СПОСОБ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИБОРНОГО ОТСЕКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
THERMAL CONTROL METHOD OF INSTRUMENT COMPARTMENT OF SPACE VEHICLE

Изобретение относится к космической технике и может использоваться в системах обеспечения теплового режима (СОТР) автоматических космических аппаратов (КА) на околоземных орбитах.
Известны способы терморегулирования КА, включающие отвод избыточного тепла от установленных на теплопроводной сотопанели приборов через испарители и конденсаторы встроенных в сотопанели регулируемых тепловых труб на радиаторы-излучатели (патенты РФ №2268207, 2006, B64G 1/50/10; №2323859, 2008, B64G 1/50/10; №2329922, 2008, B64G 1/50/22).
В указанных технических решениях терморегулирование приборов КА осуществляется активными средствами в узком диапазоне и достаточно эффективно, но сложно оценить эффективность всей СОТР КА, т.к. в приведенных материалах отсутствуют данные по пассивным средствам теплозащиты, соотношению их доли в обеспечении требуемого теплового режима КА в сравнении с активными средствами.
Известен также способ терморегулирования тепловых труб (ТТ) с электронагревателями (ЭН) на приборных панелях КА (патент РФ №2322376, 2008, B64G 1/50), выбранный в качестве ближайшего аналога.
Известный способ включает 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. Также в способе производится измерение скоростей изменения температур приборных панелей, в зависимости от которых включают или отключают ЭН ТТ, поддерживая допустимые значения данных скоростей. Перед включением приборов определяют выделяемую ими суммарную тепловую энергию, а также суммарную тепловую энергию, выделяемую ЭН. В результате сравнения этих энергий либо отключают электронагреватели, либо изменяют на определенную разность значения тепловой энергии, подводимой к зонам установки работающих приборов.
Недостатки известного способа заключаются в том, что поддержание температур приборных панелей осуществляется в широком диапазоне - от нижних до верхних предельных значений, что негативно сказываются на работе приборов и приводит к снижению надежности их работы. Также при этом возникает ряд проблем, требующих комплексного и довольно трудоемкого решения. Одной из которых является выбор алгоритма терморегулирования отдельной панели с учетом уровней температур и тепловыделений соседних панелей. Также следует учитывать сложность определения параметров активного автоматического управления работой ЭН ТТ путем их включения и выключения по командам, вырабатываемым бортовым контуром управления системы терморегулирования с гибкой возможностью настройки режима работы ЭН.
Цель предлагаемого технического решения - улучшение термостабилизации установленных на сотопанелях приборов с одновременным повышением надежности, уменьшением массы и энергопотребления СОТР.
Поставленная цель достигнута за счет того, что в способе терморегулирования приборного отсека КА, включающем измерение температур в зонах терморегулирования сотопанелей, сравнение измеренных температур с верхними и нижними значениями их допустимых пределов и при достижении измеренными температурами предельных нижних значений подвод тепла к указанным зонам путем превращения электрической энергии в тепловую, при штатном энерговыделении приборов сотопанелей и штатном внешнем теплонагружении КА обеспечение предварительно определенных температур сотопанелей осуществляют пассивными средствами на уровне номинального значения диапазона допустимых температур приборов этих сотопанелей, а при пониженном теплонагружении КА осуществляют регулирование электронагревателями температур сотопанелей в диапазоне регулирования температур от предельного нижнего до номинального значения диапазона допустимых температур приборов, при этом при дефиците электроэнергии на борту КА регулирование температур сотопанелей электронагревателями осуществляют в заданном интервале нижней границы диапазона регулирования температур, а при наличии электроэнергии регулирование температур сотопанелей осуществляют в заданном интервале верхней границы диапазона регулирования температур приборов, при этом регулирование температур сотопанелей осуществляют электронагревателями, мощность каждого из которых не превышает штатного энерговыделения приборов соответствующих сотопанелей.
Параметры СОТР КА проектируются и реализуются таким образом, чтобы в условиях воздействия максимального и минимального внешнего и внутреннего теплонагружения КА температуры приборов не выходили за заданные пределы.
Обеспечение рабочих температур приборов в более узком диапазоне приводит к дополнительным массовым и энергетическим затратам, которые всегда являются дефицитными для КА, но при этом повышается надежность работы приборов, что является важной характеристикой КА.
Современная практика проектирования СОТР негерметичных КА использует следующие принципы построения:
- максимально возможное использование пассивных средств обеспечения теплового режима - экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), терморегулирующих покрытий (ТРП), термоизоляторов, а также широкое использование нерегулируемых тепловых труб, которые перераспределяют тепловой поток по сотовым панелям и между сотопанелями и переносят его на излучающую поверхность;
- тепловыделяющие приборы размещают с внутренней стороны на сотовых панелях-радиаторах, в которых встроены нерегулируемые (аксиальные) тепловые трубы. Приборы разделяют на группы по близким диапазонам допустимых температур и размещают на отдельных термостабилизированных сотопанелях;
- регулирование температур для термостабилизации сотопанелей осуществляется с помощью электронагревателей с управляющими датчиками температур. Включением электронагревателей компенсируют уменьшение тепловыделения аппаратуры в дежурном режиме и уменьшение внешнего теплового потока, например на теневых участках орбиты.
Применение пассивных средств СОТР позволяет свести к минимуму нерегулируемый теплообмен КА с окружающей средой и тем самым способствовать обеспечению более точного его терморегулирования. При этом пассивные средства имеют очевидные преимущества перед активными - СОТР на их основе более надежны в эксплуатации и имеет меньшую массу.
Оптимальным выбором состава и параметров пассивных и активных средств терморегулирования достигается минимум массы и энергопотребления СОТР, что также является существенным для КА.
Сущность первого существенного признака предложенного технического решения заключается в обеспечении пассивными средствами температур сотопанелей на уровне номинального значения диапазона допустимых температур приборов этих сотопанелей при штатном теплонагружении КА. Под номинальным значением понимается среднее значение диапазона допустимых температур. Например, для диапазона допустимых температур приборов сотопанели от 0 до 40°C номинальное значение равно 20°C.
Реализован указанный признак может быть пассивными средствами СОТР с параметрами:
ЭВТИ, закрывающей определенные площади как сотопанелей, так и остальных поверхностей КА;
радиационными теплообменниками (РТО) с нанесенными на их внешнюю поверхность ТРП с определенными оптическими коэффициентами;
встроенными в сотопанели нерегулируемыми ТТ;
коллекторными нерегулируемыми ТТ, объединяющими в тепловом отношении все сотопанели.
При расчете теплового режима приборного отсека КА учитывают инерционную массовую теплоемкость сотопанелей и установленных на них приборов, что в совокупности с высокой тепловой связью, обеспечиваемой коллекторными тепловыми трубами, объединяющими все сотопанели в единый тепловой контур, позволяет получить изменение температуры сотопанелей в более узком диапазоне в условиях изменяющихся тепловых нагрузок на КА. Что в конечном счете повышает точность терморегулирования приборов и КА в целом и, тем самым, повышает надежность их работы.
s
Также тепловым расчетом определяют площадь поверхности и места размещения РТО на условия сброса излучением штатной тепловой нагрузки, равной сумме штатного энерговыделения приборов сотопанели и штатного внешнего теплонагружении КА, на уровне номинального значения допустимой температуры сотопанелей и номинальных (недеградированных) значениях оптических коэффициентов ТРП - A (коэффициент поглощения солнечного излучения) и s (степень черноты поверхности). Обязательно проверяют значения температур сотопанелей на конец эксплуатации КА, т.е. с учетом деградации указанных характеристик ТРП. При этом температуры сотопанелей не должны превышать уровня верхних значений допустимого диапазона.
Таким образом, использование указанных пассивных средств СОТР обеспечивает температуру сотопанелей на уровне номинального значения диапазона допустимых температур приборов этих сотопанелей, а также обуславливает повышение надежности и снижение массы СОТР и КА.
При пониженном (нештатном) теплонагружении КА происходит снижение температуры сотопанелей. Пассивные средства СОТР в данном случае могут не обеспечить допустимый диапазон температур посадочных мест приборов. Поэтому предложенный способ терморегулирования включает обеспечение температур сотопанелей с помощью активного средства СОТР - электронагревателей, располагаемых на коллекторных ТТ на каждой сотопанели.
В отличие от ближайшего аналога предложен более узкий диапазон регулирования температур - от предельного нижнего до номинального значения диапазона допустимых температур приборов. Такой дипазон обусловлен необходимостью обеспечения предельного нижнего значения допустимой температуры сотопанели и рациональным использованием электроэнергии на борту КА, т.к. нет необходимости поддерживать температуру сотопанели выше номинального значения.
Более того, при дефиците электроэнергии на борту КА регулирование электронагревателями температур сотопанелей осуществляют в заданном интервале нижней границы диапазона регулирования температур, т.е. в интервале, близком к предельному нижнему значению допустимой температуры, а при наличии электроэнергии регулирование температур сотопанелей осуществляют в заданном интервале верхней границы диапазона регулирования температур, т.е. в интервале, близком к номинальному значению диапазона допустимых температур приборов.
Например, предложенный диапазон регулирования температур - от 0°C (предельное нижнее значение) до 20°C (номинальное значение), а возможные интервалы регулирования температур составляют:
от 2°C (с учетом погрешности измерения температуры, чтобы не выйти за предельное нижнее значение) до 6°C - заданный интервал нижней границы диапазона регулирования температур при пониженном энергопотреблении приборов и дефиците электроэнергии на борту КА;
от 15°C до 20°C - заданный интервал верхней границы диапазона регулирования температур при наличии электроэнергии на борту КА и для сохранения ресурса системы генерирования электроэнергии (СГЭ) - в этом случае избыток электроэнергии направляется непосредственно на электронагреватели СОТР, а не на регулятор избыточной мощности СГЭ.
Предложенное терморегулирование температур сотопанелей осуществляют электронагревателями, мощность каждого из которых не превышает штатного энерговыделения приборов соответствующих сотопанелей. Такой выбор значения мощности ЭН обусловлен оптимизацией параметров СОТР в части электропотребления, обеспечения надежной работы автоматики управления ЭН и улучшенной термостабилизации сотопанелей. При этом электроэнергия используется рационально - при ее дефиците температура сотопанелей поддерживается в интервале температур, близком к предельному нижнему значению, а при наличии электроэнергии - в интервале температур, близком к номинальному значению диапазона допустимых температур приборов.
Предложенное техническое решение поясняется схемой четырех сотопанелей (показанных в развернутом виде) приборного отсека КА, содержащего негерметичный приборный контейнер в виде параллелепипеда с сотопанелями, выполненными в виде радиаторов-излучателей, на внутренних сторонах которых установлены приборы.
На схеме введены обозначения:
1 - сотопанель;
2 - приборы, установленные на внутренней поверхности сотопанели;
3 - встроенные в сотопанель тепловые трубы;
4 - коллекторные тепловые трубы (на наружной поверхности сотопанелей);
5 - электронагреватели на коллекторных тепловых трубах;
6 - управляющие датчики температур;
7 - радиационный теплообменник (участок наружной поверхности сотопанели, не закрытый ЭВТИ).
Предложенный способ терморегулирования КА реализуется следующим образом.
СОТР КА проектируют и изготавливают на условия обеспечения номинальных значений температур сотопанелей 1, на которых установлены приборы 2. Пассивные средства СОТР:
встроенные в сотопанель нерегулируемые тепловые трубы 3 равномерно распределяют по сотопанели тепловыделение от приборов 2;
s
РТО 7 с определенными характеристиками ТРП - коэффициентом поглощения солнечного излучения A и степенью черноты поверхности s излучает избыточное тепло в космос;
ЭВТИ (на схеме не показана), закрывающая наружную поверхность сотопанелей 1 кроме РТО 7, минимизирует нерегулируемый теплообмен с окружающим пространством;
коллекторные тепловые трубы 4 перераспределяют тепло между сотопанелями 1, объединяя все четыре сотопанели в единый тепловой контур.
При штатном тепловыделении приборов 2 и штатных внешних тепловых потоках, воздействующих на наружную поверхность сотопанелей 1, предложенными пассивными средствами СОТР обеспечивается температура сотопанели на уровне номинального значения.
Активные средства СОТР - ЭН 5 по сигналам управляющих датчиков температур 6 преобразованием электрической энергии в тепловую поддерживают температуры сотопанелей 1 в одном из предварительно заданных интервалах регулирования температур, находящихся внутри диапазона регулирования температур от предельного нижнего значения до номинального значения. Тепловыделение от ЭН 5 передается через коллекторные тепловые трубы 4 на встроенные тепловые трубы 3, которыми равномерно распределяется по сотопанели 1.
Таким образом, предложенным способом терморегулирования при штатном (внутреннем и внешнем) тепловом нагружении КА указанными пассивными средствами СОТР на сотопанелях обеспечены номинальные значения диапазона допустимых температур, а при уменьшенном тепловом нагружении функционированием электронагревателей определенной мощности на сотопанелях поддерживается один из узких интервалов температур - при дефиците электроэнергии реализуется интервал, приближенный к нижнему предельному значению, а при наличии электроэнергии реализуется интервал, приближенный к номинальному значению диапазона допустимых температур.
Положительный эффект предложенного способа терморегулирования заключается в улучшении термостабилизации установленных на сотопанелях приборов с одновременным повышением надежности, уменьшением массы и энергопотребления СОТР.