Саморегулируемый блок с нагревательным элементом для термостабилизации приборного отсека космического аппарата

Область техники, к которой относится предлагаемое техническое решение
Полезная модель относится к космической технике, конкретно к системам обеспечения теплового режима космического аппарата.
Описание уровня техники в данной области
В настоящее время существует устоявшаяся схема обеспечения теплового режима космических аппаратов. Она основана на излучении генерируемого внутри аппарата теплового потока радиаторами-излучателями, размещенными на поверхности космического аппарата. Такая схема предполагает наличие в космическом аппарате радиаторов излучателей; теплопроводов, нагревателей, датчиков температуры и блока управления нагревателями (патент RU 2603690). Данные элементы выполняют следующие функции. Теплопроводы (обычно тепловые трубы) обеспечивают передачу теплового потока от источников тепла внутри космического аппарата (электронных блоков) к радиаторам-излучателям. Нагреватели обеспечивают термостабилизацию конструкции космического аппарата, компенсируя неравномерность теплового потока, генерируемого источниками тепла или неравномерность внешнего теплового потока, падающего на радиаторы-излучатели. Блок управления регулирует мощностью нагревателей по показаниям термодатчиков. В системе терморегулирования имеется, как правило, только одно устройство управления нагревателями. Данное устройство практически единственный электронный блок в системе термостабилизации космических аппаратов, оснащенный сложными электронными компонентами. В качестве примера такого устройства можно рассмотреть устройство управления нагревателями (патент RU 2571728 опубл. 200.12.2015 в бюл. №35). Поскольку электронные компоненты являются элементами, существенно снижающими свою надежность в условиях космического пространства, то и единственное в структуре системы термостабилизации космического аппарата сложное электронное устройство управления нагревателями является одним из самых ненадежных элементов этой системы.
Цель предлагаемого решения
Целью предлагаемого решения является повышение надежности системы термостабилизации приборного отсека космического аппарата путем исключения из ее состава централизованного устройства управления нагревателями.
Описание прототипа
Прототипом предлагаемого решения является система термостабилизации приборного отсека космического аппарата (патент RU №2603690 опубл. 27.11.2016 в Бюл. №33). Данное устройство включает систему отвода тепла от тепловыделяющих элементов и систему контроля и регулировки температуры. Система отвода тепла состоит из радиатора-излучателя и тепловых труб, соединяющих тепловыделяющие элементы и радиатор-излучатель. Система контроля и регулировки температуры включает датчики температуры, нагреватели, и блок управления, регулирующий мощность нагревателей по показаниям датчиков температуры. Одним из существенных недостатков данной системы является критическая зависимость ее работоспособности от исправности блока управления нагревателями. Исходя из сложности подобного электронного блока (см., например, патент RU №2571728, опубл. 20.12.2015 в Бюл. №35 - «Устройство управления нагревателями аппаратуры космического аппарата») и возрастания вероятности отказов электронных компонентов при внешних воздействиях на них факторов космического пространства, данный блок является самым слабым звеном в структуре надежности системы термостабилизации приборного отсека космического аппарата. Необходимо отметить также повышенную стоимость такого блока из-за использования электронных компонентов космического применения, стоимость которых многократно превышает стоимость некосмических компонентов и то, что возможное решение по дублированию систем данного блока приводит к увеличению массы, габаритов и стоимости устройства.
Сущность предлагаемого технического решения
Предлагается децентрализованная система термостабилизации приборного отсека космического аппарата, в одной из частей которой, а именно в системе контроля и регулировки температуры, отсутствует центральный блок управления нагревателями. В такой системе контроля и регулировки температуры нагреватели, датчики температуры и блок управления заменяются саморегулируемыми нагревательными элементами. Каждый такой элемент настроен на поддержание определенной температуры (уставки) и объединяет функции нагревателя, датчика температуры и регулятора. В таком саморегулируемом нагревательном элементе тепловыделение обратно пропорциональным разности между заданной температурой и температурой тепловыделяющей поверхности нагревательного элемента. Такой эффект достигается за счет взаимодействия электрической схемы и определенных тепловых свойств нагревательного элемента. Электрическая схема этого элемента включает два транзистора, один из которых (управляющий) работает в термочувствительном режиме и осуществляет управление по электрической цепи другим транзистором (тепловыделяющим), работающим в режиме аналогового усилителя или электронного ключа. Управление осуществляется по тепловой обратной между транзисторами возникающей за счет обеспечения тепловой связи между ними через теплопроводное и тепловыделяющее основание нагревательного элемента.
Описание в статике
Предлагаемая конструкция термостабилизации приборного отсека космического аппарата представляет собой классическую совокупность двух систем - систему отвода тепла от тепловыделяющих элементов и систему регулировки температуры.
Система отвода тепла от тепловыделяющих элементов может иметь различную конструкцию, например такую же конструкцию, как в прототипе, в котором данная система представляет собой последовательно соединенные тепловыделяющие элементы, тепловые трубы и радиатор-излучатель. Так же функции данной системы может выполнять корпусные элементы отсека (в качестве теплопровода), соединяющие тепловыделяющие элементы и посадочные места отсека (в качестве теплостока).
Система регулировки температуры представляет собой набор саморегулируемых нагревательных элементов, размещенных в местах конструкции приборного отсека космического аппарата, в которых требуется поддерживать температуру на определенном уровне. Обычно эти места совпадают с посадочными местами тепловыделяющих элементов приборного отсека. Все саморегулируемые нагревательные элементы имеют одинаковую электрическую и тепловую схемы. Необходимый и достаточный вариант предлагаемого технического решения представлен на рисунке 1, где показана принципиальная электрическая схема саморегулируемого нагревательного элемента с указанием тепловых связей и элементов.
В состав схемы нагревательного элемента входят: теплопроводное основание, три транзистора - VT1, VT2, VT3 и семь электрических сопротивлений - R1-R6, Rш. Схема должна быть подключена к источнику электропитания +/- U пит и иметь в своем составе источник опорного напряжения +U стаб.
Между элементами схемы имеются тепловые и электрические связи.
Тепловыми связями являются контакты с малым тепловым сопротивлением между теплопроводным основанием и транзисторами VT1 и VT3. Такое соединение приводит к возникновению обратной тепловой связи между данными транзисторами через теплопроводное основание.
Электрические связи реализуется следующим образом.
Коллектор первого n-p-n транзистора VT1, выполняющего роль термочувствительного элемента, подключен к затвору n-канального полевого транзистора VT3, выполняющего роль нагревателя.
Коллектор второго n-p-n транзистора VT2 подключен к затвору полевого транзистора VT3, обеспечивающего ограничение по току, протекающему через полевой транзистор VT3 путем снятия напряжения с шунта Rш, включенного к истоку транзистора VT3, и подаче его на базу VT2.
Электрические сопротивления R1 и R2 обеспечивают настройку температуры термостабилизации теплопроводного основания. Сопротивления R3-R6 согласуют режимы работы транзисторов. Сопротивления R3-R6 необходимы для согласования всей схемы.
Описание в динамике
Каждый саморегулируемый нагревательный элемент работает как аналоговый П-регулятор (пропорциональный регулятор), который в зависимости от отклонения температуры от уставки (уровня температуры, который должен поддерживаться на теплопроводном основании), регулирует мощность нагревательного элемента.
Повышение температуры теплопроводного основания и связанного с ним транзистора VT1 приводит к увеличению тока коллектора транзистора VT1 и соответственно к понижению напряжения на затворе VT3. Понижение напряжения на затворе VT3 (приближение его к потенциалу «-Uпит») приводит к его закрытию и уменьшению протекающего тока, т.е. тепловой мощности, выделяемой VT3 на теплопроводное основание. Теплопроводное основание вместе с VT3 остывает, что влечет за собой понижение температуры и на VT1. Происходит обратный процесс - понижение температуры теплопроводного основания и связанного с ним транзистора VT1 приводит к уменьшению тока через транзистор. Соответственно, повышается потенциал на затворе VT3, что приоткрывает его, и увеличивает ток через VT3. Тепловая мощность транзистора VT3 передается на теплопроводное основание. Для ограничения тока через VT3 и защиты его от перегрева (ограничение тепловой мощности VT3) служит транзистор VT2, который открывается при увеличении напряжения на базе, а напряжение на базе, в свою очередь, определяется током через шунт Rш и транзистор VT3.
Таким образом, схема работает как классический П-регулятор, тепловыделение которого обратно пропорционально температуре на некотором интервале.
Вне этого интервала - максимальная тепловая мощность (ток через VT3) ограничена VT2 и Rш и составляет заданную Pmax, а минимальная мощность Pmin определяется током потребления схемы через R4, током закрытого транзистора VT3, а также схемой формирования напряжения +Uстаб.
График выделяемой мощности от температуры посадочного места показан на рисунке 2.
Коэффициент П-регулятора определяет крутизну наклона кривой, он определяется в схеме номиналами элементов R1, R2, R3 и коэффициентом усиления транзистора VT1. При увеличении коэффициента П-регулятор приближается к релейному режиму управления.
Пример реализации предложенного устройства.
Был изготовлен опытный образец устройства и проведены экспериментальные исследования его характеристик. Общий вид опытного образца с креплением к нагреваемой поверхности - на рисунке 3.
Проведены испытания на двух образцах изделия. Испытания проводились в климатической камере. Изделия были закреплены на пластины - объекты регулирования, как показано на рисунке 4, и помещены в камеру. Цель испытания - проверить способность изделия, обеспечивать регулирование температуры объекта (пластины) в различных тепловых условиях и в диапазоне температур. Теплообмен с пластиной обеспечивался принудительный обдувом воздухом разной температуры. Температуры пластин контролировались дополнительными датчиками и регистрировались внешней измерительной аппаратурой. На первом цикле температура в камере понижалась, результат показан на рисунке 4. На втором цикле температура в камере повышалась, результат показан на рисунке 5. На графиках видно, как с понижением температуры увеличивается ток (мощность) в цепи питания регулятора, а с повышением температуры ток уменьшается. Таким образом, функционирование устройства в заданных параметрах экспериментально подтверждено.
Достигаемый полезный эффект от применения.
Применение децентрализованной системы термостабилизации приборного отсека космического аппарата позволит существенно повысить надежность и снизить стоимость всей системы обеспечения его теплового режима за счет исключения из ее состава сложного и дорогостоящего элемента - блока управления нагревателями. Необходимо так же отметить, что применение предлагаемых типовых саморегулируемых нагревателей позволит повысить унификацию систем терморегулирования космических аппаратов.