Способ обеспечения нормального функционирования космического аппарата
METHOD FOR ENSURING THE NORMAL OPERATION OF THE SPACECRAFT

Изобретение относится к космической технике, в частности к эксплуатации телекоммуникационных космических аппаратов (КА) типа «Экспресс-АМ».
-3
На основе патентов RU № 2319646 [1,] RU № 2569997 [2] в процессе штатной эксплуатации КА на орбите для обеспечения нормального функционирования - исключения электрического пробоя в процессе работы высоковольтных и высокочастотных приборов, например ретранслятора, установленных в электрогерметичном приборном отсеке, поддерживают в нем изменение величины давления от поступающих в него газообразных веществ таким образом, чтобы оно было не более допускаемой (рабочей) величины, например, не более 5⋅10Па.
-5
Анализ конструкций современных мощных КА (например, выполненных на основе патента RU № 2369537 [3]) показал, что внутри приборного отсека расположены приборы полезной нагрузки и служебных систем, а также устройства, в частности жидкостные тракты, электронасосные агрегаты (ЭНА), компенсаторы объема сдублированных жидкостных контуров системы терморегулирования (СТР), заправленные рабочим телом – например, теплоносителем на основе изооктана, и газожидкостные тракты, а также емкости (баки) системы коррекции (СК), заправленные, например, ксеноном, которые по данным изготовления имеют измеренную (допускаемую) негерметичность применительно к условиям эксплуатации на орбите, например, не более 0,1 л (мкм рт.ст./с (1,333⋅10 Вт).
Таким образом, в процессе штатной эксплуатации КА на орбите, в приборный отсек поступают не только продукты газовыделения неметаллических конструкционных материалов, но и пары рабочих тел из трактов и устройств служебных систем (СТР и СК) и общее давление в приборном отсеке создается под совместным воздействием вышеуказанных факторов.
В этом случае согласно [2] для отвода из приборного отсека в космическое пространство газов (паров) - продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов и допускаемых утечек рабочих тел из расположенных внутри корпуса трактов и устройств служебных систем, в конструкции приборного отсека (например, в одной из сотовых панелей) выполняют вентиляционные отверстия с суммарной площадью, обеспечивающей допускаемое избыточное рабочее давление газов в приборном отсеке в течение всего срока штатной эксплуатации космического аппарата с учетом гарантированного сохранения герметичности с нормой не более допускаемой герметичности как СТР, так и СК.
В то же время анализ внешних условий эксплуатации КА, а также анализ опыта изготовления и испытаний ЭНА СТР и КА показывает, что не исключена вероятность повреждения, например, одного из жидкостных контуров СТР техногенной или метеорной частицей, а также из-за некачественного изготовления, например, разгерметизации одного из жидкостных контуров СТР с утечками паров теплоносителя в приборный отсек, т.к. в процессе изготовления и наземных испытаний и отработки ЭНА (в его составе установлен электропривод) были единичные случаи разрушения конструкции экранирующей гильзы статора в районе датчика положения ротора (поз .6.8 фигуры 3) с потерей герметичности (была проточена гильза в зоне датчика положения ротора), т.е. был зафиксирован отказ ЭНА: как показал анализ - из-за скрытого брака его электропривода в результате некачественно проведенной термообработки экранирующей гильзы статора. В этом случае суммарное поступление газов и паров теплоносителя в приборный отсек будут выше допустимого и давление в приборном отсеке постепенно повысится выше допускаемого рабочего давления и может произойти отказ ретранслятора и, следовательно, отказ КА.
Таким образом, известный способ на основе [2] недостаточно надежно обеспечивает нормальное функционирование КА на орбите, что является существенным недостатком известного технического решения.
Технической проблемой предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.
Поставленная цель достигается тем, что в предложенном авторами способе обеспечения нормального функционирования космического аппарата, содержащего электрогерметичный приборный отсек, выполненный из сотопанелей и с вентиляционными отверстиями с соответствующей суммарной площадью, внутри которого преимущественно установлены приборы ретранслятора полезной нагрузки и приборы служебных систем, а также устройства, в частности, электронасосные агрегаты с их электроприводами и компенсаторы объема, имеющие запасы компенсирующего объема жидкого теплоносителя в их жидкостных полостях, сдублированных жидкостных контуров системы терморегулирования, включающий поддержание допускаемого для приборов избыточного рабочего давления внутри приборного отсека, причем в случае разгерметизации, например, полости электропривода электронасосного агрегата работающего основного жидкостного контура, немедленно выключают приборы ретранслятора, после этого выключают работающий основной жидкостный контур, затем включают в работу электронасосный агрегат резервного жидкостного контура, а ретранслятор включают в работу, если расчетное давление в приборном отсеке после истечения запаса компенсирующего объема жидкого теплоносителя из жидкостной полости компенсатора объема основного жидкостного контура установилось меньше допускаемого для приборов ретранслятора избыточного рабочего давления внутри отсека, а в случае невыполнения этого требования приборы ретранслятора включают в работу после полного истечения теплоносителя из основного жидкостного контура, причем продолжительности этапов истечения теплоносителя из основного жидкостного контура прогнозируют, используя данные расчетов по соответствующим формулам, 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 заявляемом способе обеспечения нормального функционирования КА.
На фигурах 1-5 изображены принципиальные схемы по реализацию предлагаемого авторами технического решения:
1) фигура 1, где: 1 - электрогерметичный приборный отсек, выполненный из сотопанелей 1.1,1.2,1.3,1.4; 2 - модуль полезной нагрузки; 3 - приборы ретранслятора; 4 - модуль служебных систем; 5 - приборы служебных систем; 6 - электронасосный агрегат (установлен в основном жидкостном контуре - резервный жидкостный контур на фигуре 1 условно не показан); 7 - компенсатор объема, имеющий запас 7.5 компенсирующего объема жидкого теплоносителя в его жидкостной полости; 8 - вентиляционные отверстия с соответствующей суммарной площадью;
2) фигура 2, где: 1.4 - сотовая панель; 8 - вентиляционное отверстие;
3) фигура 3, где: 6 - электронасосный агрегат и его элементы: 6.1 - винт; 6.2 - втулка; 6.3 - корпус электропривода (электродвигателя); 6.4 - подшипник качения; 6.5 - обмотка якоря; 6.6 - ротор; 6.7 - экранирующая (герметизирующая) гильза статора; 6.8 - датчик положения ротора; 6.9 - рабочее колесо насоса; 6.10 - корпус насоса;
4) фигура 4 (схема компенсатора объема до разгерметизации основного жидкостного контура);
5) фигура 5 (после истечения запаса компенсирующего объема жидкого теплоносителя 7.5 (см. фигуру 4) из жидкостной полости компенсатора объема 7 в вакуум приборного отсека), где: 7.1 - корпус компенсатора объема 7; 7.2 - сильфон; 7.3 - газовая полость; 7.4 - жидкий теплоноситель в жидкостной полости; 7.6 - упоры; 7.7 - паровой пузырь теплоносителя.
Предлагаемый авторами способ обеспечения нормального функционирования КА включает в себя следующие нижеуказанные основные операции:
1. В процессе эксплуатации, например телекоммуникационного КА на орбите, регулярно проводят анализ данных и характера изменений имеющихся параметров телеметрической информации: температур различных участков каждого жидкостного контура, в том числе температур теплоносителя в полости электродвигателя и в газовой и жидкостной полостях компенсатора объема, тока потребления работающего электропривода ЭНА СТР, анализ появления или отсутствия, согласно данным СОС, возмущающих моментов переменной величины, воздействующих на КА (анализ характера изменения кинетического момента, согласно данным СОС, соответствующего воздействию на КА возмущающих моментов переменной величины по всем трем осям: по тангажу, крену и рысканию).
2. Допустим, если в результате одновременного анализа данных следующих телеметрических параметров установили, что:
1) температура электропривода выше допустимого (50°С) и равна, например, примерно 98°С (при этой температуре теплоноситель кипит и образуются пары теплоносителя);
2) ток потребления электропривода выше допустимого и равен, например, примерно 2 А и пульсирует;
-5
-3
5
2
кр
кр
3) появились согласно данным СОС возмущающие моменты переменной величины, воздействующих на КА - тогда это означает, что произошла разгерметизация полости некачественно изготовленного электропривода и, в результате появления течи, в виде щелевого канала, из-за проточки экранирующей гильзы статора в зоне датчика положения ротора, началось истечение паров теплоносителя вакуум-приборного отсека (в случае отсутствия отказа в условиях эксплуатации КА на орбите, вентиляционные отверстия обеспечивают поддержание давления газов в приборном отсеке на уровне 5⋅10 Па при допускаемом давлении не более 5⋅10 Па). И далее утечки газов из приборного отсека через вентиляционные отверстия поступают в вакуум космического пространства. Следовательно, в это время в приборном отсеке начнет повышаться давление газа выше допускаемого рабочего давления ретранслятора. Поэтому, с целью исключения отказа, немедленно выключаем приборы ретранслятора, после этого выключаем работающий основной жидкостный контур, затем включаем в работу электронасосный агрегат резервного жидкостного контура. После этого, из телеметрических данных СОС, определяем продолжительность воздействующих на КА моментов переменной величины, например, она равна 14,7167 часам, что на основе анализа данных эксплуатации КА соответствует продолжительности истечения запаса компенсирующего объема теплоносителя, например, на основе данных изготовления 4,33 л (3,024 кг при температуре 28 °С) из жидкостной полости компенсатора объема (вышеизложенное - первый этап истечения паров теплоносителя в вакуум приборного отсека). После этого сильфон компенсатора объема полностью растягивается и садится на упор, и в жидкостном тракте прекращается расход теплоносителя из-за кавитации ЭНА в результате уменьшения давления на входе в щель от 0,885⋅10 Па (до посадки сильфона на упор) до давления насыщенных паров теплоносителя, например, до 4⋅10 Па из-за вскипания теплоносителя в основном контуре. В результате этого расход утечек из жидкостного контура в приборный отсек существенно уменьшается и начинается утечка паров теплоносителя из оставшегося в жидкостном тракте объема теплоносителя (это - второй этап истечения теплоносителя в вакуум приборного отсека). Из течи в виде щелевого канала в гильзе статора будет вытекать пар со скоростью W, равной местной скорости звука пара [6]: W, 154 м/с при температуре паров Т 285,6 К.
3. Далее определяем, какое давление установится в приборном отсеке на вышеуказанном первом этапе истечения паров теплоносителя в него из образовавшейся течи. Как показал анализ, истечение паров теплоносителя в приборный отсек происходит в режиме вязкостного течения, подчиняющегося формуле Пуазейля (см., например, формулу (I.7) на странице 21 книги: «М. Девиен. Течения и теплообмен разреженных газов. Издательство иностранной литературы. М., 1962» [4])
на основе которой определим давление в приборном отсеке по формуле
2
где  - текущее давление газов (с парами теплоносителя) на входе каждого сотового канала вентиляционных отверстий (их всего три с суммарной площадью 0,016173 м; количество параллельно расположенных сотовых каналов 3715), равное давлению газов в приборном отсеке, Па;
=0,036 Па (для второго этапа - 0,00136 Па) - текущее давление газов (с парами теплоносителя) на выходе каждого сотового канала вентиляционных отверстий в космическое пространство;
-9
-9
=15,36⋅10 кг/с (для второго этапа - 0,582⋅10кг/с) - интенсивность истечения газов через каждый сотовый канал вентиляционных отверстий;
-7
2
-7
2
=0,01653⋅10 Н⋅с/м (для второго этапа - 0,0078⋅10 Н с/м) - динамическая вязкость газов, истекающих через каждый сотовый канал вентиляционных отверстий;
=72,8 Дж / кг ⋅ К - газовая постоянная для паров в приборном отсеке;
=285,6 К - температура газовой среды в приборном отсеке;
-3
=10,6⋅10 м - высота единичной ячейки сотозаполнителя;
=3,14159;
-3
=2,2735⋅10 м - эквивалентный радиус сотовой ячейки сотозаполнителя сотовой панели.
Вышеприведенные численные данные параметров определены для принятой конструкции приборного отсека (фигуры 1-5), применяемого теплоносителя на основе изооктана и используя данные изготовления, телеметрических измерений, данные источников информации:
- «Н.В. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. «Наука», Москва, 1972», стр. 274-277 [5];
- «Болгарский А.В. и др. Термодинамика и теплопередача. М., 1964»; стр. 17-19 [6];
- «М.П. Малков. Справочник по физико-техническим основам криогеники. «Энергия», М., 1973», стр. 21-114 [7];
- «И.Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.- 1975», стр. 442, график в) [8].
4. На основе вышеприведенных формул (1), (2) и известных данных проводим расчеты по определению величины давления в приборном отсеке в течение первого и второго этапов истечения теплоносителя из первого жидкостного контура в вакуум приборного отсека.
Результаты расчета для первого этапа:
Результаты расчета для второго этапа:
-1
-3
5
2
-2
Как видно из вышеприведенных результатов расчета, в течение 14 часов 43 минут (с коэффициентом запаса не менее двух - в течение 30 часов) после разгерметизации, давление в приборном отсеке держалось равным 0,486⋅10 Па, что выше допускаемого, равного не более 5⋅10 Па, то есть ретранслятор в этот период нельзя включать в работу. Но с началом второго этапа давление в приборном отсеке резко (согласно расчетам в течение примерно 4 с) уменьшилось: в результате уменьшения давления в жидкостном тракте первого контура от 0,885⋅10 Па (до посадки сильфона на упор) до давления насыщенных паров теплоносителя, например, до 4⋅10 Па (после посадки сильфона на упор) давление упало до 0,457 ⋅ 10 Па из-за резкого падения давления паров на входе в щель, и это давление держалось в течение 1481,29 часов (62 сутки - это максимальная оценка) - до истечения всего теплоносителя Л3-ТК-2 из второго жидкостного контура. На основе этих данных, после разгерметизации, ретранслятор включили в работу, например, через 30 часов (коэффициент запаса равен двум) после разгерметизации (если в период второго этапа давление было бы выше, то ретранслятор включили бы в работу по истечении 62 суток).
Таким образом, в процессе выполнения вышеуказанных операций установили:
1. Максимальное время полного истечения всего теплоносителя из отказавшегося основного контура СТР КА из-за разгерметизации полости электродвигателя ЭНА СТР оценивается в 1496 часов:
-5
- начальное истечение в течение 14 часов 43 минут эквивалентно истечению паров Л3-ТК-2 в количестве 3,024 кг (4,33 л жидкости) с интенсивностью 5,7⋅10 кг/с;
-5
- дальнейшее истечение в течение 1481,29 ч эквивалентно истечению паров Л3-ТК-2 в количестве 11,53 кг (16,485 л жидкости) с интенсивностью 0,2162⋅10 кг/с;
2
2. Площадь проходного сечения течи, образовавшейся в полости электродвигателя ЭНА, не более 0,08775 мм, эквивалентный диаметр течи 0,3343 мм;
-1
-2
3. В течение 14 часов 43 минут после разгерметизации давление в приборном отсеке держалось на уровне 0,486 ⋅ 10Па, которое сначала второго этапа резко (в течение примерно 4 с) упало до давления 0,457 ⋅ 10 Па, и это давление держалось в течение 1481,29 часов - до истечения всего теплоносителя Л3-ТК-2 из основного жидкостного контура;
-2
-2
4. На основе проведенного анализа ретранслятор включили в работу через около 30 ч после начала разгерметизации при давлении в приборном отсеке 0,457 ⋅ 10 Па (при допускаемом - не более 0,5 ⋅ 10 Па).
Как видно из вышеизложенного, в результате осуществления в процессе эксплуатации КА на орбите предложенного способа, в случае разгерметизации - отказа основного жидкостного контура СТР, его ретранслятор немедленно выключают и включают в работу резервный жидкостный контур, после этого определяют период времени до момента снижения рабочего давления в приборном отсеке ниже допускаемого и с этого момента времени в штатную работу включают ретранслятор и, следовательно, обеспечивается дальнейшее нормальное функционирование ретранслятора и КА в целом.