до уровня нижнего предельного допустимого значения путем включения и выключения j-x ЭН. Фиксируют внешние тепловые потоки, например, по n-м ориентациям панелей на Солнце (к_n).

Для рассматриваемого случая, см. фиг.1, приборы 2, относящиеся к бортовому радиотехническому комплексу (БРК), могут быть выключены в начальный период полета ГСС, когда на спутнике проводятся тестовые проверки служебных систем.

Выравнивание температур панели производят путем настройки работы ЭН. При этом для управления каждым j-м ЭН устанавливается номинальное значение температуры его включения и верхнее значение температуры его выключения. Настройкой j-x ЭН 4, установленных на ТТ в i-x зонах, добиваются уменьшения скорости изменения температуры, вплоть до равномерного распределения ее в зонах на панели.

Скорости изменения указанных температур зависят от технических возможностей, заложенных в ЭН. При больших мощностях ЭН равномерный подвод тепловой энергии в зоны осуществляется за счет более частого включения - выключения нагревателей, а при меньших мощностях - более продолжительной их работы.

При поддержании равномерно распределенных по поверхности панели в различных ее зонах равновесных температур, фиксируют мощность включаемых электронагревателей располагаемых в i-x зонах на к-й панели при ее n-й ориентации (n-х фиксированных внешних тепловых потоках).

Перед включением р-х приборов, расположенных в каждой из i-x зон на к-х панелях при n-й ориентации , определяют суммарную величину тепловой энергии, выделяемой указанными приборами на заданных m-х интервалах, где m=1, 2, 3, ..., - число заданных интервалов для предстоящих одновременных включений приборов продолжительностью

где - мощность тепловыделения прибором, где - число приборов, установленных в i-x зонах на к-й панели при n-й ориентации.

Мощность тепловой энергии, выделяемой каждым из указанных приборов, - величина, как правило, известна.

Если прибор находится в нескольких зонах (см., например, размещение прибора в 3-й и 4-й зонах на фиг.1), его тепловыделение пропорционально делится на число зон.

Пусть в 1-й зоне (i:=1), см. фиг.1, на 1-й панели (к:=1) находятся два прибора (р:=1, р:=2), при заданной 10-й ориентации панели на Солнце. При этом мощность тепловыделения первого прибора составляет 15 Вт, а второго 25 Вт. С учетом введенных обозначений , .

Заданные в программе полета КА моменты времени на включение и выключение приборов позволяют, например, определить продолжительности включения первого и второго приборов, составляющую соответственно 30 мин и 50 мин. Тогда с учетом введенных обозначений:

где m:=1 - первый интервал одновременных включений первого и второго приборов в первой зоне.

В соответствии с (3) суммарная энергия тепловыделения приборов составляет

На последующем интервале (m:=2) будет включен один из приборов с тепловыделением

Далее определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую j-ми ЭН, расположенными в i-x зонах на к-х панелях при их n-й ориентации на Солнце на интервалах включения приборов при поддержании температур на заданном m-м интервале

.

В первой зоне, см. фиг.1, установлено на ТТ два ЭН, мощность каждого 20 Вт. Поскольку зона «крайняя» на панели, для поддержания равномерно распределенных температур в зоне и на панели в целом, оба нагревателя были, например, постоянно включены. С учетом ранее принятых обозначений .

В общем случае мощность нагревателей может быть не постоянной, а регулируемой и должна выбираться в зависимости от ориентации панелей на Солнце. При "затененных" панелях мощность выбирается более высокой, а при освещении их Солнцем - должна понижаться.

По (4) определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую двумя электронагревателями ТТ, расположенными в 1-й зоне при поддержании равномерно распределенных температур на интервале m=1 одновременного включения приборов:

Далее сравнивают и и, в случае выполнения условия,

отключают все j-e ЭН в i-x зонах перед включением приборов.

В конкретном примере тепловые энергии, выделяемые ЭН и включаемыми приборами, равны. Следовательно, равномерное распределение (выравненное) температур в зоне будет обеспечиваться за счет тепловой энергии, выделяемой работающими приборами. При этом предполагают, что теплообмен между установочной поверхностью прибора и панелью происходит путем теплопроводности, а теплообмен излучением отсутствует. При укрытии наружных поверхностей приборов ЭВТИ, такие условия могут быть соблюдены.

А если условие (5) не выполняется, определяют разность между указанными величинами энергий и на полученную величину этой разности производят равномерный подвод тепловой энергии в зоны установки работающих приборов на m-х интервалах заданной продолжительности.

Допустим, что мощность каждого из ранее рассмотренных ЭН составляла 30 Вт.

Тогда мощности тепловыделения приборов в рассмотренном ранее примере для поддержания равномерно распределенных температур в зоне становится недостаточно. Указанная разница составляет 20 Вт, а для рассматриваемого интервала дефицит тепловой энергии составляет 10 Вт·час.

Для поддержания температур в зоне за счет последовательного включения каждого из ЭН продолжительностью ˜10 мин, с паузой между включениями ˜10 мин, можно ликвидировать указанный недостаток тепловой энергии. Для более равномерного подвода тепла в зону можно увеличить дискретность работы ЭН, сохранив при этом их общую суммарную продолжительность работы ˜20 мин.

При работающих приборах в зоне продолжают контроль над температурами. В случае, если при включенных ЭН начинается рост температур в зоне, то при достижении ими верхних предельных значений отключаем ЭН. Указанный рост может быть связан с нестабильностью в тепловыделении работающих приборов. Например, на начальном временном интервале выхода на режим некоторых из приборов происходит большее тепловыделение, чем при установившемся режиме работы. Связано это с тем, что существуют "форсированные" разогревы приборов внутренними ЭН.

В таких случаях верхние предельные температуры могут задаваться несколькими пороговыми значениями, связанными с режимами работы приборов.

А в случае, когда ЭН в зоне отключены и наблюдается рост температур, охлаждение необходимо производить за счет соседних зон.

Очевидно, что с помощью теплопроводности происходит передача тепловой энергии между зонами, приводящая к изменениям температур, прежде всего в соседних зонах. Поэтому, по мере роста температур в рассматриваемой зоне, необходимо оценивать влияние происходящих процессов на соседние зоны.

И, если температура в рассматриваемых зонах начинает расти при включенных в соседних зонах ЭН, необходимо уменьшить теплоприток от них. Осуществляется это полным или частичным отключением ЭН. Однако указанные отключения не должны нарушать условия термостатирования соседних зон. Прежде всего, здесь может идти речь об охлаждении соседних зон ниже предельно допустимого уровня. Поэтому, по мере достижения указанных нижних температур, включают ЭН и поддерживают равномерное распределение температур в зоне регулирования на достигнутом уровне до завершения работы включенных приборов.

При одновременном включении приборов в нескольких смежных зонах учитывается взаимное температурное влияние соседних зон. Поскольку каждая радиационная панель рассчитывается на максимальную тепловую нагрузку от включенных приборов при отключенных ЭН, то отключением нагревателей можно достичь температурного уровня ниже верхних предельно допустимых значений.

До завершения работы приборов на m-м интервале, оценивают тепловые потоки для (m+1)-го интервала и в зависимости от выполнения условия (5), в начале очередного интервала, производят вышеуказанным образом повторное терморегулирование приборных панелей КА с помощью ЭН, установленных на ТТ.

В случае изменения внешних тепловых потоков, воздействующих на панели, производят повторные циклы по выравниванию тепловых потоков в зонах на нижних предельных уровнях температур, принадлежащих допустимому диапазону. Далее осуществляют терморегулирование с учетом нового равномерного распределения тепловых потоков на панели.

В рассматриваемом примере "существенное изменение внешнего теплового потока", воздействующего на панель, можно считать при изменении угла γ на ˜4°, см. [1], а также сезонном изменении q_sm на ˜3% от текущего значения.

В случае продолжительной постоянной работы приборов на панелях уменьшают подвод тепла в зоны их установки путем отключения ЭН указанных зон.

Если предположить, что приборный состав, расположенный на панели (см. фиг.1), относится к БРК ГСС, то после тестирования бортовых ретрансляторов их включают на постоянную работу.

Следовательно, указанные приборы самостоятельно, постоянно нагревают панель до определенного равновесного состояния. В таких случаях суточные изменения температур будут зависеть, в основном, от освещенности панели Солнцем, зависящей в годовых циклах от изменяющегося его угла возвышения над экватором.

Поэтому, после отключения ЭН, измеренные температуры в зонах сравнивают с их допустимыми верхними и нижними предельными значениями. В случае достижения температурами нижних допустимых пределов, осуществляют равномерный подвод тепла в зоны путем включения ЭН до получения температур в зонах выше нижних предельных значений, принадлежащих допустимому диапазону. Охлаждение панели до нижних предельных температур при работающих приборах возможно лишь в том случае, если она на продолжительных интервалах времени не освещается Солнцем.

Например, приборы находятся на северной панели ГСС, см. [2], при наклонении Солнца над экватором со стороны южного полушария Земли.

В таких случаях, за счет тепловых потоков от ЭН выравнивают температуры в зонах на уровнях выше нижнего допустимого значения, соблюдая при этом принцип необходимой достаточности расходования электроэнергии на указанный нагрев.

По мере роста температур на панели, при переходе наклонения Солнца в северное полушарие, уменьшают тепловые потоки в зоны установки приборов за счет частичного отключения ЭН, вплоть до их полного выключения.

В случаях достижения температурами верхних допустимых пределов в отдельных зонах уменьшают поток тепловой энергии в зону установки работающих приборов путем отключения ЭН в соседних зонах.

Для рассматриваемого примера такой случай возможен лишь тогда, когда в соседних зонах ЭН были включены и выключены приборы. Если же приборы были выключены во всех зонах и был достигнут предельный температурный уровень, то указанную ситуацию необходимо рассматривать как нештатную. За собой она влечет принудительное отключение части приборов для уменьшения тепловой нагрузки на приборную панель.

В случае изменения тепловых потоков соседних зон, вышеуказанным образом исключаем влияния, нарушающие их условия термостатирования путем настройки, например, ЭН соседних зон для работы на более низком уровне.

Возможно также в определенных зонах попеременное включение приборов на заданных временных интервалах. В таком случае осуществляют подвод тепловой энергии от ЭН на ТТ, установленных в указанных зонах на интервалах продолжительностью , где - интервал одновременного отключения приборов, на величину

где - мощность тепловыделения отключаемыми приборами, где - число приборов, отключаемых в i-x зонах на к-й панели при n-й ориентации, при этом .

В процессе подвода указанной энергии, осуществляют ее равномерное распределение по всему заданному интервалу продолжительностью за счет настройки работы ЭН.

Например, в 1-й зоне, на 1-й панели постоянно работает 1-й прибор мощностью , а 2-й прибор, мощностью , периодически включается и выключается с интервалом в 4 часа.

Тогда на время отключения 2-го прибора для выравнивания температур в зоне при помощи ЭН необходимо на 4-х часовом интервале подвести 100 Вт·час тепловой энергии. Поскольку в зоне стоит два ЭН, мощностью каждый 20 Вт, то равномерный подвод можно осуществить непрерывной работой одного из них (всего 80 Вт·час), с подключением второго ЭН в дискретном режиме работы при общей продолжительности 1 час. При этом включения второго ЭН производятся в начале каждого часа интервала на 15 мин.

Если указанная дискретность включения-выключения второго ЭН будет приводить к скоростям изменения температур, не соответствующим требованиям по эксплуатации приборов, то частоту включений ЭН можно увеличить при сохранении общей продолжительности его работы. Изменением указанной частоты добиваемся необходимой достаточности включения ЭН для допустимых изменений температур в зоне установки приборов.

В процессе управления тепловыми потоками продолжаем контролировать температуры в зонах. Для этого измеренные значения температур сравнивают с верхними и нижними предельными значениями. И в случае достижения температурами нижнего предельного значения включают ЭН и осуществляют равномерный подвод тепловой энергии в зоны установки включенных приборов на m-х интервалах заданной продолжительности до получения значений выравненных температур выше указанного уровня.

А в случае достижения верхнего предельного значения уменьшают поток тепловой энергии в зоны установки приборов. Для этого уменьшают продолжительность включения ЭН на промежуточных интервалах отключения приборов, вплоть до их полного отключения. После получения температур ниже верхнего предельного уровня, за счет дискретности включения ЭН, выравниваем температуры в зонах. При этом одновременно добиваются, чтобы скорости изменения температур, вызванные работой ЭН в зонах расположения приборов, не превышали допустимых для них изменений в соответствии с эксплуатационными требованиями.

В случае дальнейшего повышения температур в зонах после полного отключения ЭН, уменьшают поток тепловой энергии путем отключения ЭН в соседних зонах до получения выравненных температур меньше верхних допустимых значений в пределах допустимого диапазона. Отключение ЭН в соседних зонах проводят с необходимой достаточностью, обеспечивающей их термостатирование. Поскольку уменьшается величина тепловых потоков в соседних зонах, то охлаждение не должно приводить к нарушению нижних предельно допустимых границ.

На фиг.2 показаны термоциклические изменения температуры Т (τ) в трех зонах установки приборов. При этом приводятся полученные по телеметрии с борта КА средние измеренные значения температур от трех датчиков 5, установленных в каждой из зон (см. фиг.1) ДТ 1, 2, 3. Из фиг.2 видно, что примерно в каждом часе полетных суток КА температуры в зонах изменяются от ˜5°С до ˜19°С.

На фиг.3 показан пример графика с высокой скоростью изменения средней температуры в одной из зон терморегулирования КА. При этом скорость роста температуры с ˜18:30 до ˜19:30 декретного московского времени составила ˜5,5 град/час, а скорость падения - с ˜20:30 до ˜21:30 составил ˜8,5 град/час.

Необходимо также отметить, что указанные на фиг.2 и фиг.3 изменения температур происходили в пределах допустимого диапазона термостатирования (0...35)°С.

На фиг.4 приведен пример выравненных значений температур, в 4-х зонах на приборной радиационной панели, полученных за счет терморегулирования ТТ с помощью ЭН предлагаемым способом (см. фиг.1). При этом показаны средние значения измеренных температур в зонах Т₃₁, ..., Т₃₄, полученные по телеметрии с борта КА.

Как видно из графиков, относительно своих средних значений, в каждой зоне температуры изменяются на ˜(±1°С) со скоростями, зависящими от настройки ЭН, не превышающими 0,5 град/час.

Рассмотренный пример с радиационной приборной панелью является наиболее типичным для терморегулирования ТТ с ЭН. Однако предложенный способ может использоваться и в любых других системах охлаждения авиаэлектроники, снабженных ТТ с ЭН, см. [3].

Известно, что ряд приборов содержит в себе свои собственные контура термостатирования. Например, два контура термостатирования содержит гироскопический измеритель вектора скорости: первый контур термостатирования основания прибора и второй контур термостатирования (прецизионный) чувствительного элемента прибора, см. [4].

Контур термостатирования основания представляет собой реверсивную систему, работающую в режиме подогрева основания, в диапазоне температур в зоне установки прибора 0-15°С, и в режиме охлаждения основания, в диапазоне температур в указанной зоне 15-35°С.

В каждом цикле изменения температур в зоне установки прибора происходит (см. фиг.2) пересечение пограничной температуры 15°С, при этом в течение 1 часа основание прибора, как минимум, один раз будет подогреваться и охлаждаться. Указанный температурный режим приводит к колебательным температурным процессам внутри прибора. Очевидно, что после нескольких тысяч указанных циклов за время эксплуатации, которым прибор может быть подвергнут, внутри его могут произойти нерасчетные физические изменения.

Различного рода тепловые переходные процессы, например, могут нарушить схему управления тепловой мощностью системы термостатирования блока чувствительных элементов и привести к ее отказу.

К замечаниям могут также привести усталостные дефекты в материалах приборных элементов, вызванные воздействием на них объемного и линейного температурных расширений, а также проявлением «эффекта температурной памяти формы» интерметаллическими соединениями, которые прибор может содержать.

Указанные изменения будут носить явно нерасчетный характер и могут привести к отказу прибора. Подвергнуть прибор испытаниям на земле с целью проверки на отказоустойчивость, полностью имитируя при этом указанные температурные условия эксплуатации в условиях космического полета, практически невозможно. В этом и заключается нерасчетность ситуации.

Как показывает опыт эксплуатации, в условиях космического полета электроника бортовой аппаратуры КА, систематически подвергаемая температурным воздействиям, указанным на фиг.2 и фиг.3, более быстро выходит из строя или более быстро ухудшаются ее выходные рабочие характеристики, чем в случаях поддержания в зонах установки приборов выравненных температур (см. фиг.4). Тем самым, убрав указанные негативные температурные факторы, повышаем надежность в работе бортовых систем КА и продлеваем срок его эксплуатации.

Источники информации

1. Акчурин В.П. и др. Система терморегулирования космического аппарата. Патент РФ 2221733.

2. Ашурков Е.А. и др. Космический аппарат блочно-модульного исполнения. Патент РФ 2092398.

3. Навигация, наведение и стабилизация в космосе. Москва, Машиностроение, 1970 г.

4. Гироскопический измеритель вектора угловой скорости КА. РКК «Энергия» им. С.П.Королева, 1999 г.

Способ терморегулирования тепловых труб с электронагревателями на приборных панелях космических аппаратов, включающий измерение температур в зонах размещения тепловых труб с электронагревателями, сравнение температур с их нижними и верхними допустимыми значениями и подвод тепла к панелям в зонах установки приборов с помощью электронагревателей при достижении измеренными температурами их предельных нижних значений до момента достижения указанными температурами верхних предельных значений, отличающийся тем, что в моменты времени воздействия на панели пространственных внешних однородных тепловых потоков при выключенных приборах производят выравнивание скоростей изменения температур в зонах приборных панелей вплоть до момента достижения температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона и поддержание их путем включения и выключения электронагревателей, при этом фиксируют мощность включаемых электронагревателей и моменты времени их включения и выключения, перед одновременным включением приборов определяют величину выделяемой ими суммарной тепловой энергии на интервалах их совместной работы, по фиксированной мощности включаемых электронагревателей и определенной по указанным моментам времени продолжительности их работы определяют суммарную тепловую энергию, выделяемую электронагревателями, расположенными в зонах включаемых приборов при поддержании равномерно распределенных тепловых потоков на интервалах совместной работы приборов, сравнивают величины тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, и в том случае, если тепловая энергия, получаемая от приборов, превышает или равна тепловой энергии, получаемой от электронагревателей, отключают электронагреватели в зонах установки приборов, а в случае, если тепловая энергия, выделяемая электронагревателями, больше тепловой энергии, выделяемой приборами, определяют разность между значениями указанных энергий и изменяют значения подводимой тепловой энергии на определенную разность с помощью электронагревателей в зонах установки работающих приборов на интервалах совместной работы приборов, кроме того, в процессе работы приборов контролируют измеренные значения температур в зонах их установки и в случае достижения ими верхних предельных значений при включенных электронагревателях производят выравнивание скоростей изменения температур последовательным отключением электронагревателей вплоть до момента достижения температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а при отключенных электронагревателях в зонах работающих приборов отключают электронагреватели в соседних зонах до достижения указанных температур, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по нижним допустимым значениям температур, далее, для очередных интервалов одновременной работы приборов повторно сравнивают величины тепловых энергий, выделяемых включаемыми приборами и электронагревателями, и по результатам сравнения осуществляют вышеуказанным образом повторные изменения температур с помощью электронагревателей, при этом, в случае изменения значений внешних тепловых потоков, воздействующих на панели, производят повторные циклы выравнивания скоростей изменения температур в зонах установки приборов путем включения и выключения электронагревателей вплоть до достижения выровненными температурами значений в пределах допустимого диапазона и осуществляют вышеуказанные изменения температур электронагревателями с учетом вновь выровненных температур, а при постоянной работе приборов уменьшают подвод тепла в зонах их установки путем отключения электронагревателей в указанных зонах, измеренные значения температур в зонах расположения постоянно работающих приборов сравнивают с их допустимыми верхними и нижними предельными значениями и в случае достижения температурами нижних допустимых значений, производят выравнивание скоростей изменения температур в указанных зонах путем включения электронагревателей до получения температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а при достижении температурами верхних допустимых значений уменьшают подвод потока тепловой энергии в зоны установки постоянно работающих приборов путем отключения электронагревателей в соседних зонах до достижения выровненными температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условие термостатирования соседних зон по нижним предельно допустимым значениям температур, а в случае попеременного включения приборов одновременно с постоянно работающими приборами, определяют величину тепловой энергии, выделяемой попеременно включаемыми приборами, и на промежуточных интервалах их отключения осуществляют равномерный подвод тепла в зонах расположения попеременно включаемых приборов с помощью расположенных в этих зонах электронагревателей на определенную выше величину, далее измеренные значения температур в зонах установки попеременно включаемых приборов, сравнивают с нижними и верхними допустимыми предельными значениями и в случае достижения нижнего значения производят равномерный подвод тепловых потоков в зоны установки работающих приборов на интервалах совместной работы приборов путем включения электронагревателей до достижения выровненными температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а в случае достижения верхнего предельного значения уменьшают поток тепловой энергии в зонах путем отключения электронагревателей на промежуточных интервалах их работы, выравнивая температуры до достижения ими постоянных значений в пределах допустимого диапазона, а при последующем повышении температур в зонах, в которых установлены работающие приборы, при отключенных указанных электронагревателях уменьшают поток тепловой энергии путем отключения электронагревателей в соседних зонах до достижения выровненными температурами постоянных значений в пределах допустимого диапазона, при этом исключают температурные влияния, нарушающие условия термостатирования соседних зон по нижним допустимым значениям температур.