Система терморегулирования космического аппарата
Владельцы патента RU 2577925:
Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" (RU)
Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников. В жидкостном контуре СТР установлен двухступенчатый электронасосный агрегат (ЭНА) с последовательно расположенными рабочими колесами, вращающимися с частотой 6000 об/мин. В контуре используется теплоноситель ЛЗ-ТК-2 (вместо аммиака). На выходе ЭНА предусмотрена дроссельная шайба, гидравлическое сопротивление которой обеспечивает минимальный требуемый расход теплоносителя. Без шайбы гидравлическое сопротивление контура отвечает максимальной холодпроизводительности СТР. ЭНА работоспособен при повышенном (более 27 В) напряжении питания. Технический результат изобретения состоит в повышении технологичности (унификации) и надежности длительной эксплуатации любых КА с потребной холодопроизводительностью от 5 до 13-18 кВт. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников, СТР которых содержит жидкостный контур (или два дублированных контура) с жидким теплоносителем, циркуляцию которого обеспечивает электронасосный агрегат (ЭНА).
Известно, что СТР КА является главнейшей системой КА, т.к. все приборы, устройства его работоспособны только тогда, когда СТР надежно выполняет свои функции: поддерживает в условиях эксплуатации на орбите требуемые рабочие температуры для всех составляющих КА в течение всего заданного срока эксплуатации (как правило, более 10-15 лет).
Анализ опыта эксплуатации различных спутников с различной холодопроизводительностью СТР (до 3500-4000 Вт) показывает, что в первую очередь надежная работа СТР определяется высоконадежной работой ЭНА, при этом ЭНА должен иметь оптимальные габариты, массу и энергопотребление.
Известна СТР КА "SESAT", патент Российской Федерации №2158703 [1], безотказно функционирующего на орбите в течение более 14 лет (и продолжающего нормально функционировать).
СТР указанного КА (холодопроизводительностью ≈3500 Вт) включает в себя ЭНА, содержащий два центробежных насоса (один - основной и работает, а второй - резервный и находится в «ненагруженном» резерве) с одноступенчатым рабочим колесом с номинальной частотой оборотов 6000 об/мин при рабочем напряжении питания 27 В, обеспечивающим при температуре теплоносителя не более 35°C расход жидкого теплоносителя ЛЗ-ТК-2 120-150 см3/с (к СТР со стороны КА предъявляются следующие основные требования: с точки зрения обеспечения теплового режима элементов КА расход теплоносителя в жидкостном контуре должен быть не менее 90 см3/с, а с точки зрения минимально возможного кинетического момента расход теплоносителя должен быть не более 150 см3/с с напором (перепадом давлений теплоносителя между выходом и входом ЭНА), равным ≈0,4 кгс/см2, и с энергопотреблением ≈35 Вт, массой не более 4 кг).
Следует отметить, что на надежность ЭНА в первую очередь влияет работоспособность опор электродвигателя, т.к. их невозможно резервировать и они являются точками единичного отказа и для обеспечения надежной работы ЭНА работоспособность опор должна быть гарантирована высоконадежно, т.е. ЭНА должен быть квалифицирован.
Таким образом, вышеуказанная СТР и ее ЭНА квалифицирована для КА с холодопроизводительностью ≈3500 Вт.
В настоящее время создаются различные КА с существенно повышенной холодопроизводительностью, например от 5000 до 13000-18000 Вт, вышеуказанный ЭНА не может быть применен во вновь разрабатываемых мощных КА, т.к. требуемые номинальные напоры должны быть в диапазоне 1,25-1,85 кгс/см2.
Анализ показывает, что в случае перехода СТР, использующего в качестве теплоносителя аммиак, ЭНА получается с низкой надежностью, например на МКС аммиачные насосы неоднократно выходили из строя (см. интернет: Яндекс: отказы аммиачного насоса на международной космической станции: десять начальных файлов страницы 1 [2]).
Кроме того, для создания СТР с холодопроизводительностью 13000-18000 Вт для снижения массы СТР и КА в целом ЭНА должны быть работоспособны при температуре теплоносителя до 50-60°С (при такой температуре площадь излучательных радиаторов будет минимальной) и давление в жидкостном тракте СТР с аммиаком в 6 раз больше, чем при использовании в СТР теплоносителя ЛЗ-ТК-2 (и соответствующем использовании компенсатора объема согласно патенту РФ №2329920 [3]), т.е. утечки теплоносителя - аммиака будут в 6 раз больше, чем при использовании ЛЗ-ТК-2.
Проведенный анализ также показал, что для вновь разрабатываемых КА с холодопроизводительностью 13000-18000 Вт:
- напоры насосов должны быть увеличены в 3-5 раза и, следовательно, габаритные размеры ЭНА, выполненного по известному техническому решению [1], возрастут по сравнению с габаритным размером известного ЭНА в 2-3 раза, т.е. на КА потребуется больший рабочий объем для размещения ЭНА, что потребует в конечном счете увеличения габаритов и массы КА;
- в случае разработки ЭНА по известному техническому решению потребуется шина питания с напряжением постоянного тока 27 В (в то же время большинство приборов во вновь разрабатываемых КА будут использовать шину питания с напряжением более 100 В);
- т.к. холодопроизводительности СТР разрабатываемых КА существенно отличаются, то гидравлические сопротивления жидкостных трактов также существенно отличаются, и, следовательно, требуемые напоры ЭНА также сильно отличаются, что обуславливает в общем случае разработку различных ЭНА с различными напорами.
Таким образом, существенными недостатками известной СТР применительно к вновь разрабатываемым КА с повышенной холодопроизводительностью являются:
- увеличение габаритов ЭНА СТР, приводящее к увеличению габаритов и массы СТР и КА в целом для сохранения высокой достигнутой надежности в течение длительного срока эксплуатации на орбите;
- потребность разработать несколько ЭНА с различными напорами;
- повышенная масса электродвигателя ЭНА при использовании шины питания 27 В, а также за счет увеличенной массы кабелей по сравнению с напряжением питания более 100 В; кроме того, требования наличия шины питания 27 В усложняет КА.
Теплофизический численный анализ вновь разрабатываемой СТР с учетом опытных данных, проведенный авторами, показал, что для устранения вышеуказанных существенных недостатков вновь разрабатываемая СТР с холодопроизводительностью 13000-18000 Вт должна быть выполнена с учетом следующего комплекса требований:
1. В жидкостном контуре СТР должен быть применен ЭНА, выполненный с двухступенчатым рабочим колесом (например, согласно авторскому свидетельству СССР №1523731 [4]), снижающим габариты ЭНА и прокачивающий через себя теплоноситель ЛЗ-ТК-2 с квалифицированной в условиях работы на орбите частотой вращения колеса, равной 6000 об/мин (для обеспечения требуемого ресурса по частоте вращения осевое усилие сведено к минимуму, в т.ч. при различных напорах ЭНА, для чего выполняют разгрузочные отверстия (см. второй абзац сверху на странице 97 книги М.В. Краев, В.А. Лукин, Б.В. Овсянников. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. - М.: Машиностроение, 1985 [5]), что обеспечивает надежную работу ЭНА и СТР в целом в течение требуемого срока эксплуатации на орбите.
Причем для применения ЭНА в составе различных КА в диапазоне холодопроизводительности от 5000 до 13000-18000 Вт на выходе из ЭНА необходимо установить дроссельную шайбу с гидравлическим сопротивлением при минимально требуемом расходе теплоносителя в жидкостном контуре, равным
,
где ΔРдр.ш. - гидравлическое сопротивление дроссельной шайбы на выходе из ЭНА, кгс/см2;
ΔРСТР.макс - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта СТР с максимальной холодопроизводительностью QСТР.макс (Вт), равное напору ЭНА без установленной на выходе дроссельной шайбы, кгс/см2;
QСТР.треб - холодопроизводительность для конкретного КА, Вт;
К=0,95-1 - расчетный коэффициент на основе опытных данных.
2. Для упрощения КА и снижения массы электродвигателя ЭНА, а также за счет уменьшения массы кабеля, соединяющего его с источником питания, ЭНА необходимо выполнить работоспособным при повышенном напряжении питания более 27 В, предусмотренном на борту КА.
3. Для обеспечения высоконадежной герметичности жидкостного тракта фланец корпуса ЭНА, выполненный, например, из алюминиевого сплава, соединен сваркой через биметаллический переходник с фланцем электродвигателя, выполненным, например, из титанового сплава.
Таким образом, поставленная авторами цель - устранение вышеуказанных существенных недостатков известного технического решения - достигается тем, что СТР КА, включающая жидкостный контур с циркулирующим теплоносителем, имеющий в своем составе элементы: центробежный электронасосный агрегат, гидроаккумулятор, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, и радиаторы, которые сообщены между собой участками соединительных трубопроводов, выполнена таким образом, что:
- в жидкостном контуре установлен двухступенчатый электронасосный агрегат, прокачивающий через себя теплоноситель ЛЗ-ТК-2 в результате обеспечения вращения двух рядом последовательно расположенных рабочих колес с номинальной частотой вращения 6000 об/мин, причем на выходе из электронасосного агрегата установлена дроссельная шайба с гидравлическим сопротивлением при минимально требуемом расходе теплоносителя в жидкостном контуре, определяемым согласно соотношению:
где ΔРдр.ш - гидравлическое сопротивление дроссельной шайбы на выходе из ЭНА, кгс/см2;
ΔРСТР.макс - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта СТР с максимальной холодопроизводительностью QCTР.макс (Вт), равное напору ЭНА без установленной на выходе дроссельной шайбы, кгс/см2;
QСТР.треб - холодопроизводительность для конкретного КА, Вт;
К=0,95-1 - расчетный коэффициент на основе опытных данных;
- электронасосный агрегат выполнен работоспособным при повышенном (более 27 В) напряжении питания, например 100 В, предусмотренном на борту космического аппарата;
- фланец корпуса электронасосного агрегата, выполненный, например, из алюминиевого сплава, соединен сваркой через биметаллический переходник с фланцем электродвигателя, выполненным, например, из титанового сплава, 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 изобретения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемой системе терморегулирования космического аппарата.
Принципиальная схема предложенной СТР КА изображена на фиг. 1, которая включает в себя жидкостный контур 1 с циркулирующим теплоносителем ЛЗ-ТК-2, имеющий в своем составе элементы: центробежный двухступенчатый электронасосный агрегат 7 с номинальной частотой вращения рядом последовательно расположенных двух рабочих колес, равной 6000 об/мин, дроссельную шайбу 7.1, определенную согласно (1), гидроаккумулятор 6, коллекторы панелей 2, 4, на которых установлены приборы, и радиаторы 3, 5, которые между собой сообщены участками соединительных трубопроводов 8.
Согласно предложенному техническому решению конкретную СТР КА с требуемой известной холодопроизводительностью создают следующим образом:
В результате проектирования КА определяют требуемую холодопроизводительность СТР, например, 10000 Вт; затем в результате компоновки КА устанавливают требуемую суммарную длину жидкостного тракта и численным методом определяют суммарное значение гидравлического сопротивления всего замкнутого жидкостного тракта, например, при расходе теплоносителя 90 см3/с (расход теплоносителя для разрабатываемых СТР КА с различной холодопроизводительностью должен быть в диапазоне 90-150 см3/с).
Указанную величину гидравлического сопротивления жидкостного тракта принимают, что напор ЭНА должен быть равен ей при расходе 90 см3/с. После этого изготавливают двухступенчатый ЭНА (сваркой стыков), обеспечивающий при частоте вращения рабочих колес, равный 6000 об/мин (например, при напряжении питания 100 В), расход теплоносителя, равный 90 см3/с с напором, равным 1,85 кгс/см2 (без установленной дроссельной шайбы на выходе ЭНА), обеспечивающим холодопроизводительность, равную 18000 Вт.
Определяют согласно (1) требуемое гидравлическое сопротивление дроссельной шайбы и устанавливают на выходе из ЭНА, после чего снимают его расходно-напорную характеристику. Далее осуществляют монтаж ЭНА и других элементов СТР на КА, проверяют герметичность жидкостного тракта и заправляют предварительно отвакуумированный жидкостный тракт деаэрированным теплоносителем ЛЗ-ТК-2. Проводят, в частности, наземные электрические и термовакуумные испытания и убеждаются, что СТР обеспечивает требуемые расход теплоносителя в жидкостном тракте, напор ЭНА, холодопроизводительность СТР и заданные рабочие температуры жидкостного тракта, приборов и устройств КА. После этого КА запускают на орбиту и периодически контролируют нормальное функционирование СТР КА и КА в целом.
Таким образом, как следует из вышеизложенного, в результате изготовления СТР согласно предложенному авторами техническому решению в условиях эксплуатации КА на орбите обеспечивается высокая надежность нормального функционирования в течение требуемого длительного срока эксплуатации любых КА из диапазона холодопроизводительностью от 5000 Вт до 13000-18000 Вт при одновременном обеспечении оптимальных масс их СТР, а также минимально возможного цикла изготовления различных КА с квалифицированной высоконадежной СТР, т.к. в составе СТР при этом применяется практически один и тот же ЭНА (отличие конструкции только в величине гидравлических сопротивлений дроссельных шайб на выходе из ЭНА).
1. Система терморегулирования космического аппарата, включающая жидкостный контур с циркулирующим теплоносителем, имеющий в своем составе элементы: центробежный электронасосный агрегат, гидроаккумулятор, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, и радиаторы, которые сообщены между собой участками соединительных трубопроводов, отличающаяся тем, что в жидкостном контуре установлен двухступенчатый электронасосный агрегат (ЭНА), прокачивающий через себя теплоноситель ЛЗ-ТК-2 в результате вращения двух последовательно рядом расположенных рабочих колес с номинальной частотой вращения 6000 оборотов в минуту, причем на выходе из ЭНА установлена дроссельная шайба с гидравлическим сопротивлением, определяемым при минимально требуемом расходе теплоносителя в жидкостном контуре согласно соотношению:
,
где ΔР
др.ш - гидравлическое сопротивление дроссельной шайбы на выходе из ЭНА, кгс/см2;
ΔР
СТР.макс - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта системы терморегулирования с максимальной холодопроизводительностью QCTP.макс (Вт), равное напору ЭНА без установленной на его выходе дроссельной шайбы, кгс/см2;
Q
СТР.треб - холодопроизводительность для конкретного космического аппарата, Вт;
К = 0,95-1 - расчетный коэффициент на основе опытных данных.
2. Система терморегулирования по п. 1, отличающаяся тем, что ЭНА выполнен работоспособным при повышенном, например, более 27 В, напряжении питания, предусмотренном на борту космического аппарата.
3. Система терморегулирования по п. 1, отличающаяся тем, что фланец корпуса ЭНА, выполненный, например, из алюминиевого сплава, соединен сваркой через биметаллический переходник с фланцем электродвигателя, выполненным, например, из титанового сплава.
