СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
THERMAL CONTROL SYSTEM FOR SPACECRAFT EQUIPMENT

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в системах терморегулирования космических аппаратов (КА) для обеспечении теплового режима научного и служебного оборудования, установленного на искусственных спутниках, межпланетных станциях и других космических объектах.
Известны системы терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), в которых тепловой режим приборов обеспечивается путем установки данных приборов на термостатируемую панель (ТСП) с интегрированными в ее структуру тепловыми трубами. Отвод излишков тепла, выделяемого приборами, осуществляется с помощью регулируемой контурной тепловой трубы (КТТ), испаритель которой установлен на термостатируемой панели, а конденсатор встроен в радиационный теплообменник (РТО или радиатор-охладитель, далее - радиатор). Тепло, выделяемое приборами, собирается с помощью тепловых труб в зоне установки испарителя КТТ. Циркулирующий внутри КТТ двухфазный теплоноситель передает тепло от испарителя к конденсатору и, соответственно, к радиатору, излучающему тепло в открытое космическое пространство (патент РФ 130299, приоритет от 02.11.2012).
Обладая переменной тепловой проводимостью, регулируемые КТТ позволяют СТР обеспечивать высокую точность поддержания температуры посадочных мест приборов. При этом регулирование температуры КТТ можно осуществлять различными средствами, например, за счет использования (в составе КТТ) трехходового клапана, который позволяет направлять циркулирующий теплоноситель либо через конденсатор, либо в обход него, по байпасной линии, соединяющей вход и выход испарителя (C.C. Birur, М.Т. Pauken, K.S. Novak, Thermal Control of Mars Rovers and Landers Using Mini Loop Heat Pipes. Proceedings of 12 IHPC, Moscow-Kostroma-Moscow, Russia, 2002, pp. 189-194). Также возможно регулирование с помощью нагревателя, осуществляющего тепловое воздействие на компенсационную полость (патент RU 2062970, приоритет 1996), или с помощью термоэлектрического холодильника (ТЭМХ), имеющего тепловой контакт, одновременно с испарителем и с компенсационной полостью КТТ (патент SU 1834470, приоритет от 1995), или посредством иных элементов, вводимых в конструкцию КТТ.
Использование регулируемой КТТ позволяет не только существенно улучшить точность поддержания температуры в СТР, но и сократить до минимума электрическую мощность, необходимую для поддержания заданной температуры панели в холодных режимах (т.е. когда отсутствует необходимость отведения тепла от панели). Однако наличие последовательного элемента в виде КТТ в теплопередающем тракте между ТСП и РТО одновременно снижает надежность системы, так как при выходе КТТ из строя неизбежен перегрев «в горячее режиме» приборов, установленных на платформе. Это представляет собой существенный недостаток, требует резервирования теплопередающих агрегатов (в данном случае КТТ) и, следовательно, повышает массу СТР и КА.
Наиболее близким аналогом к заявленной системе регулирования, выбранным в качестве прототипа, является, разработанная в НПО им. С.А. Лавочкина СТР КА «Электро», который в настоящее время функционирует на орбите ИСЗ (В.В. Альтов, В.М. Гуля, Р.М. Копяткевич и др. Тепловое проектирование и пофрагментная наземная отработка СТР КА негерметичного исполнения на базе сотопанелей с тепловыми трубами. Космонавтика и ракетостроение №3(60), ЦНИИМАШ, Королев, 2010, с. 33-41). Данная система включает несколько выполненных на базе сотопанелей автономных термостатируемых панелей (ТСП), в том числе ТСП полезной нагрузки, ТСП прецизионных приборов и ТСП аккумуляторной батареи. Тепловая мощность, выделяемая аппаратурой, установленной на каждой ТСП, отводится от посадочных мест блоков аппаратуры аксиальными тепловыми трубами к коллекторному теплопроводу и далее контурными тепловыми трубами к рабочей поверхности радиаторов-охладителей, откуда излучается в окружающее пространство. Средства обеспечения теплового режима каждой ТСП фактически представляют собой автономные субсистемы, обеспечивающие свои задачи, прежде всего, поддержание собственного температурного уровня на ТСП.
Как и в описанном выше аналоге, для обеспечения заданной надежности систем типа СТР КА «Электро» необходимо в пределах каждой субсистемы предусмотреть резервирование (дублирование) РТО, что потребует применения дополнительных КТТ дополнительных РТО и соответствующего увеличения массы КА. Резервирование самих РТО потребует, кроме увеличения массы, использования дефицитного пространства вокруг КА, усложняя его компоновку. При этом указанные проблемы умножаются пропорционально количеству субсистем.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение надежности СТР оборудования КА при снижении массы СТР и расширении возможностей компоновки КА в целом.
Указанная задача обеспечивается тем, что в отличие от известной системы терморегулирования оборудования КА, содержащей не менее двух термостатируемых панелей с встроенными тепловыми трубами и не менее двух радиаторов-охладителей, причем каждая из панелей подключена к отдельному радиатору посредством регулируемых контурных тепловых труб, испарители которых установлены на панелях, а конденсаторы встроены в радиаторы, новым является то, что система снабжена резервным радиатором-охладителем, соединенным посредством дополнительных регулируемых контурных тепловых труб с не менее чем двумя термостатируемыми панелями, при этом испарители дополнительных регулируемых контурных тепловых труб установлены на панелях, а конденсаторы дополнительных регулируемых контурных тепловых труб встроены в резервный радиатор, причем в паропроводах дополнительных контурных тепловых труб установлены управляемые изолирующие клапаны, обеспечивающие перекрытие либо открытие паропроводов при подаче управляющих команд.
Кроме того, в конденсатопроводе каждой дополнительной контурной тепловой трубы установлен управляемый изолирующий клапан, вход и выход которого соединены с помощью обводного трубопровода, содержащего предохранительный клапан для сброса давления в конденсаторе, если оно превышает давление в испарителе.
Кроме того, в паропроводах дополнительных регулируемых контурных тепловых труб между испарителем и управляемым изолирующим клапаном установлен трехходовой клапаном с байпасной магистралью.
Кроме того, площадь дополнительного радиатора выбирается равной площади наибольшего из подсоединенных к термостатируемым панелям радиаторов.
Снабжение системы резервным радиатором, соединенным посредством дополнительных регулируемых контурных тепловых труб с не менее чем двумя термостатируемыми панелями, при этом испарители дополнительных регулируемых контурных тепловых труб установлены на панелях, а конденсаторы дополнительных регулируемых контурных тепловых труб встроены в резервный радиатор, причем в паропроводах дополнительных контурных тепловых труб установлены управляемые изолирующие клапаны, обеспечивающие перекрытие либо открытие паропроводов при подаче управляющих команд, позволяет отказаться от тиражирования резервных РТО пропорционально количеству ТСП. Это позволяет обеспечить повышение надежности СТР КА при снижении массы СТР и общей массы КА. Кроме того, существенно расширяются возможности компоновки КА, поскольку уменьшаются зоны затенения поля зрения приборов и освобождается место для навесных наружных элементов.
Дополнительно с помощью указанного резервного РТО обеспечивается возможность «разгрузки» наиболее горячих ТСП, т.к. в каждый момент времени (до наступления нештатной ситуации) резервный РТО может быть подключен к любой из ТСП. Тем самым максимальная температура ТСП, к которой «по умолчанию» подключен резервный РТО, может быть снижена на весь период работы до наступления нештатной ситуации в какой-либо другой из субсистем.
Резервный РТО может быть использован и как штатный, если циклограммы работы ТСП имеют «сдвинутый по времени максимум». За счет этого вместо резервирования (если таковое не нужно или невозможно) может быть уменьшена общая площадь РТО, применяемая в СТР КА. В «горячие моменты» резервный РТО будет подключаться к соответствующим ТСП не как резервный, а как РТО для снятия «пиковых нагрузок».
Установка в конденсатопроводе каждой дополнительной контурной тепловой трубы управляемого изолирующего клапана позволяет обеспечить перекрытие либо открытие паропроводов при подаче управляющих команд, а соединение с помощью обводного трубопровода, содержащего предохранительный клапан, входа и выхода изолирующего клапана, обеспечивает сброс давления в конденсаторе, если оно превышает давление в испарителе, что повышает надежность СТР.
Наличие в паропроводах дополнительных регулируемых контурных тепловых труб трехходового клапана с байпасной магистралью, размещенного между испарителем и управляемым изолирующим клапаном, обеспечивает регулирование температуры КТТ за счет подключения или отключения РТО посредством изменения направления циркуляции теплоносителя: либо через конденсатор, либо в обход него, по байпасной линии, соединяющей вход и выход испарителя.
Выбор площади дополнительного радиатора равной площади наибольшего из подсоединенных к термостатируемым панелям радиаторов гарантирует возможность замены любого штатного радиатора без снижения качества терморегулирования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - принципиальная схема системы терморегулирования на базе двух ТСП с двумя штатными и одним резервным радиатором;
Фиг. 2 - принципиальная схема системы терморегулирования с отсечными клапанами, установленными в паропроводах КТТ;
Фиг. 3 - принципиальная схема системы терморегулирования с отсечными клапанами, установленными в паропроводах и конденсатопроводах КТТ;
Фиг. 4 - схема установки отсечного и предохранительного клапанов в конденсатопровод дополнительной КТТ, встроенной в резервный РТО;
Фиг. 5 - сечение резервного радиационного теплообменника.
Предлагаемая система терморегулирования КА содержит не менее двух термостатируемых панелей 1, 2 с встроенными тепловыми трубами 3, 4 и не менее двух радиаторов 5, 6. Каждая из панелей 1, 2 подключена к отдельному радиатору 5, 6 посредством регулируемых контурных тепловых труб 7, 8, испарители 9, 10 которых установлены на панелях 1, 2, а конденсаторы 11, 12 встроены в радиаторы 5, 6. Система снабжена резервным радиатором 13, соединенным посредством дополнительных регулируемых контурных тепловых труб 14, 15 с не менее чем двумя термостатируемыми панелями 1, 2, при этом испарители 16, 17 дополнительных регулируемых контурных тепловых труб установлены на панелях 1, 2, а конденсаторы 18, 19 дополнительных регулируемых контурных тепловых труб 14, 15 встроены в резервный радиатор 13 и гидравлически независимы. В паропроводах 20, 21 дополнительных контурных тепловых труб 14, 15 установлены управляемые изолирующие клапаны 22, 23, обеспечивающие перекрытие либо открытие паропроводов 20, 21 при подаче управляющих команд.
В конденсатопроводе 24, 25 каждой дополнительной контурной тепловой трубы установлен управляемый изолирующий клапан 26, 27, вход и выход которого соединены с помощью обводного трубопровода 28, содержащего предохранительный клапан 29 для сброса давления в конденсаторе, если оно превышает давление в испарителе. Кроме того, в паропроводах 20, 21 дополнительных регулируемых контурных тепловых труб 14, 15 между испарителем 16, 17 и управляемым изолирующим клапаном 22, 23 установлен трехходовой клапан 30, 31 с байпасной магистралью 32, 33.
В процессе работы дополнительный резервный РТО 13 подключается в качестве рабочего к одной (любой) из ТСП, например к ТСП 1. Для этого КТТ 15, соединяющая резервный РТО 13 с другой ТСП 2, отключается с помощью соответствующего управляемого изолирующего клапана 23 путем его закрытия. В работающей дополнительной КТТ 14 клапан 22, соответственно, открыт.
Поскольку тепловая связь между ТСП 1 и резервным РТО 13 является регулируемой - избыточная площадь, создаваемая для данной субсистемы с помощью резервного РТО 13, не способна снизить температуру на ТСП 1 ниже заданной, но делает ее ниже для горячих режимов, что обеспечивает более комфортную температуру оборудования и тем самым способствует увеличению ресурса его работы. При отказе КТТ 7, обеспечивающей связь ТСП 1 с принадлежащим ей (по тепловой схеме) РТО 5, дополнительная КТТ 14 автоматически возьмет на себя функции неработоспособного РТО 5. Команда оператора здесь не требуется, так как резервный РТО 13 уже подключен к ТСП 1.
Если откажет КТТ 8, обеспечивающая связь ТСП 2 со своим РТО 6, резервный РТО 13 будет (например, по команде оператора) отключен от ТСП 1 и подключен к ТСП 2. Для этого изолирующий клапан 22 КнТТ 14 должен быть закрыт, а изолирующий клапан 23 КнТТ 15, наоборот, - открыт. Подобное переключение может производиться и автоматически по показаниям температурных датчиков.
Для описанного алгоритма работы совершенно нетрудно определить параметры рабочей поверхности резервного РТО 13, поскольку его хладопроизводительность должна быть не меньшей, чем любого из штатных РТО 5, 6, обслуживающих ТСП, к которым резервный РТО подключен (для перспективного применения в качестве замены).
Если же в перспективной СТР предусматривается применение РТО 13 не в качестве резервного РТО, а в качестве универсального РТО, переключаемого между ТСП с помощью изолирующих клапанов, для поочередного снятия пиковых тепловых нагрузок на разных ТСП, тогда параметры такого РТО следует определять на основе тепловых расчетов, учитывающих специфику применения КА и его оборудования.
В дополнение к имеющимся в паропроводах 20, 21 управляемым изолирующим клапанам 22, 23 между испарителем 16, 17 и управляемым изолирующим клапаном 22, 23 может быть установлен трехходовой клапан 30, 31, выполняющий функции пассивного регулятора температуры, прекращающего циркуляцию через конденсатор и направляя ее в обход по байпасной линии 32, 33, когда хладопроизводительность РТО 13 превышает требуемую. Электрическое управление состоянием клапанов 22, 23 и 26, 27 осуществляется с помощью электронного блока 34.
На Фиг. 3 показана модификация заявляемого технического решения в части оснащения дополнительных КТТ. Поскольку в ряде случаев внешние тепловые воздействия на РТО КА могут привести к циклическим (многократным и нежелательным) перемещениям теплоносителя через свободно открытый конденсатопровод 24, 25 из испарителя 16, 17 в конденсатор 18, 19 и наоборот - дополнительные КТТ 14, 15 могут быть снабжены еще одним изолирующим клапаном 26, 27, который (одновременно, с перекрытием паропровода 20, 21) будет перекрывать конденсатопровод 24. 25. Двойное перекрытие позволит избежать паразитной циркуляции теплоносителя также при наземных испытаниях СТР КА, т.е. когда жидкий сконденсировавшийся теплоноситель способен перемещаться «самотеком» между элементами КТТ, находящимися на разной высоте.
Для того чтобы при нагреве РТО 13, запертый с двух сторон, конденсатор 18, 19 КТТ 14, 15 не разгерметизировался (не разрушился) - один из изолирующих клапанов в каждой КТТ должен быть «неидеально герметичным» либо иметь параллельно установленный предохранительный клапан 29. Разовый частичный сброс теплоносителя из конденсатора в зону, сообщающуюся с испарителем, решит проблему, поскольку в испарителе КТТ предусмотрен необходимый запас внутреннего пространства для размещения жидкого теплоносителя с учетом его расширения. Решение с предохранительным клапаном разъясняет схема, показанная на Фиг. 4.
Частные варианты конструктивных решений, с помощью которых экструдированный профиль конденсатора 18, 19 позволит подключать к одному (резервному) РТО 13 более одного конденсатора, показаны на Фиг. 5. Для этого в одном профиле делается два или более независимых каналов. В примере Фиг. 5 профиль конденсаторов 18, 19 интегрируется в трехслойную сотопанель, имеющую соты 35, закрытые с двух сторон обечайками 36 из листов алюминия.
Поскольку при реализации дублирования КТТ и РТО нельзя предсказать, какой именно контур выйдет из строя, а кроме того, маловероятно, что это произойдет одновременно, придание резервному РТО универсальных возможностей позволит обойтись в качестве резерва одним РТО для всех штатных РТО, в противном случае каждый штатный РТО было бы необходимо обеспечить собственным резервным РТО. В тех случаях, когда размещение требуемого количества РТО с заданными габаритами не представляется возможным в силу особенностей компоновки КА, применение универсального резервного РТО совместно с оптимизацией циклограммы работы оборудования позволит решить техническую задачу по обеспечению теплового режима оборудования КА.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить надежность СТР оборудования КА и расширить функциональные возможности СТР, построенных на базе нескольких ТСП или разрозненных локальных СТР, предназначенных для обеспечения теплового режима отдельно стоящих приборов и оборудования. При этом обеспечивается снижение массы СТР и снятие ряда компоновочных ограничений, усложняющих разработку КА.