СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD FOR DIAGNOSTICS OF SPACECRAFT TEMPERATURE CONTROL SYSTEM OPERABILITY

2
Изобретение относится к способам контроля работоспособности систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников. Известна СТР спутника, выполненная на базе патента Российской Федерации (РФ) №2209750 [1]. СТР [1] (см. фиг. 1) включает в себя основной и резервный жидкостные контуры (т.е. сдублированные идентичные контуры), заправленные теплоносителем Л3-ТК-2 (на фиг. 1 второй жидкостный контур условно не показан). Циркуляцию теплоносителя в жидкостном контуре 1 (каждом) осуществляет электронасосный агрегат 1.1 (ЭНА). Для обеспечения бескавитационной работы ЭНА 1.1 (для поддержания необходимого давления на входе в ЭНА) жидкостный тракт на его входе соединен с заправленной необходимым запасом теплоносителя жидкостной полостью 1.4.1 компенсатора объема 1.4. Его герметичная газовая полость 1.4.2 разъединена от жидкостной полости сильфоном 1.4.3, заправлена двухфазным рабочем телом - фреоном 141 в, который обеспечивает, например, в результате периодической работы электрообогревателя 1.4.4, установленного на корпусе компенсатора объема 1.4 (покрытого теплоизоляцией 1.5), давление теплоносителя от 0,65 до 0,95 кгс/см (в результате нагрева компенсатора объема 1.4 от 20 до 30°С: при температуре 20°С включается в работу электрообогреватель 1.4.4, а при 30°С - выключается. Затем происходит, из-за утечек тепла через теплоизоляцию 1.5, охлаждение компенсатора объема 1.4 (до 20°С) и снова при температуре 20°С включается электрообогреватель 1.4.4 до достижения 30°С и так далее процесс продолжается). Таким образом, ЭНА 1.1 функционирует нормально, т.е. СТР работоспособна, если обеспечивается требуемое рабочее давление на его входе, а это возможно, если жидкостный контур 1 герметичен и сильфон 1.4.3 компенсатора объема 1.4 не растянулся полностью. Силь-фон может растянуться полностью только в случае негерметичности жидкостного контура: в этом случае запас теплоносителя в жидкостной полости 1.4.1 израсходуется - сильфон 1.4.3 садится на упор (см. фиг. 2) и изменения температуры и давления в газовой полости 1.4.2 в связи с работой электрообогревателя 1.4.4 не сказывается на давлении в жидкостной полости 1.4.1 и, следовательно, на входе в ЭНА 1.1 давление уменьшается до давления кипения теплоносителя и начинается кавитация ЭНА 1.1 (отказ СТР) и нарушается тепловой режим КА.
Таким образом, в процессе эксплуатации КА на орбите важно предсказать работоспособность СТР по параметру «Жидкостный контур герметичен» для данного промежутка времени контроля с целью своевременного переключения на резервный жидкостный контур СТР.
В известной СТР [1] с целью, например, экономии массы, предусмотрены только телеметрические датчики температуры, а датчики давления теплоносителя в жидкостных контурах на входе в ЭНА и датчики положения сильфона компенсатора объема не предусмотрены и не представляется возможным предсказать герметичность жидкостного контура. Следовательно, имея температурную информацию только по датчикам температуры, необходимо диагностировать работоспособность СТР по параметру «Жидкостный контур герметичен».
Таким образом, существенным недостатком способа диагностики работоспособности известной СТР [1] по параметру «Жидкостный контур герметичен» является отсутствие достоверного контроля герметичности жидкостного контура 1 по данным периодических телеметрических измерений температуры различных его участков 1.6-1.10, в том числе температуры 1.6 компенсатора объема 1.4.
Целью изобретения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.
Поставленная цель достигается тем, что в способе диагностики работоспособности системы терморегулирования космического аппарата в условиях эксплуатации, содержащей жидкостный контур, включающий компенсатор объема с установленным на его корпусе электрообогревателем, имеющий газовую полость, заправленную двухфазным рабочим телом, и разделенную от нее сильфоном жидкостную полость, заправленную жидким теплоносителем с запасом для компенсации возможных утечек его из контура, включающий периодический контроль работы системы - периодические телеметрические измерения в процессе эксплуатации температуры компенсатора объема и температуры других участков жидкостного контура, причем при каждом контроле определяют суммарную продолжительность непрерывного повышения температуры компенсатора объема от момента включения в работу электрообогревателя до выключения его в рабочем допустимом диапазоне температур, например, от 20 до 30°С, затем сравнивают вышеуказанную суммарную продолжительность с аналогичной продолжительностью, полученной при наземных испытаниях, и судят о герметичности жидкостного контура системы терморегулирования на основании взаимного соответствия их с заданной нормой отличия, что и является, по мнению авторов, существенным отличительными признаками представленного авторами технического решения.
В результате анализа проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы предложенное сочетание существенных признаков заявляемого технического решения в известных источниках не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявленном способе диагностики работоспособности системы терморегулирования космического аппарата.
На фиг. 1-4 приведены принципиальные схемы реализации предложенного авторами технического решения.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема СТР КА, работоспособность которой определяют, используя предложенный способ диагностики, где поз. 1 - жидкостный контур, заправленный жидким теплоносителем; 1.1 - электронасосный агрегат; 1.2, 1.3 - сотовые панели с встроенными жидкостными коллекторами; 1.4 - компенсатор объема (установлен внутри приборного отсека, поверхности которого при одинаковом режиме работы полезной нагрузки КА имеют относительно стабильную среднюю температуру, например, из диапазона (10-15)°С, и утечки тепла (1-2 Вт) от компенсатора объема, покрытого теплоизоляцией, относительно небольшие и практически постоянные; 1.4.1 - жидкостная полость; 1.4.2 - газовая полость; 1.4.3 - сильфон (положение сильфона соответствует режиму работы СТР, когда ее жидкостный контур герметичен); 1.4.4 - электрообогреватель (с постоянной мощностью, например, 7 Вт); 1.5 - теплоизоляция; 1.6 - 1.10 - датчики температуры.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема СТР для режима работы СТР, когда сильфон 1.4.3 компенсатора объема 1.4 из-за недопустимых утечек теплоносителя растянулся полностью.
1.4
1.4
1.4
вкл
1.4.4
выкл
1.4.4
1.4.4
На фиг. 3 изображена диаграмма повышения температуры компенсатора объема 1.4 (t,°С) по показаниям датчика температуры 1.6 для режима работы согласно фиг. 1 (жидкостный контур 1 СТР герметичен): при температуре компенсатора объема t=20°С электрообогреватель 1.4.4 включен в работу, а при t=30°С - выключен при соответствующих моментах времени τ. и τ.. При этом для данного режима работы СТР (жидкостный контур 1 СТР герметичен) суммарная продолжительность повышения температуры компенсатора объема, при наземных испытаниях и в начале эксплуатации КА на орбите для некоторых типов космических аппаратов равна Δτ = (270±5) минут.
1.4
1.4
1.4
вкл
1.4.4
выкл
1.4.4
1.4.4
На фиг. 4 изображена диаграмма повышения температуры компенсатора объема 1.4 (t,°С) по показаниям датчика температуры 1.6 для режима работы согласно фиг. 2 (жидкостный контур 1 СТР негерметичен): при температуре компенсатора объема t = 20°С электрообогреватель 1.4.4 включен в работу, а при t = 30°С - выключен при соответствующих моментах времени τ. и τ.. При этом для данного режима работы СТР (жидкостный контур 1 СТР негерметичен) суммарная продолжительность повышения температуры компенсатора объема равна Δτ = (235±5) минут.
Предложенный способ диагностики работоспособности СТР КА включает в себя нижеуказанные операции, выполняемые в следующей последовательности:
1 При наземных испытаниях (например, при испытаниях КА в термобарокамере - имитируются условия орбитального функционирования) и в условиях орбитального функционирования при стабилизированном режиме работы приборов КА периодически, например, один раз в ≈30 дней, осуществляют контроль работы СТР, используя данные телеметрических измерений температуры компенсатора объема и температуры других участков жидкостного контура, для чего, например, в течение суток с частотой опроса, например, один час, фиксируют телеметрические данные по вышеуказанным температурам.
2 Строят диаграмму (см. фиг. 3 и фиг. 4) изменения непрерывного повышения температуры компенсатора объема 1.4 по данным телеметрических измерений датчика температуры 1.6 в допустимом диапазоне непрерывной работы электрообогревателя, например, от 20 до 30°С: при температуре компенсатора объема 20°С электрообогреватель включается в работу и выключается электрообогреватель при температуре компенсатора объема 30°С.
3 Определяют суммарную продолжительность непрерывного повышения температуры компенсатора объема от момента включения в работу электрообогревателя до выключения его в рабочем допустимом диапазоне температур, например, от 20 до 30°С.
4 Проведенный анализ работы компенсатора объема, примененного, например, в КА тяжелого класса, показал, что теплоемкость компенсатора объема при температуре 25°С составляет 7670 Дж/К, в том числе теплоемкость теплоносителя Л3-ТК-2 (2,55 кг), имеющегося в жидкостной полости компенсатора объема, равна 4770 Дж/К. При эксплуатации допустимы утечки теплоносителя не более 0,55 кг - это означает, что теплоемкость теплоносителя, имеющегося в жидкостной полости, может уменьшиться с 4770 Дж/кг до 3740 Дж/кг, т.е. теплоемкость компенсатора объема уменьшится с 7670 Дж/кг до 6640 Дж/кг. Следовательно, согласно законам физики в случае вышеуказанных утечек теплоносителя суммарная продолжительность изменения температуры компенсатора объема с течением времени постепенно уменьшится на .
5 Сравнивают определенную в п. 3 суммарную продолжительность повышения температуры компенсатора объема с аналогичной продолжительностью по данным наземных испытаний - как показывает анализ опытных данных, (см. п. 4), разница (уменьшения продолжительности) должна быть не более 13% - в этом случае можно утверждать, что жидкостный контур СТР герметичен - утечки теплоносителя не превышают заданных технологических норм при изготовлении, и СТР работоспособна (в случае недопустимых утечек теплоемкость компенсатора уменьшилась бы в результате уменьшения объема теплоносителя в его жидкостной полости более допустимого и вышеуказанная суммарная продолжительность уменьшалась бы, например, более, чем в 1,15 раза). Сравнивают также определенные по п. 3 суммарные продолжительности с данными предыдущих контролей и по темпу уменьшения продолжительностей предсказывают, когда будет неработоспособна СТР.
6 В случае, если вышеуказанная разница более 13%, то контроль работы СТР осуществляют ежесуточно: и если ЭНА начинает работать с неустойчивым расходом теплоносителя, то переходят на работу вторым (резервным) жидкостным контуром, исключив тем самым недопустимое изменение температур теплоносителя участков жидкостного контура под приборами КА.
Таким образом, предложенное авторами изобретение обеспечивает при эксплуатации достоверную диагностику работоспособности СТР КА для данного промежутка времени телеметрического контроля по параметру «Жидкостный контур герметичен», тем самым достигается цель изобретения.