СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к космической технике и может быть использована для обеспечения теплового режима прецизионных приборов и другого оборудования КА, требующего точного поддержания температуры при изменении условий применения, либо деградации характеристик теплопередающих агрегатов и элементов.
Известна система обеспечения теплового режима прецизионных приборов космического аппарата (КА) содержащая термостабилизируемую платформу (ТСП) 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 (патент РФ 130299, приоритет от 02.11.2012). Испаритель контурной тепловой трубы контактирует с коллекторным теплопроводом, а конденсатор интегрирован в радиатор, рассеивающий тепло в космическое пространство. Посадочные места для установки приборов, контактирующие с тепловыделяющими основаниями приборов, расположены по обе стороны сотопанели. Указанная система обеспечивает относительно стабильное поддержание теплового режима прецизионных приборов КА, но не имеет в своем составе устройств, которые осуществляют регулируемый сток и не допускают охлаждения приборов ниже допустимой температурной границы.
Известны терморегулирующие устройства на базе контурных тепловых труб (КнТТ), в которых термостатирование присоединенного к испарителю КнТТ охлаждаемого прибора осуществляется за счет организации регулируемого стока тепла от испарителя к конденсатору (F. Bodendleck, R. Schlitt, O. Romberg, K. Goncharov, V. Buz, U. Hildebrand. Precision temperature control with a loop heat pipe, SAE # 2005-01-2938, Rome, ITALY, 2005). Устройство, описанное в данной работе, построено на базе КнТТ, содержащей испаритель с капиллярно-пористой вставкой, компенсационную полость, паро- и конденсатопровод, конденсатор и трехходовой клапан с байпасной линией. В составе клапана имеется сильфон, в зоне размещения которого поддерживается заданный уровень давления среды. Сильфон является элементом, обеспечивающим перемещение седла клапана, когда возникает разность давлений снаружи и внутри сильфона. В случае снижения давления в КнТТ, ниже заданного, клапан закрывает циркуляцию через конденсатор и открывает байпасную линию, напрямую соединяющую паро- и конденсатопровод. Последующий за этим нагрев испарителя (ввиду отсутствия стока тепла) приводит к повышению давления внутри КнТТ, и клапан, сжимаясь, и закрывая байпасную линию - вновь открывает путь для циркуляции теплоносителя через конденсатор. Поскольку для насыщенного теплоносителя температура и давление однозначно связаны между собой, применение описанного выше метода позволяет поддерживать, одновременно с уровнем давления, заданный уровень температуры. Таким образом, автоматическая регулировка температуры происходит без использования дополнительного источника энергии под действием изменения соотношений давления вещества заполняющего полость сильфона и давления теплоносителя в КнТТ. В описанном устройстве (построенном на базе КнТТ) предлагается наполнять сильфон клапана инертным газом, либо - двухфазным теплоносителем.
В последнем случае величину задаваемой температуры регулирования (так называемой «температуры уставки»), обеспечиваемой за счет срабатывания клапана, можно изменять посредством использования маломощного нагревателя, установленного на корпусе клапана. Таким образом, клапан становится активным регулирующим элементом, управляемым по температурному датчику. За счет заправки клапана двухфазным теплоносителем и применения нагревателя, достигается повышение точности регулирования, но теряются свойства экономичности и надежности, которыми обладает клапан, наполненный инертным газом, работающий автоматически без выдачи управляющих команд и без дополнительных энергетических затрат.
Наиболее близким к заявленной системе терморегулирования аналогом, выбранным в качестве прототипа, является система обеспечения теплового режима (СОТР) прецизионных приборов космического аппарата [Tulin D.V., Tulin I.D., Goncharov K.А., 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, подключенным к радиатору-охладителю посредством регулируемой контурной тепловой трубы, испаритель которой контактирует с коллекторным теплопроводом, а конденсатор интегрирован в радиатор-охладитель, рассеивающий тепло в космическое пространство, при этом, система снабжена блоком управления, к входам которого подключены датчики температуры, а в паропроводе контурной тепловой трубы установлено пассивное регулирующее устройство, выполненное в виде трехходового клапана, снабженного сильфоном, заполненным инертным газом, причем шток клапана соединен с сильфоном, один из выходов клапана подсоединен к входу в радиатор, а другой, посредством байпасной линии, подсоединен к конденсатопроводу контурной тепловой трубы на входе в ее компенсационную полость.
Используемое в указанной системе пассивное регулирующее устройство обеспечивает экономичное, надежное энергонезависимое регулирование теплового режима прецизионных приборов, не требующее применения контроллера для постоянного управления клапаном по показаниям датчика температуры. Однако, регулирование температуры с помощью трехходового клапана с инертным газом не позволяет корректировать параметры регулирующего устройства в процессе эксплуатации КА, в частности, температуру уставки клапана, что в ряде случаев ограничивает возможности системы. Необходимость в подобной коррекции может возникнуть из-за деградации покрытий радиационных теплообменников и внешних поверхностей КА и/или изменения характеристик теплопередающего тракта от ТСП к радиационному теплообменнику (РТО) (например, из-за газовыделения в тепловых трубах) в процессе эксплуатации КА и, соответственно, увеличения суточных и сезонных колебаний температуры ТСП, на которой установлено оборудование. Снижение колебаний температуры (в процессе эксплуатации системы) может быть обеспечено за счет введения новой температуры уставки, которая, по сравнению с прежней, должна будет как можно меньше отличаться от фактической максимальной, локальной по времени, суточной температуры термостабилизируемой платформы. При этом, заранее на Земле настраивать температуру уставки на наиболее высокую ожидаемую температуру нецелесообразно, поскольку это будет приводить к снижению продолжительности рабочего ресурса установленной аппаратуры. Отсюда следует, что при длительной эксплуатации КА, сопровождающейся деградацией теплоотражающих покрытий и других элементов системы терморегулирования, целесообразно эпизодически корректировать температуру уставки клапана, руководствуясь соображениями создания более комфортных температурных условий для работы прецизионных приборов (по отношению к текущему состоянию). Также дистанционная корректировка температуры уставки может потребоваться при изменениях условий эксплуатации КА, связанных, с выполнением целевой задачи.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение точности поддержания температуры прецизионных приборов и другого оборудования КА в условиях изменения тепловых нагрузок на систему терморегулирования и/или изменения характеристик отдельных элементов самой системы в процессе эксплуатации КА.
Указанная задача обеспечивается тем, что в отличие от известной системы терморегулирования 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, подключенным к радиатору-охладителю посредством регулируемой контурной тепловой трубы, испаритель которой контактирует с коллекторным теплопроводом, а конденсатор интегрирован в радиатор-охладитель, рассеивающий тепло в космическое пространство, при этом, система снабжена блоком управления, к входам которого подключены датчики температуры, а в паропроводе контурной тепловой трубы установлено пассивное регулирующее устройство, выполненное в виде трехходового клапана, снабженного сильфоном, заполненным инертным газом, причем шток клапана соединен с сильфоном, один из выходов клапана подсоединен к входу в радиатор, а другой, посредством байпасной линии, подсоединен к контурной тепловой трубе на входе в ее компенсационную полость, новым является то, что пассивное регулирующее устройство снабжено вторым сильфоном, соединенным с первым сильфоном с возможностью изменения давления газа в первом сильфоне за счет изменения объема второго сильфона, при этом оба сильфона заполнены одинаковым инертным газом, а изменение объема второго сильфона осуществляется посредством приводного устройства, вход которого подключен к блоку управления.
Кроме того, изменяемый объем второго сильфона определяют из соотношения:
syst-max.
Tmin
max
min
Tmax
dV=V*(1-(P*T)/(T*P))
3
где: dV - полное рабочее изменение объема второго сильфона, м;
Tmin
P - давление теплоносителя КнТТ при минимальной температуре уставки, Па;
Tmax
P - давление теплоносителя КнТТ при максимальной температуре уставки Па;
syst-max
3
V - внутренний объем общей внутренней полости сильфонов при максимально растянутом втором и первом сильфонах, м;
max
T - максимальная применяемая температура уставки, К;
min
T - минимальная применяемая температура уставки, К
Кроме того, второй сильфон, подсоединен к первому сильфону через изолирующий клапан, вход которого подключен к одному из выходов блока управления, а приводное устройство выполнено в виде нагревателя, управляющий вход которого подключен к другому выходу блока управления, при этом второй сильфон размещен внутри отдельного резервуара, частично заполненного двухфазным теплоносителем, нагреватель установлен на наружной стенке резервуара, а датчики температуры установлены на паропроводе и резервуаре.
Кроме того, приводное устройство выполнено в виде шагового электродвигателя и толкателя, обеспечивающего изменение объема второго сильфона за счет его сжатия или растяжения, при этом управляющий вход электродвигателя подключен к выходу блока управления, а датчик температуры установлен на паропроводе. При этом, второй сильфон может быть подсоединен к первому сильфону через изолирующий клапан, вход которого подключен к другому выходу блока управления.
Установка второго сильфона и соединение его с первым таким образом, чтобы получились сообщающиеся сосуды, позволяет изменять давление настройки первого (основного) сильфона за счет изменения объема второго сильфона, осуществляемого посредством приводного устройства, вход которого подключен к блоку управления и, тем самым, обеспечивать возможность дистанционной корректировки температуры уставки в процессе эксплуатации КА.
syst-max.
Tmin
max
min
Tmax
Выбор полного рабочего изменения объема второго сильфона, исходя из диапазона настроек температуры в КнТТ, связанных с давлением двухфазного теплоносителя, циркулирующего в КнТТ, согласно предложенному соотношению dV=V*(1-(P*T)/(T*P)) позволяет повысить точность корректировки температуры уставки в процессе эксплуатации КА.
Размещение второго сильфона в резервуаре, частично заполненного двухфазным теплоносителем, позволяет изменять давление во втором сильфоне за счет создания необходимого давления в среде окружающей второй сильфон с помощью нагревателя. Наличие изолирующего клапана обеспечивает прекращение связи между первым и вторым сильфонами после достижения требуемого давления в первом сильфоне и, соответственно, отсутствие необходимости в дальнейшей работе нагревателя. Далее первый сильфон может продолжать работать пассивно как в обычном трехходовом клапане, но уже с новой настройкой.
Изменение объема второго сильфона с помощью шагового электродвигателя и толкателя, упрощает процесс настройки и повышает ее точность. При этом, настройку можно прекратить простым отключением электродвигателя. Если же фиксацию толкателя в нужном положении обеспечить сложно или невозможно, то связь между первым и вторым сильфонами можно прекратить, используя специально установленный изолирующий клапан (по аналогии с применением нагреваемого резервуара).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - принципиальная схема системы терморегулирования;
Фиг. 2 - устройство клапана, в котором воздействие на второй сильфон оказывает пар двухфазного теплоносителя, окружающего второй сильфон;
Фиг. 3 - устройство клапана, в котором воздействие на второй сильфон осуществляет механический толкатель, приводимый в движение электроприводом;
Фиг. 4 - устройство клапана, в котором сжатие или расширение второго сильфона осуществляет механический толкатель, приводимый в движение электроприводом, а связующий канал между сильфонами оснащен изолирующим клапаном.
Заявляемая система обеспечения теплового режима прецизионных приборов космического аппарата (Фиг. 1) содержит термостабилизируемую платформу 1 с посадочными местами для установки приборов 2, выполненную в виде плоской сотопанели с встроенными тепловыми трубами 3, соединенными друг с другом общим коллекторным теплопроводом 4, и теплопровод радиатора на базе контурной тепловой трубы, испаритель 5 которой контактирует с коллекторным теплопроводом 4, а конденсатор 6 интегрирован в радиатор 7, рассеивающий тепло в космическое пространство. Радиатор 7 связан с испарителем 5 с помощью паропровода 8 и конденсатопровода 9. Регулирование температуры осуществляется с помощью трехходового клапана 10, который направляет пар либо в конденсатор 6, либо, по байпасной линии 11 в конденсатопровод 9, на входе в компенсационную полость 12. Необходимое положение клапана обеспечивает сильфон 13, который с помощью штока 14 перемещает головку клапана 15, (Фиг. 2). Изменение настройки клапана осуществляется с помощью блока управления 16 ко входу которого подключен температурный датчик 17, а к выходу - приводное устройство. Сжатие или растяжение второго сильфона 18 может производиться паром двухфазного теплоносителя. Для этого второй сильфон 18 помещается в отдельный резервуар 19, частично заполненный двухфазным теплоносителем. На корпусе резервуара 19 располагают нагреватель 20 и датчик температуры 21, которые также подключаются к блоку управления 16. Соединение двух сильфонов можно перекрывать с помощью изолирующего клапана 22, (Фиг. 3) и (Фиг. 4) подсоединенного к выходу блока управления 16.
Если приводное устройство выполнено в виде шагового электродвигателя и толкателя, то привод 23 с помощью толкателя 24 может изменять объем второго сильфона 18, соединенного с сильфоном 13 с образованием общего внутреннего пространства. Соединение двух сильфонов может при необходимости прекращаться с помощью изолирующего клапана 22, (Фиг. 3) и (Фиг. 4) подсоединенного к выходу блока управления 16.
syst-max.
Tmin
max
min
Tmax
Рабочий ход второго сильфона, обеспечивающий изменение суммарного объема сообщающихся сильфонов, если пренебречь упругостью второго сильфона, связан с диапазоном изменения температур уставки следующим соотношением dV=V*(1-(P*T)/(T*P)). При этом, определяющей температурой для обоих сильфонов служит температура насыщения в КнТТ (т.е. корпус клапана должен быть термически связан с КнТТ).
Работает система (Фиг. 1) следующим образом. Тепло выделяемое установленным на термостатируемую панель 1 оборудованием передается к интегрированным в нее тепловым трубам 3, далее, к коллекторному теплопроводу 4, а от него к испарителю 5 КнТТ. КнТТ осуществляет регулируемый отвод тепла к радиатору 7. Если температура испарителя 5 становится ниже заданной, то циркулирующий теплоноситель, с помощью клапана 10, будет направлен в конденсатопровод 9, на входе в компенсационную полость 12, по байпасной линии 11, минуя конденсатор 6 и, следовательно, радиатор 7. Клапан 10 управляется штоком 14, подсоединенным к сильфону 13. Необходимое движение штока происходит за счет выравнивания давлений газа в сильфоне и пара в КнТТ. Чтобы изменить температуру настройки клапана 10 необходимо изменить давление внутри сильфона 13. Это обеспечивается (дистанционно) с помощью второго сильфона 18, соединенного с первым 13. Изменение объема второго сильфона позволяет изменять давление в первом сильфоне, т.к. сильфоны являются сообщающимися сосудами и заправлены одним и тем же газом. При использовании шагового электродвигателя 23, воздействующего на второй сильфон, например, с помощью червячной передачи (Фиг. 3), после перенастройки состояние второго сильфона 18 остается неизменным и связующий два сильфона канал можно не перекрывать. Если (новое) состояние второго сильфона, после перенастройки, технически сложно зафиксировать, то канал, связывающий два сильфона можно перекрыть, установив в нем изолирующий клапан 22.
Воздействие на второй сильфон 18 паром двухфазного теплоносителя требует применения нагревателя 20, температура которого контролируется датчиком 21. В данном случае (Фиг. 2), также потребуется «отключить» первый сильфон 13 от второго после перенастройки, чтобы больше не пользоваться нагревателем.
Окончательный контроль результата перенастройки осуществляется по датчику температуры 17, измеряющему, как правило, уровень температуры насыщения в КнТТ (температуры пара в постоянно проточных зонах паропровода и клапана). Для автоматической перенастройки (температуры уставки) клапана датчик температуры 17 подключают к блоку управления 16. Рост температуры настройки требует повышения давления в сильфоне и наоборот.
Таким образом, в представленном на Фиг. 1, 2, 3 и 4 техническом решении и его вариантах воплощения достигается возможность дистанционно изменять температуру настройки клапана. При этом, затраты энергии и активные действия (блока управления и привода) нужны только с момент перенастройки.
Разработанное техническое решение позволяет снизить суточные и сезонные колебания температуры ТСП в процессе эксплуатации системы терморегулирования за счет чего повысится ресурс и точность работы прецизионных приборов КА.
Кроме того, данное техническое решение может быть использовано для повышения точности наземной настройки пассивного регулирующего устройства КнТТ при проведении комплексных тепловых испытаний КА, в процессе которых определяются фактические характеристики теплопередающего тракта и возможные эксплуатационные отклонения температуры ТСП.