КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ
SPACE VEHICLE

Изобретение относится к космической технике и может использоваться при проектировании автоматических космических аппаратов (КА) для эксплуатации на околоземных орбитах с приборными контейнерами, выполненными из сотопанелей с применением тепловых труб (ТТ).
Известна платформа КА S В-44 (Jean J. Dechezelles, Dietric E Koelle gn and application of the AS/MBB Spacebus Famile AJAA 11 Communication Sattelite Sistems, March 17-20, 1986, pp.688-696. РЖ 41, 1986, реф. 10.41.125-10.41.126). КА содержит полезную нагрузку в виде крупногабаритных антенн, два крыла батареи солнечной (БС), каждое со своим приводом, негерметичный приборный контейнер в виде параллелепипеда с сотопанелями, выполненными в виде радиаторов-излучателей на двух противоположных его сторонах, на внутренних сторонах которых установлены бортовые приборы. Во внутреннюю структуру радиаторов-излучателей встроены ТТ, посредством которых избыточное тепло отводится от приборов, распространяется по всем поверхностям радиаторов-излучателей по теплопроводным обшивкам сотопанелей с последующим излучением избыточного тепла в открытый космос через внешние поверхности, на которые нанесено терморегулирующее покрытие.
Существенные недостатки аналога заключаются в следующем:
1) все теплонагруженные приборы, не только полезной нагрузки, но и служебных систем, скомпонованы только на двух радиационных панелях, в основном не взаимосвязанных в тепловом отношении, которые частично или полностью используются как радиаторы, что определяет плоский, вытянутый вдоль продольной оси корпус и не позволяет реализовать конструкцию с минимальными габаритами и массоэнергетическими затратами;
2) отсутствие эффективной тепловой связи между радиационными панелями (традиционно используются только две противолежащие стороны) требует осуществлять симметричную (по тепловой нагрузке панелей) компоновку приборов бортовой аппаратуры. Приходится каждую радиационную панель выполнять на максимальную тепловую нагрузку, что требует закладывать и реализовывать избыточность для каждой из них по площади, общим габаритам приборного контейнера и величине потребного электрообогрева, так как обе панели одновременно не освещаются при орбитальной эксплуатации.
В качестве ближайшего аналога принят «Космический аппарат блочно-модульного исполнения» (RU, патент №2092398, кл. B64G 1/10). КА содержит многоцелевую полезную нагрузку, двигательный блок с двигателями системы коррекции, ориентации и стабилизации, топливными баками и магистралями подачи рабочего тела, два крыла раскладывающихся панелей солнечной батареи, установленных симметрично продольной оси корпуса. Также КА содержит негерметичный приборный контейнер параллелепипедной формы, выполненный из плоских П, H и U-образных сотопанельных блоков, с расположенными внутри приборами. КА ориентирован в околоземном космическом пространстве своими гранями, выполненными в виде радиаторов-излучателей, соответственно на Север и Юг. На внутренней стороне радиаторов-излучателей установлены приборы, а наружные стороны радиаторов-излучателей выполнены с терморегулирующим покрытием типа солнечного отражателя.
Недостатки ближайшего аналога заключаются в следующем.
1. Приборный контейнер КА образован в виде параллелепипеда путем объединения по механическим и электрическим связям Н-образного, U-образного и П-образного сотопанельных блоков, в каждом из которых теплопередача тепловыми трубами между сотопанелями обеспечивается разобщенно, например для П-образного блока с одной стороны между средней сотопанелью и северным радиатором-излучателем, а с другой стороны между средней сотопанелью и южным радиатором-излучателем. Так как температуры указанных радиаторов-излучателей могут значительно отличаться друг от друга, то, как следствие этого, возникает и большая разница между температурами испарителей их ТТ, что приводит к ухудшению эффективности терморегулирования приборов. При этом во всех блоках осуществляется конструктивная и тепловая увязка всех трех плоских сотопанелей и теплонагруженных приборов и узлов в единую тепловую сеть с помощью различного типа ТТ только в пределах каждого блока, а не всего приборного контейнера в целом.
2. Компоновка приборного контейнера из Н-образного, U-образного и П-образного блоков не является оптимальной, с точки зрения плотности, т.к. форма внутреннего объема, образованного блоками, предоставляет недостаточную площадь под приборы. При этом такая компоновка приборного контейнера с отсутствием тепловой связи между блоками не позволяет эффективно перераспределять внутренние и внешние тепловые потоки и не обеспечивает достаточную термостабилизацию приборов и оборудования.
Цель предлагаемого технического решения - улучшение термостабилизации приборов и оборудования с обеспечением равномерного поля температур в пределах каждой сотопанели и между сотопанелями приборного контейнера с одновременным повышением плотности компоновки приборного контейнера.
Поставленная цель достигнута за счет того, что в негерметичном приборном контейнере установлены приборные модули с крестообразными силовыми сотопанелями со встроенными в них тепловыми трубами и поперечными перегородками, причем крестообразные сотопанели соединены между собой тепловыми трубами, все сотопанели приборного контейнера соединены в единую тепловую сеть коллекторными тепловыми трубами, оснащенными в зоне каждой сотопанели электронагревателями с блоками управляющих датчиков температур, а крестообразные сотопанели приборных модулей и кронштейны двигательной установки соединены тепловыми трубами с коллекторными тепловыми трубами приборного контейнера, при этом на внешние поверхности сотопанелей приборного контейнера, содержащих встроенные тепловые трубы, нанесено терморегулирующее покрытие, а остальная часть внешних поверхностей сотопанелей теплоизолирована, причем приборный контейнер снабжен дополнительными регулируемыми радиационными теплообменниками с контурными тепловыми трубами, испарители которых соединены с коллекторными тепловыми трубами приборного контейнера через сотопанели со встроенными тепловыми трубами, а конденсаторы контурных тепловых труб размещены над теплоизолированными частями сотопанелей приборного контейнера.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами:
- на фиг.1 показан космический аппарат, включающий:
1 - многоцелевую полезную нагрузку,
2 - негерметичный приборный контейнер параллелепипедной формы,
3 - двигательную установку,
4 - панели солнечной батареи;
- на фиг.2 показана компоновка приборного контейнера КА с приборными модулями с крестообразными силовыми сотопанелями и панелью ДУ (правая сотопанель приборного контейнера условно не показана):
5 - сотопанели приборного контейнера,
6 - тепловыделяющие приборы сотопанелей приборного контейнера,
7 - приборный модуль с крестообразными силовыми сотопанелями,
8 - тепловыделяющие приборы крестообразной сотопанели,
9 - поперечная панель крестообразной сотопанели,
10 - тепловые трубы, соединяющие крестообразные сотопанели между собой,
11 - коллекторные тепловые трубы,
12 - тепловые трубы, соединяющие крестообразные сотопанели с коллекторными тепловыми трубами,
13 - тепловые трубы, соединяющие кронштейны двигательной установки с коллекторными тепловыми трубами,
14 - кронштейны ДУ,
15 - панель ДУ;
- на фиг.3 показана конструктивная схема типовой сотопанели приборного контейнера:
16 - тепловые трубы сотопанелей,
17 - обечайки сотопанелей,
18 - сотовый наполнитель,
19 - электронагреватели коллекторных труб,
20 - блок управляющих датчиков температур;
- на фиг.4 показана компоновка и схема одного из 2-х зеркально расположенных дополнительных регулируемых по теплосбросу радиационных теплообменников с контурными тепловыми трубами (КнТТ):
21 - испаритель КнТТ,
22 - конденсатор КнТТ,
23 - терморегулирующее покрытие (на внешней поверхности обечайки сотопанели),
24 - теплоизоляция (экранно-вакуумная, на внешней поверхности обечайки сотопанели).
Сущность предложенного изобретения заключается в том, что негерметичный приборный контейнер КА выполнен в виде параллелепипеда, все боковые грани которого являются трехслойными сотопанелями, состоящими из двух тонких металлических (например, из сплава алюминия) обечаек с сотовым наполнителем, между которыми проложены тепловые трубы. В каждой сотопанели встроено заданное количество тепловых труб и расположены они на определенном компоновкой участке сотопанели.
Тепловыделяющие приборы размещены на внутренней поверхности сотопанели как минимум на двух ее встроенных тепловых трубах в связи с тем, что размещение приборов на одной тепловой трубе (вероятность отказа одной трубы значительно больше, чем двух) или вне зоны тепловых труб сотопанели может привести к перегреву и, соответственно, к отказу приборов.
На внешние поверхности сотопанелей в зонах размещения встроенных тепловых труб нанесено терморегулирующее покрытие типа «солнечный отражатель» и на этих участках сотопанели выполняют функции радиаторов-излучателей для отвода избыточного тепла. На остальную часть внешних поверхностей сотопанелей, на которых установлены внешние приборные агрегаты и которые не содержат встроенных тепловых труб, установлена экранно-вакуумная теплоизоляция для предотвращения неконтролируемого отвода-подвода теплового потока, что непосредственно улучшает термостабилизацию приборного контейнера КА.
Установка внутри объема параллелепипеда крестообразных силовых трехслойных со встроенными тепловыми трубами сотопанелей предоставляет дополнительную возможность по размещению теплонагруженной бортовой аппаратуры во внутреннем объеме приборного контейнера, позволяет компоновать большее количество теплонагруженных приборов и узлов служебных систем и полезной нагрузки и оптимально использовать весь объем, т.к. образуются дополнительные терморегулируемые посадочные поверхности с большой площадью. Это позволяет существенно (в 1,3-1,5 раза) повысить плотность компоновки приборного отсека. Также положительный эффект установки крестообразных силовых панелей заключается в том, что на них оптимально компонуется разногабаритное приборное оборудование.
Крестообразные сотопанели снабжены поперечными перегородками для увеличения прочности конструкции и надежного крепления к сотопанелям приборного контейнера.
На крестообразные сотопанели приборных модулей установлено приборное оборудование, имеющее наиболее высокую максимальную допустимую температуру. Это связано с тем, что аппаратура на крестообразных сотопанелях имеет повышенное (по сравнению с аппаратурой, установленной на внутренних поверхностях сотопанелей призматического приборного контейнера) термическое сопротивление и, соответственно, максимальный перепад температур относительно температур излучающих поверхностей радиационного теплообменника.
Соединение всех сотопанелей приборного контейнера в единую тепловую сеть коллекторными тепловыми трубами с их дублированием позволяет эффективно перераспределять тепловые потоки, поддерживая требуемый для бортовой аппаратуры температурный режим. Коллекторные ТТ, имея незначительное термическое сопротивление, обеспечивают минимальный перепад температур между посадочными местами расположенной на разных сотопанелях аппаратуры и минимальный уровень колебаний температур приборов при их работе и хранении. При этом образующаяся за счет «теплового» объединения всех сотопанелей суммарная теплоемкость оборудования приборного контейнера (включая теплоемкость крестообразных сотопанелей с установленной на них аппаратурой) достигает максимально возможной величины и в значительной мере «сглаживает» возникающий градиент температур при изменении внешних тепловых потоков на КА или тепловыделения части аппаратуры. В итоге приборное оборудование практически не реагирует на колебания внешних воздействий на витке орбиты.
Коллекторные тепловые трубы расположены на внутренних поверхностях сотопанелей приборного контейнера ближе к его торцам в зонах, не занятых приборами.
Соединение тепловыми трубами образующих крестообразный приборный модуль сотопанелей между собой, а также соединение крестообразных сотопанелей приборных модулей тепловыми трубами с коллекторными тепловыми трубами приборного контейнера образует единый контур, обеспечивающий изотермичность по всему объему приборного отсека. При этом объединены в тепловом отношении все сотопанели и, соответственно, расположенные на их поверхностях приборы, что существенно снижает влияние на тепловой режим приборного отсека неоднородного распределения суммарной тепловой нагрузки по сотопанелям, присущей большинству КА.
При этом повышается уровень термостабилизации приборного отсека и обеспечивается равномерное поле температур в пределах каждой сотопанели и между сотопанелями приборного контейнера для режимов с максимальными и минимальными тепловыми нагрузками, а также в возникающих при потере ориентации аварийных ситуациях - коллекторные тепловые трубы эффективно перераспределяют внутренние тепловыделения приборов и позволяют обеспечить минимальные и максимальные допустимые температуры приборов и узлов.
Для повышения надежности функционирования оборудования приборного отсека в условиях с минимальным внутренним тепловыделением и для минимизации влияния выключенной части приборов на температуру других приборов и их посадочных мест техническим решением предусмотрена возможность компенсации снижения тепловой нагрузки, заключающаяся в том, что коллекторные тепловые трубы на каждой сотопанели оснащены электронагревателями (ЭН) с блоками управляющих датчиков температур (БУДТ). Включение ЭН происходит в автоматическом режиме при достижении минимально допустимой температуры соответствующей сотопанели, а отключение - при превышении заданного уровня максимальной температуры. Функционирование электронагревателей поддерживает среднее значение электропотребления приборов, соответствующее штатному режиму работы КА. При этом работа каждого ЭН повышает температуру всего приборного оборудования КА посредством передачи тепла коллекторными тепловыми трубами. В первую очередь происходит подогрев сотопанели, в зоне которой установлен ЭН, т.к. для этой сотопанели минимальное значение термосопротивления. БУДТ установлен на сотопанели соответствующего ЭН через ее обшивку непосредственно на тепловые трубы сотопанели. Таким образом, оснащение коллекторных ТТ в зоне каждой сотопанели приборного контейнера электронагревателем с БУДТ также позволяет термостабилизировать приборное оборудование в целом.
Соединение тепловыми трубами двигательной установки с коллекторными тепловыми трубами приборного контейнера обеспечивает минимальное сопротивление при отводе (подводе) теплового потока от ДУ, т.е. между кронштейнами ДУ и посадочными поверхностями сотопанели приборного контейнера будет минимальный перепад температур. При этом кронштейны ДУ включены в единый тепловой контур приборного контейнера и тем самым достигнута надежная термостабилизация одной из важнейших систем КА - двигательной установки.
Включение в состав системы терморегулирования приборного контейнера КА дополнительных регулируемых по теплосбросу радиационных теплообменников с контурными тепловыми трубами обеспечивает стабильный тепловой режим приборов при их пиковых и максимальных тепловыделениях в течение длительного времени и снимает проблему обеспечения стабильного значения коэффициента поглощения солнечного излучения в видимом диапазоне длин волн As терморегулирующего покрытия излучающей поверхности на первоначальном (минимальном) уровне.
Испарители КнТТ соединены с коллекторными тепловыми трубами приборного контейнера через сотопанели со встроенными тепловыми трубами и, таким образом, дополнительные РТО также включены в единый тепловой контур приборного контейнера КА и используются для охлаждения всего приборного оборудования. При этом КнТТ задействуются при достижении определенного уровня температур сотопанелей приборного контейнера.
Конденсаторы КнТТ размещены над теплоизолированными частями сотопанелей приборного контейнера, и это совместно с использованием участков сотопанелей со встроенными тепловыми трубами (без теплоизоляции) позволяет эффективно использовать всю внешнюю поверхность сотопанелей негерметичного приборного контейнера.
Функционирование КА происходит следующим образом. После вывода КА на заданную орбиту в работу включаются приборы 6 сотопанелей 5 негерметичного приборного контейнера 2 и приборы 8 приборных модулей с крестообразными силовыми сотопанелями 7, закрепленных в приборном контейнере поперечными панелями 9. Тепловые трубы 16 сотопанелей 5 передают тепловую мощность вдоль сотопанелей и выравнивают температуры в пределах каждой сотопанели по ее длине.
Одновременно происходит выравнивание температур крестообразных сотопанелей приборных модулей 7 между собой с помощью тепловых труб 10 и между крестообразными сотопанелями и коллекторными ТТ 11 с помощью ТТ 12.
Коллекторные тепловые трубы 11 передают тепловую мощность между ТТ каждой сотопанели и между ТТ разных сотопанелей и выравнивают температуры как поперек каждой сотопанели, так и между соседними сотопанелями и испарителями КнТТ 21.
Тепловые трубы 13, соединяющие кронштейны 14 двигательной установки 15 с коллекторными тепловыми трубами 11, обеспечивают термостабилизацию агрегатов ДУ путем перераспределения тепловых потоков.
Отвод тепловой мощности с КА происходит излучением с открытых внешних радиаторных поверхностей с терморегулирующим покрытием 23 сотопанелей 5 приборного контейнера 2.
При значительном снижении тепловыделений приборов какой-нибудь сотопанели, а также тогда, когда коллекторные трубы не обеспечат передачу необходимого тепла от соседних более «горячих» сотопанелей, автоматически включаются электронагреватели 19 этой сотопанели по сигналу своего БУДТ 20 и температура посадочной поверхности повышается, обеспечивая комфортную температуру установленных на ней приборов. Соответственно, при достижении определенной максимальной температуры сотопанели происходит отключение этого ЭН.
При увеличении общего тепловыделения приборов, установленных как на сотопанелях параллелепипедного приборного контейнера, так и на крестообразных сотопанелях, а также при возрастании внешнего теплопритока происходит повышение температур сотопанелей приборного контейнера и при превышении заданного уровня температур задействуется либо один, либо несколько дополнительных радиационных теплообменников регулируемых. При этом испаритель дополнительного РТО 21 нагревается тепловым потоком, переданным от коллекторных тепловых труб 11 приборного контейнера через сотопанель 5, рабочее тело КнТТ испаряется, давление насыщенных паров повышается и пар, двигаясь далее по каналу конденсируется. При этом конденсатор КнТТ 22, установленный над теплоизоляцией 24 сотопанели приборного контейнера, сбрасывает тепло излучением в открытый космос, а рабочее тело (в виде жидкой фазы) под действием капиллярных сил возвращается в испаритель КнТТ и процесс повторяется.
По сравнению с прототипом предложенная конструкция КА имеет ряд существенных преимуществ.
1. Обеспечена более плотная компоновка КА за счет установки приборных модулей с крестообразными сотопанелями.
2. Соединением всех сотопанелей КА коллекторными ТТ в единую тепловую сеть практически сведены к минимуму колебания температуры посадочных мест аппаратуры на витке при изменении внешних тепловых потоков - суммарная теплоемкость аппаратуры КА задействована в компенсации тепловой нагрузки.
3. Термостабилизация агрегатов ДУ обеспечена на уровне температур посадочных мест приборных сотопанелей соединением тепловыми трубами кронштейнов ДУ с единой тепловой сетью приборного контейнера.
4. Установка на сотопанелях приборного контейнера и функционирование ЭН с БУДТ поддерживает тепловой режим оборудования на заданном уровне и обеспечивает независимо от изменений внешних тепловых потоков узкий диапазон температур посадочных мест оборудования.
5. Введение в состав КА регулируемых радиационных теплообменников на контурных тепловых трубах улучшает термостабилизацию аппаратуры и обеспечивает на длительный срок независимость от изменения коэффициента поглощения солнечного излучения As терморегулирующего покрытия регулируемых РТО.