КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ
SPACECRAFT

Предлагаемое изобретение относится к конструкции космических аппаратов (КА) массой до 100 кг, предназначенных для создания мини- и микроспутников, запускаемых на околоземные орбиты как попутная полезная нагрузка или групповым методом.
При проектировании КА всех типов решается задача обеспечения рациональной и оптимально плотной компоновки агрегатов и систем в объеме, ограниченном корпусом аппарата. Также проблемы возникают при создании КА, размещаемых на средствах выведения с конкретными массо-габаритными характеристиками доставляемой на орбиту полезной нагрузки.
Известен космический модуль (RU, патент №2389660, кл. B64G 1/00), содержащий несущую конструкцию с силовыми элементами, выполненную в виде правильной треугольной призмы. Платформа выполнена в виде плоской трехслойной панели с несущими слоями и заполнителем. Радиаторы-излучатели в виде прямоугольных трехслойных панелей с сотовым заполнителем и сложенные солнечные батареи размещены параллельно боковым стенкам несущей конструкции. Платформа и радиаторы-излучатели снабжены тепловыми трубами для сброса избыточного тепла в космическое пространство. Часть тепловых труб проложена внутри сотового заполнителя платформы. Блоки бортовой аппаратуры размещены между несущей конструкцией и торцом платформы.
Недостатки космического модуля обусловлены конструктивно-компоновочной схемой и заключаются в повышенной массе конструкции - средства обеспечения теплового режима включают три каскада тепловых труб, радиаторы-излучатели выполнены и размещены отдельно от несущей конструкции. Создание такой конструкции требует увеличенных затрат на ее изготовление, а компоновка модуля отличается неудобством обслуживания при наземной отработке.
Известен также космический аппарат (RU, патент №2463219, кл. B64G 1/10), содержащий полезную нагрузку, панели солнечной батареи, негерметичный приборный контейнер параллелепипедной формы, грани которого являются радиаторными со встроенными тепловыми трубами сотопанелями с непосредственно установленными на них теплонагруженными приборами. Все сотопанели приборного контейнера соединены в единую тепловую сеть коллекторными тепловыми трубами, оснащенными в зоне каждой сотопанели электронагревателями с блоками управляющих датчиков температур. На внешние поверхности сотопанелей приборного контейнера, содержащих встроенные тепловые трубы, нанесено терморегулирующее покрытие, а остальная часть внешних поверхностей сотопанелей теплоизолирована. Негерметичный приборный контейнер снабжен дополнительными регулируемыми радиационными теплообменниками с контурными тепловыми трубами (ближайший аналог).
Достоинством известного КА является улучшенная термостабилизация приборов и оборудования с обеспечением равномерного поля температур в пределах каждой сотопанели и между сотопанелями приборного контейнера с одновременным повышением плотности компоновки приборного контейнера.
Существенные признаки известного технического решения целесообразно использовать при создании КА массой несколько сотен килограмм и тепловыделением несколько сотен ватт и более. Однако в конструкции небольших космических аппаратов с массой до 100 кг, энергопотреблением до 100 Вт, и запускаемых на околоземные орбиты как попутная полезная нагрузка или групповым методом, использование этого решения не является эффективным. Это объясняется повышенной массой конструкции, обусловленной наличием системы терморегулирования с улучшенной термостабилизацией и даже в некоторой степени переразмеренной, в состав которой включены встроенные тепловые трубы в силовых сотовых панелях, коллекторные тепловые трубы и дополнительные регулируемые радиационные теплообменники с контурными тепловыми трубами. Использование указанных признаков также существенно повышает стоимость изготовления малого космического аппарата.
Цель предлагаемого технического решения - снижение массы конструкции и улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик мини- и микро КА.
Поставленная цель достигнута за счет того, что в негерметичном приборном контейнере КА параллелепипедной формы верхняя и нижняя сотопанели с расположенными на их внешней поверхности агрегатами соединены двумя диагональными подкосами, панели солнечной батареи с помощью кронштейнов закреплены по периметру боковых стенок контейнера, коллекторные тепловые трубы закреплены равномерно на наружной поверхности сотопанелей, причем ориентированная на Землю нижняя сотопанель является радиаторной, а теплоизоляция на боковых гранях приборного контейнера без сотопанелей установлена с внутренней стороны панелей солнечных батарей на сетчатой конструкции, закрепленной на сотопанелях.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами:
- на фиг.1 (панель солнечной батареи и теплоизоляции не показаны) представлен космический аппарат, включающий:
1 - панели солнечной батареи;
2 - теплонагруженные приборы на сотопанелях;
3 - сотопанель верхняя;
4 - сотопанель нижняя;
5 - сотопанели боковые;
6 - коллекторные тепловые трубы;
7 - электронагреватели;
8 - регулируемый диагональный подкос;
9 - теплоизоляция;
10 - теплоизоляция на сетчатой конструкции (на двух боковых гранях приборного контейнера без сотопанелей).
На фиг.2 не показана теплоизоляция верхней сотопанели.
Сущность предложенного изобретения заключается в том, что конструктивно-силовую схему негерметичного приборного контейнера КА, выполненного в виде параллелепипеда, составляют две противоположные боковые, а также верхняя и нижняя сотопанели. Это позволяет создать несущую конструкцию контейнера малой массы, а соединение верхней и нижней сотопанели двумя диагональными подкосами придает конструкции необходимую жесткость. При этом нет необходимости две другие боковые грани контейнера выполнять в виде сотопанелей.
Соединение диагональными подкосами именно верхней и нижней сотопанелей с расположенными на их внешней и внутренней поверхностях агрегатами необходимо для обеспечения жесткости и стабильности конструкции и выполнения требований по точности установки внешних агрегатов. Это является важным для обеспечения функционирования закрепленной на внешних поверхностях сотопанелей бортовой аппаратуры: на верхней панели расположены внешние агрегаты системы ориентации, а на нижней сотопанели, постоянно ориентированной на Землю, закреплена приемопередающая аппаратура.
Такая компоновка приборного контейнера - без двух боковых сотопанелей и соединением верхней и нижней сотопанели двумя диагональными подкосами - удобна при наземном обслуживании и сборке-разборке мини КА - при малых размерах панелей обеспечен доступ к любому месту контейнера.
Бортовая аппаратура в основном размещена на внутренних поверхностях сотопанелей в зоне расположения коллекторных тепловых труб, которые закреплены на наружных поверхностях сотопанелей и образуют единую тепловую сеть. Отсутствие в малогабаритных сотопанелях встроенных тепловых труб незначительно увеличивает термосопротивление сотопанели по толщине, т.к. теплопроводимость металлических сот панели достаточна для передачи относительно небольших тепловых потоков от аппаратуры к коллекторным тепловым трубам.
Для сброса тепловой нагрузки мини КА (несколько десятков Вт) достаточно, чтобы радиаторной была одна из панелей. Оптимальной в отношении стабильности падающих внешних тепловых потоков является нижняя сотопанель с нанесенным на ее внешней поверхности надлежащим терморегулирующим покрытием.
Для предотвращения неконтролируемого отвода-подвода внешнего теплового потока к бортовой аппаратуре практически на всю внешнюю поверхность мини КА за исключением внешних агрегатов (приемо-передающих устройств, солнечных и звездных датчиков) и радиаторной поверхности нижней сотопанели установлена экранно-вакуумная теплоизоляция.
Для надежного крепления и уменьшения массы конструкции на двух боковых гранях приборного контейнера без сотопанелей с внутренней стороны панелей солнечных батарей теплоизоляция установлена на сетчатой конструкции, закрепленной на соседних боковых и верхней и нижней сотопанелях.
Система терморегулирования предложенного КА, включающая коллекторные трубы, оснащенные электронагревателями на верхней панели, теплоизоляцию и радиаторную нижнюю сотопанель, обеспечивает необходимую термостабилизацию приборного оборудования и имеет минимально необходимую массу.
Система энергопитания КА включает аккумулятор с аппаратурой регулирования, расположенные на внутренних поверхностях сотопанелей, а также панели солнечной батареи, закрепленные через специальные кронштейны на боковых сотопанелях. Такая компактная и простая (без раскрывающихся дополнительных панелей) компоновка солнечных батарей обеспечивает мини КА необходимой электрической мощностью до ~100 Вт. При этом система энергопитания имеет небольшую массу, а затраты на ее изготовление невелики.
Функционирование КА происходит следующим образом. После вывода КА на заданную орбиту в работу включаются приборы 2, установленные на сотопанелях 3, 4, 5 негерметичного приборного контейнера. Тепловая мощность от приборов передается через сотовую конструкцию сотопанелей на коллекторные тепловые трубы 6, которые передают тепловую мощность вдоль сотопанелей, выравнивают температуры в пределах каждой сотопанели по ее длине. При этом также происходит осреднение температур расположенных на сотопанелях приборов, чем и обеспечивается их термостабилизация.
Отвод избыточной тепловой мощности с КА происходит излучением с открытой внешней радиаторной поверхности нижней сотопанели 4.
При значительном снижении тепловыделений приборов автоматически включаются электронагреватели 7, установленные на верхней сотопанели 3. Тепловая мощность от электронагревателей передается коллекторными тепловыми трубами на все сотопанели и приборное оборудование, обеспечивая их допустимую температуру. Отключение электронагревателей происходит при достижении определенной максимальной температуры верхней сотопанели.
По сравнению с аналогами предложенная конструкция КА имеет следующие преимущества:
- уменьшенную массу приборного контейнера за счет облегченной конструктивно-силовой схемы с двумя диагональными подкосами и оптимального состава системы терморегулирования, обеспечивающей при этом необходимую термостабилизацию приборного оборудования;
- выполнение несущей конструкции в виде четырех сотопанелей, расположение панелей солнечной батареи на боковых гранях приборного контейнера улучшает технико-экономические характеристики КА в части стоимости изготовления, а также обеспечивает удобство наземной эксплуатации.