СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПРЕЦИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Предлагаемое техническое решение имеет отношение к космической технике, в частности, к системам терморегулирования полезной нагрузки космических аппаратов (КА) и может быть использовано для обеспечения теплового режима прецизионных приборов и другого оборудования КА, требующего точного поддержания температуры.
Известны системы обеспечения теплового режима служебных приборов и полезной нагрузки космических аппаратов, в которых терморегулирование приборов осуществляется посредством установки приборов на термостатируемые платформы и поддержанием температуры посадочных мест приборов в заданном диапазоне [Патент РФ №2092398, C1 B64G 1/10]. Такие платформы могут быть изготовлены из легкого теплопроводного металла с помощью фрезерования или литья, либо склеены в виде сотопанелей, при этом, в большинстве случаев, независимо от способа изготовления, они оснащаются теплопроводами, преимущественно, тепловыми трубами, с помощью которых тепло от посадочных мест оборудования отводится к радиаторам или к излучающим зонам (участкам) самих термостатируемых платформ (панелей).
Известна система обеспечения теплового режима, в которой тепло от платформы с установленными приборами отводится к радиаторам с помощью контурных тепловых труб (КнТТ) [K.A.Goncharov, E.Yu.Kotlyarov and G.P.Serov, Computer Model of Satellite Thermal Control System Using a Controlled Capillary Pumped Loop, Proceeding of 23-th International Conference on Environmental Systems, Colorado Springs, USA, 1993, #932306 SAE Technical Paper Series]. В данном случае испарители КнТТ с помощью коллекторных теплопроводов соединяются со всеми тепловыми трубами, вмонтированными в платформу и отводящими тепло от оборудования, а конденсаторы КнТТ встраиваются в радиационные теплообменники. Указанное решение нашло широкое применение на практике, поскольку с помощью КнТТ можно обеспечить эффективное и точное регулирование температуры, а также передавать значительные тепловые потоки.
Известна «Система обеспечения теплового режима тепловой сотопанели служебных систем» (СОТР ТСП СС) КА «Электро», разработанного в НПО им. С.А.Лавочкина и, в настоящее время, выполняющего задачу на орбите ИСЗ [Альтов В.В., Гуля В.М., Копяткевич P.M., Мишин Г.С., Гончаров К.А., Кочетков А.Ю., Тулин Д.В., Шабарчин А.Ф., Тепловое проектирование и пофрагментная наземная отработка системы обеспечения теплового режима космического аппарата негерметичного исполнения на базе сотопанелей с тепловыми трубами, «Космонавтика и ракетостроение», ЦНИИМАШ, Королев, Россия, вып.3(60), 2010, стр 34-41]. Для поддержания заданного теплового режима основная часть служебной аппаратуры КА «Электро» установлена на тепловой сотопанели (ТСП). Данная панель имеет форму плоского восьмигранника и представляет собой трехслойную клееную сотопанель со встроенными аксиальными тепловыми трубами. Тепловая мощность, выделяемая аппаратурой, установленной на ТСП, отводится от посадочных мест аксиальными тепловыми трубами к коллекторному теплопроводу и, далее, контурными тепловыми трубами к рабочей поверхности радиаторов, откуда излучается в окружающее пространство. В состав СОТР ТСП СС входят два радиатора на базе контурных тепловых труб, излучающие поверхности которых ориентированы, соответственно, по направлению «-Z» и по направлению «+Z». На Фиг.1 показан КА «Электро», несущий несколько сотопанелей и несколько радиаторов, в частности, радиаторы и сотопанель СОТР ТСП СС.
Основными элементами систем типа СОТР ТСП СС являются радиаторы на базе КнТТ, которые принято называть теплопроводами радиаторов (ТПР), поскольку КнТТ и радиатор в данном случае представляют единый конструктивный элемент. Каждый ТПР на базе КнТТ содержит следующие компоненты:
- испаритель с капиллярным насосом и присоединенной компенсационной полостью;
- транспортные каналы для пара и жидкости, (паропровод и конденсатопровод), с помощью которых соединяется испаритель с конденсатором;
- радиационный теплообменник, в который конструктивно встроен конденсатор КнТТ.
В конструкции КнТТ, на базе которых строится ТПР, как правило, предусмотрены необходимые элементы, обеспечивающие регулирование температуры, например, регулятор давления.
Наиболее близким аналогом к заявленной системе обеспечения теплового режима прецизионных приборов космического аппарата, выбранной в качестве прототипа, является система обеспечения теплового режима (СОТР) прецизионных приборов космического аппарата [Tulin D.V., Tulin I.D., Goncharov K.A., Kochetkov A.Yu. Termal control system of the precision instrument board integrated into meteorological satellite. Proceedings of the VII Minsk International Seminar "Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators, Power Sources",VII Minsk International Seminar, Minsk, Belarus, 2008, p.445-455]^ которая входит в состав КА «Электро» и содержит термостабилизируемую платформу с посадочными местами для установки приборов, выполненную в виде плоской сотопанели с встроенными тепловыми трубами, соединенными друг с другом общим коллекторным теплопроводом, и теплопровод радиатора на базе контурной тепловой трубы, испаритель которой контактирует с коллекторным теплопроводом, а конденсатор интегрирован в радиатор, рассеивающий тепло в космическое пространство, при этом посадочные места для установки приборов, контактирующие с тепловыделяющими основаниями приборов, расположены по обе стороны сотопанели.
На Фиг.2 показана термостабилизируемая платформа прецизионных приборов КА «Электро», которая выполнена в виде сотопанели. Здесь же изображены основные элементы системы терморегулирования.
Как видно из Фиг.2 на сотопанели, снизу, на кронштейнах, расположены три астродатчика, а сверху - прибор ГИВУС (который показан в виде цилиндра) и два одинаковых многозональных сканирующих устройства (МСУ), к которым предъявляются наиболее жесткие требования в отношении точности поддержания температуры. Далее, прежде всего, эти приборы будут упоминаться как прецизионные.
Схематично СОТР прецизионных приборов (СОТР ПП) показана на Фиг.3. Данная СОТР состоит из:
- тепловой сотопанели (1), предназначенной для двухсторонней установки приборов и имеющей встроенные тепловые трубы (2);
- коллекторного теплопровода (3), который контактирует (через обечайку ТСП) с каждой из тепловых труб встроенных в ТСП и с испарителем (4) КнТТ;
-теплопровода радиатора (5), на базе КнТТ, который конструктивно объединяет радиатор (6) и контурную тепловую трубу, причем конденсатор КнТТ, равномерно, интегрирован в радиатор (6).
Тепловое соединение всех тепловых труб между собой и, одновременно, с испарителем КнТТ осуществляется с помощью коллекторного теплопровода, который в настоящем примере выполнен в виде трех параллельно установленных аксиальных тепловых труб. Таким образом, организуется отвод тепла от посадочных мест приборов, размещенных на ТСП к радиационному теплообменнику.
Описанное выше решение в настоящий момент используется для обеспечения теплового режима прецизионных приборов КА «Электро» НПО им. С.А.Лавочкина. Однако, при повышении мощности установленных на ТСП блоков разработанная СОТР имеет существенные ограничения, связанные с ростом градиентов температуры на ТСП, с ростом перепадов температуры в стыках теплопередающих агрегатов, а также с ростом внутренних градиентов температуры в самих блоках аппаратуры.
Предлагаемое техническое решение было разработано в связи со значительным увеличением тепловой мощности, выделяемой от блоков МСУ, модифицированных для применения в новой версии КА «Электро». Поддержание заданного температурного режима здесь невозможно достичь простым увеличением числа тепловых труб и/или увеличением площади имеющегося радиатора. Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является обеспечение сохранения заданного уровня рабочей температуры прецизионных приборов при недопущении повышенных температурных градиентов, как между посадочными местами, так и внутри самих приборов.
Указанная задача обеспечивается тем, что в отличие от известной системы обеспечения теплового режима прецизионных приборов космического аппарата, содержащей термостабилизируемую платформу с посадочными местами для установки приборов, выполненную в виде плоской сотопанели с встроенными тепловыми трубами, соединенными друг с другом общим коллекторным теплопроводом, и теплопровод радиатора на базе контурной тепловой трубы, испаритель которой контактирует с коллекторным теплопроводом, а конденсатор интегрирован в радиатор, рассеивающий тепло в космическое пространство, при этом посадочные места для установки приборов, контактирующие с тепловыделяющими основаниями приборов, расположены по обе стороны сотопанели, новым является то, что система снабжена плоскими контактными теплообменниками со встроенными в них тепловыми трубами, установленными внутри прецизионных приборов, и дополнительными теплопроводами радиаторов на базе контурных тепловых труб, при этом тепловые трубы каждого контактного теплообменника контактируют с испарителем соответствующего дополнительного теплопровода радиатора
Кроме того, система снабжена дополнительным коллекторным теплопроводом, соединяющим тепловые трубы контактных теплообменников с возможностью обеспечения теплового контакта между ними.
Кроме того, контактные теплообменники выполнены монолитными и имеют ложементы для размещения встроенных тепловых труб.
Кроме того, контактные теплообменники выполнены на основе аксиальных тепловых труб заправленных аммиаком.
Кроме того, контактные теплообменники выполнены в виде сотопанелей с встроенными тепловыми трубами.
Кроме того, основной и дополнительные радиаторы расположены в параллельных плоскостях без совмещения их проекций.
Кроме того, дополнительный коллекторный теплопровод выполнен на базе, по меньшей мере, одной аксиальной тепловой трубы заправленной аммиаком.
Установка внутри прецизионных приборов плоских контактных теплообменников с встроенными в них тепловыми трубами, размещенными внутри прецизионных приборов, и снабжение системы дополнительными теплопроводами радиаторов на базе контурных тепловых труб, а также контактирование тепловых труб каждого контактного теплообменника с испарителем соответствующего дополнительного теплопровода радиатора позволяет более эффективно отвести излишнее тепло от прецизионных приборов к излучающим поверхностям и снизить градиенты температуры.
Наличие дополнительного коллекторного теплопровода, соединяющего тепловые трубы контактных теплообменников с возможностью обеспечения теплового контакта между ними, обеспечивает дополнительное выравнивание (снижение градиентов) температуры, и, кроме того, позволяет реализовать функцию дублирования на базе двух дополнительных теплопроводов радиаторов (если блоки МСУ будут работать поочередно), за счет чего повышается надежность системы.
Выполнение контактных теплообменников монолитными, с ложементами для размещения встроенных тепловых труб повышает их прочность и надежность и обеспечивает эффективную теплоотдачу от приборов.
Выполнение контактных теплообменников на основе аксиальных тепловых труб заправленных аммиаком упрощает их интегрирование в систему терморегулирования.
Выполнение контактных теплообменников в виде сотопанелей с встроенными тепловыми трубами уменьшает их массу.
Размещение основного и дополнительного радиатора расположены в параллельных плоскостях без совмещения их проекций.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - общий вид панели служебных систем и радиаторов СОТРТСПСС;
Фиг.2 - общий вид существующей термостабилизируемой платформы прецизионных приборов КА «Электро» (прототип);
Фиг.3-принципиальная схема существующей СОТР прецизионных приборов (прототип);
Фиг.4 и Фиг.5 - общий вид заявляемой термостабилизируемой платформы прецизионных приборов КА «Электро»;
Фиг.6 - принципиальная схема заявляемой СОТР прецизионных приборов (СОТР ГШ) (часть схемы с элементами, известными из прототипа);
Фиг.7 - принципиальная схема заявляемой СОТР прецизионных приборов (СОТР ПП) (часть схемы с дополнительно введенными элементами СОТР);
Заявляемая система обеспечения теплового режима прецизионных приборов космического аппарата показанная на Фиг.4-7 включает термостабилизируемую платформу (1) с посадочными местами для установки приборов, выполненную в виде плоской сотопанели с встроенными тепловыми трубами (2), соединенными друг с другом общим коллекторным теплопроводом (3), и теплопровод радиатора (5) на базе контурной тепловой трубы, испаритель (4) которой контактирует с коллекторным теплопроводом (3), а конденсатор интегрирован в радиатор (6), рассеивающий тепло в космическое пространство. Посадочные места для установки приборов, контактирующие с тепловыделяющими основаниями приборов, расположены по обе стороны сотопанели. В частности, блоки МСУ, контактируют с ТСП (1), с одной стороны, в пределах контактных зон «А». Внутри прецизионных приборов установлены плоские контактные теплообменники (7) со встроенными в них тепловыми трубами (8). Тепловые трубы каждого контактного теплообменника контактируют с испарителем (9) соответствующего дополнительного теплопровода радиатора (10). Выделяющие тепло внутренние элементы МСУ, контактируют с теплообменниками (7) в пределах контактных зон «Б», с двух сторон. Система обеспечения теплового режима может быть снабжена дополнительным коллекторным теплопроводом (11), соединяющим тепловые трубы (8) контактных теплообменников с возможностью обеспечения теплового контакта между ними. Контактные теплообменники (7) могут быть выполнены монолитными с ложементами для размещения встроенных тепловых труб или в виде сотопанелей с встроенными тепловыми трубами. В качестве тепловых труб могут использоваться аксиальные тепловые трубы заправленные аммиаком. Указанные трубы могут быть использованы и в дополнительном коллекторном теплопроводе (11). Основной (6) и дополнительные (12) радиаторы расположены в параллельных плоскостях без совмещения их проекций.
Конструктивное исполнение плоских контактных теплообменников может, во многом, наследовать опыт, накопленный при разработке термостатируемых платформ и контактных теплообменников, в которые встраиваются тепловые трубы.
Работает система следующим образом. Тепло выделяемое установленным на ТСП (1) оборудованием передается через обечайку ТСП к интегрированным в ТСП тепловым трубам (2). Далее, отобранное от оборудования тепло через тепловые трубы попадает в более холодный коллекторный теплопровод (3), который также состоит из тепловых труб. От коллекторного теплопровода тепло передается к более холодному испарителю (4) теплопровода радиатора (5) и далее к радиатору (6) где диссипируется в космическое пространство. Одновременно с этим, тепло, которое выделяется мощными блоками МСУ, частично отбирается встроенными в них контактными теплообменниками (7). Каждый контактный теплообменник через испаритель (9) КнТТ отдает тепло непосредственно своему, дополнительному теплопроводу радиатора (10). При этом дополнительные радиаторы (12), принадлежащие соответствующим дополнительным ТПР (10), также рассеивают тепло в окружающее пространство. Это позволяет разгрузить ТСП и снизить температурные градиенты в мощных блоках МСУ.
Поскольку контактные теплообменники соединены между собой дополнительным коллекторным теплопроводом (11) оба дополнительных ТПР могут (одновременно) отводить тепло от каждого МСУ. Это особо важно при поочередном использовании МСУ или при несимметричном их энергопотреблении (тепловыделении).
Таким образом, в представленном на Рис.4 и Рис.5 решении тепло, выделяемое от прецизионных приборов повышенной мощности (МСУ), имеет два параллельных пути для диссипации в открытое космическое пространство
- через основную термостабилизируемую платформу и основной теплопровод радиатора;
- через контактные теплообменники, которые соединены с дополнительными теплопроводами радиаторов.
Разработанное техническое решение позволяет более эффективно отвести тепло от прецизионных приборов к излучающим поверхностям и снизить градиенты температуры. При этом, установка дополнительного коллекторного теплопровода обеспечивает дополнительное выравнивание (снижение градиентов) температуры, а, кроме того, позволяет реализовать функцию дублирования на базе двух дополнительных ТПР (если блоки МСУ будут работать поочередно), за счет чего повышается надежность системы.