СПОСОБ КОМПОНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF CONSTRUCTING SPACECRAFT

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании геостационарных телекоммуникационных спутников с длительным (10-15 лет) сроком эксплуатации на орбите, на борту которых на панелях, перпендикулярных или параллельных продольной оси спутника, устанавливают емкости, например, сферической формы, заправленные двухфазными рабочими телами.
2
Известен способ компоновки таких космических аппаратов (КА) согласно патенту Российской Федерации (РФ) №2329920 [1], по которому для обеспечения оптимальной (минимально возможной) массы рабочего тела (например, ксенона) на борту КА путем гарантированной подачи пара рабочего тела из емкости на вход в редуктор системы ориентации и управления движением (СОУД), в том числе при давлениях ниже критического давления (≈59,45 кгс/см) и температурах ниже критической температуры (≈289,7К), подобную емкость с рабочим телом устанавливают с требуемой постоянной зоной расположения жидкой фазы на поверхности стенки этой емкости и отверстие для отбора пара рабочего тела из емкости выполняют напротив зоны расположения жидкой фазы рабочего тела с центром, через который проходит продольная ось емкости. Для этого указанную емкость КА, продольная ось которого в рабочем состоянии постоянно направлена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты, соединяющего центр Земли с центром масс спутника, устанавливают на максимально возможном удалении от центра масс КА по направлению, параллельному указанной продольной оси КА с обеспечением минимально возможного отклонения продольной оси емкости от продольной оси КА (об этом в вышеуказанной части см. фигуру 1 предложенного авторами технического решения, где С - центр Земли; О - центр масс КА; OXYZ - правая прямоугольная орбитальная система координат; r - текущий радиус-вектор орбиты КА; А - геостационарная орбита КА; 1 - модуль полезной нагрузки (рефлектор антенны раскрывом направлен к Земле); 2 - модуль служебных систем, включающий в себя, в частности, СОУД; 3 - емкость СОУД; 3.1 - отверстие (основное) для отвода паров рабочего тела из емкости; 4 - трубопровод отбора паров рабочего тела; 5 - пары рабочего тела; 6 - жидкая фаза рабочего тела; 7 - электрообогреватель; 8 - продольная ось КА; 9.1 - электроклапан (основной); 10 - редуктор; 3.2 - первое дополнительное отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 3.3 - второе дополнительное отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 9.2 - первый дополнительный электроклапан; 9.3 - второй дополнительный электроклапан).
1
1
Анализ данных эксплуатации вышеуказанных телекоммуникационных геостационарных спутников, выполненных согласно [1], с длительным сроком эксплуатации на орбите показал, что, как правило, в течение длительного срока эксплуатации спутника требуется его перемещать (перевод) в новую требуемую рабочую точку стационарной орбиты в восточном или западном направлении, для чего включают соответствующие двигательные блоки СОУД, например, в течение более одного часа, и создают тягу - результирующую силу соответствующей величины: при изменении рабочей точки в восточном направлении (в направлении плюс ОХ) под воздействием тяги (направление которой поддерживается переменной с некоторым допуском от расчетного направления) жидкая фаза рабочего тела располагается на поверхности емкости в зоне с центром, через который проходит ось емкости OX в отрицательном направлении (см. фиг.2) - при этом в этой зоне будет находиться и отверстие 3.1 для отвода паров рабочего тела из емкости, а при изменении рабочей точки КА в западном направлении (в направлении минус OX) - жидкая фаза рабочего тела будет находиться в зоне с центром, через который проходит ось емкости OX в положительном направлении (см. фиг.3) - при этом в этой зоне будет находиться и отверстие 3.1 для отвода пара рабочего тела из емкости. Причем из-за тяги с переменным направлением (хотя и малым отклонением направлений) зона жидкой фазы будет колебаться относительно вышеуказанных центров.
Таким образом, как видно из вышеуказанного, в процессе перемещения КА в новую рабочую точку в отверстие 3.1 для отвода паров рабочего тела из емкости и далее в редуктор будет поступать только жидкая фаза рабочего тела и, следовательно, затраты рабочего тела существенно возрастут с одновременным ухудшением работы СОУД из-за обеспечения при этом истечения через сопла жидкой фазы или потребуется предусмотреть в СОУД достаточно мощный электрообогреватель, что в действительности также означает увеличение массы КА для парирования увеличенного электропотребления СОУД и из-за увеличенной массы электрообогревателя (существующий электрообогреватель является резервным, предназначен для подогрева паров рабочего тела в случае, если пары имеют температуру ниже допустимой: т.к. требуется только подогреть пары рабочего тела, мощность резервного электрообогревателя на порядок ниже, чем при испарении жидкой фазы рабочего тела с дальнейшим соответствующим его подогревом).
Проведенный анализ показал, что для обеспечения работы КА (со сроком эксплуатации 15 лет) в вышеуказанных режимах потребуется дополнительная эквивалентная масса не менее 4,5 кг.
Таким образом, существенными недостатками известного технического решения являются потребность повышенных массовых и энергетических затрат при выполнении КА предусмотренных функциональных режимов работы его на орбите в течение длительного срока эксплуатации.
Целью предлагаемого авторами нового технического решения является устранение вышеуказанных существенных недостатков.
Поставленная цель достигается способом компоновки космического аппарата - стационарного искусственного спутника Земли, одна из осей которого направлена по направлению полета, а перпендикулярная ей продольная ось должна быть постоянно направлена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты, соединяющего центр Земли с центром масс спутника, включающим установку на борту на максимально возможном удалении от центра масс по направлению, параллельному указанной продольной оси (оси, проходящей через центр масс емкости), заправленной двухфазным рабочим телом с требуемой зоной расположения жидкой фазы на поверхности стенки емкости для обеспечения отвода паров рабочего тела через отверстие емкости, которое выполняют вне зоны расположения жидкой фазы и к которому вне емкости присоединяют трубопровод отбора пара, снабженный электрообогревателем, к входу редуктора, таким образом, что ось емкости, проходящую через ее центр, параллельную продольной оси спутника, располагают с минимально возможным отклонением от нее, а на поверхности стенки емкости выполняют дополнительно два отверстия с центрами, через которые проходит другая центральная ось емкости, перпендикулярная первой и параллельная оси аппарата, направленной по направлению его полета; при этом к дополнительным отверстиям вне емкости присоединяют трубопроводы отбора пара, соединяемые до входа в область установки электрообогревателя, все три трубопровода снабжают расположенными вблизи отверстий емкости электроклапанами, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения.
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 заявляемом способе компоновки космического аппарата.
Компоновку КА согласно предложенному авторами способу осуществляют следующим образом (см. фигуры 1, 2, 3, где С - центр Земли; О - центр масс КА; OXYZ - правая прямоугольная орбитальная система координат; r - текущий радиус-вектор орбиты КА; А - геостационарная орбита КА; 1 - модуль полезной нагрузки (рефлектор антенны раскрывом направлен к Земле); 2 - модуль служебных систем, включающий в себя, в частности, СОУД; 3 - емкость СОУД; 3.1 - отверстие (основное) для отвода паров рабочего тела из емкости; 4 - трубопровод отбора паров рабочего тела; 5 - пары рабочего тела; 6 - жидкая фаза рабочего тела; 7 - электрообогреватель; 8 - продольная ось КА; 9.1 - электроклапан (основной); 10 - редуктор; 3.2 - первое дополнительное отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 3.3 - второе дополнительное отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 9.2 - первый дополнительный электроклапан; 9.3 - второй дополнительный электроклапан):
- на основе анализа требований к КА, продольная ось которого в рабочем состоянии постоянно направлена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты, всей совокупности комплектующих приборов и устройств определяют возможную область установки на борту КА емкости с рабочим телом (ксеноном) с тремя возможными зонами расположения жидкой фазы его на поверхности ее стенки, которое при давлениях ниже критического и температурах ниже критической температуры является двухфазным рабочим телом, удовлетворяющую следующим требованиям:
- емкость с ксеноном устанавливают на максимально возможном удалении от центра масс КА по направлению, параллельному указанной продольной оси КА;
- при этом центральную ось емкости (проходящую через ее центр), параллельную продольной оси КА, располагают с минимально возможным отклонением от нее, одновременно обеспечивая, чтобы вторая ось емкости, перпендикулярная первой, была параллельна оси аппарата, направленной по направлению полета КА по орбите;
- после этого изготавливают емкость для ксенона, при этом на ее поверхности выполняют три отверстия для отвода паров ксенона, расположив их:
- основное отверстие выполняют с центром, через который проходит центральная ось емкости, параллельная продольной оси КА;
- два дополнительных отверстия выполняют с центрами, через которые проходит другая центральная ось емкости, параллельная оси КА, направленной по направлению его полета;
- изготавливают другие комплектующие СОУД, в частности три электроклапана, редуктор, трубопроводы отвода пара, электрообогреватель для установки на трубопроводе перед редуктором;
- осуществляют монтаж емкости, электроклапанов, редуктора, трубопроводов отбора пара, электрообогревателя и других комплектующих СОУД и осуществляют заправку емкости ксеноном.
В условиях орбитального функционирования КА в заданной рабочей точке орбиты жидкая фаза ксенона будет находиться в зоне емкости напротив основного отверстия для отвода паров ксенона (см. фиг.1): в этом случае электроклапан 9.1 открыт, а дополнительные электроклапаны 9.2 и 9.3 закрыты и на вход редуктора подаются пары ксенона, обеспечив экономичное и стабильное функционирование редуктора и СОУД в целом.
В случае необходимости изменения положения рабочей точки КА после подачи команды об этом с требуемой расчетной задержкой времени закрывают основной электроклапан, затем открывают требуемый (необходимый) дополнительный электроклапан на время работы СОУД по выполнению перевода КА в новую рабочую точку (см. фиг.2 и 3): в процессе этого режима зона расположения жидкой фазы ксенона находится напротив дополнительного отверстия с открытым электроклапаном и на вход редуктора поступают пары ксенона, обеспечивая экономичное и стабильное функционирование редуктора и СОУД в целом. При этом, как показывают проведенные анализы, в результате такого выполнения компоновки КА обеспечивается экономия массы около ≈3 кг, имея в виду, что дополнительная масса на два дополнительных электроклапана с дополнительными трубопроводами не превышает 1,5 кг, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.