Система терморегулирования космического аппарата
SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при создании систем терморегулирования (СТР) холодопроизводительностью от 16 до 18 кВт космических аппаратов (КА) c суммарным энергопотреблением от 25 до 30 кВт, например, телекоммуникационных КА, СТР которых содержит жидкостный контур (или два сдублированных контура) с жидким (монофазным или двухфазным) деаэрированным теплоносителем, циркуляцию которого обеспечивает электронасосный агрегат (ЭНА).
Известно, что СТР КА является главнейшей системой КА, так как все приборы, устройства его работоспособны только тогда, когда СТР безотказно выполняет свои функции: поддерживает в условиях эксплуатации на орбите требуемые рабочие температуры для всех составляющих КА в течение всего заданного срока эксплуатации (как правило, 10 - 15 лет).
Наиболее близким решением (прототипом) является СТР КА (см. патент RU №2577925 [1]), принципиальная схема которой [1] изображена на фиг.1. СТР включает в себя жидкостный контур 1 с циркулирующим теплоносителем ЛЗ-ТК-2, имеющий в своем составе элементы: центробежный двухступенчатый электронасосный агрегат 7, содержащий гидронасос 7.1 с номинальной частотой вращения последовательно расположенных двух рабочих колес закрытого типа, равной 6000 оборотов в минуту, дроссельную шайбу 7.2, гидроаккумулятор 6, вентили 12,13,14, коллекторы панелей 2, 4, на которых установлены приборы, и радиаторы 3, 5, которые между собой сообщены участками соединительных трубопроводов 15; обозначения на схеме : ”1” - “Выход” - стыковое соединение примыкающих друг к другу торцевыми поверхностями жидкостных трактов на входе в ЭНА 7 и на выходе из жидкостного контура 1; ”2” - “Вход” - стыковое соединение примыкающих друг к другу торцевыми поверхностями жидкостных трактов на выходе из ЭНА 7 и на входе в жидкостный контур 1.
Анализ опыта эксплуатации спутников с различной холодопроизводительностью СТР (до 3000 - 8000 Вт) показывает, что в первую очередь надежная работа СТР определяется высоконадежной работой ЭНА, при этом ЭНА должен иметь оптимальные габариты, массу и энергопотребление.
Например, СТР КА, согласно патента RU № 2158703 [2], содержат теплообменники приборов, компенсатор, электронасосный агрегат и жидкостный контур с регулятором расхода и распределителем. С использованием указанных СТР созданы ряд КА (“SESAT”, серия “Экспресс-АМ”), которые безотказно функционируют (функционировали) на орбите в течение более 10-15 лет, причем в течение указанных сроков работает (работал) один и тот же гидронасос ЭНА.
3
2
В СТР указанных КА (холодопроизводительностью до 3000 - 8000 Вт) ЭНА представляет из себя центробежный гидронасос (с электродвигателем на радиальных шарикоподшипниках) с одноступенчатым рабочим колесом закрытого типа с разгрузочными отверстиями с номинальной частотой оборотов электродвигателя 6000 об/мин при рабочем напряжении питания 27 В, обеспечивающий при температуре теплоносителя не более 35°С расход жидкого теплоносителя ЛЗ-ТК-2 90 - 150 см/с с напором (перепадом давлений теплоносителя между выходом и входом ЭНА), равным 0,4 кгс/см, и с энергопотреблением 35 Вт, массой не более 4 кг.
Следует отметить, что надежность ЭНА в первую очередь определяет работоспособность опор электродвигателя [1], так как их невозможно резервировать и они являются точками единичного отказа. Для обеспечения безотказной работы вышеуказанного ЭНА работоспособность опор должна быть гарантирована высоконадежно - и это обеспечивалось при небольшой радиальной нагрузке на опорах (на подшипниках качения) и при соответствующей чистоте прокачиваемого через работающий гидронасос теплоносителя: при работе указанного гидронасоса радиальная нагрузка на опорах не превышала 0,1 кгс, а в прокачиваемом через работающий гидронасос теплоносителе отсутствовали механические загрязнения размером более 50 мкм (например, разрешается не более 5 частиц загрязнений размером 40-50 мкм в одном литре теплоносителя).
Такая норма чистоты теплоносителя, циркулирующего в жидкостном контуре, в том числе через полость гидронасоса (ЭНА), была обусловлена тем, что воздушная среда существующих производственных помещений (цехов), предназначенных для изготовления, сборки и испытаний приборов, комплектующих устройств, в том числе ЭНА, СТР и собственно КА, содержит частицы загрязнений до 50 мкм, и она, проникая во внутренние полости - жидкостные тракты вышеуказанных элементов, загрязняет внутренние полости такими загрязнениями (в настоящее время вентиляционные системы помещений цехов более совершенные и обеспечивается чистота помещений класса 8 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 [3]), по которому в воздухе возможны частицы загрязнителей с пороговым размером 5 мкм, включая все частицы с размерами, равными и большими этого размера, то есть возможны в воздушной среде помещений цехов, как показывают контрольные измерения, частицы загрязнителей до 20 - 50 мкм). Стоит отметить, что (согласно источнику информации «Интернет - hydac.com.ru» - Загрязнения в рабочей жидкости и их влияние на износ гидравлического оборудования», первый источник информации, вводная часть [4]) на основании мировой статистики 70 - 80% выходов из строя гидравлических систем вызваны загрязненностью рабочей среды.
2
3
В настоящее время создаются различные КА с существенно повышенной холодопроизводительностью СТР, например, от 16000 до 18000 Вт, и как показал анализ вышеуказанный тип ЭНА не может быть применен во вновь разрабатываемых мощных КА, так как требуемые номинальные напоры должны быть в диапазоне 1,8 - 2 кгс/см при расходе теплоносителя не менее 160 см/с.
Анализ опытных данных по созданию двухступенчатого ЭНА [1] и анализ источника информации - книги: «М.В. Краев, В.А. Лукин, Б.В. Овсянников. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.:Машиностроение, 1985» [5] показал, что:
1. Ресурс (долговечность) и надежность существующих гидронасосов ЭНА СТР КА с подшипниками качения определяется числом циклов нагружения и, следовательно, зависит от частоты вращения вала (ротора) и резко падает с увеличением оборотов ротора (имеется 6000 об/мин - будет, например, 10000 об/мин) и с увеличением радиальной нагрузки в наземных условиях (имеется 0,1 кгс - будет до 0,25 кгс) (см. [5], стр. 94, строки 7-10 снизу);
2. В связи с вышеизложенным необходимо переходить на постановку ротора в гидродинамические опоры скольжения (см. [5], стр. 95, вывод из текста последнего абзаца; а также последний абзац на стр. 108 и строки 3-7 сверху на стр. 109, из которых следует, что при этом необходимо учитывать особенность гидродинамических опор малорасходных насосов космических систем: их низкую нагруженность радиальными силами вследствие невесомости, что приводит к неустойчивому положению вала и к возникновению вибраций);
3. В то же время для снижения вибрации (то есть для обеспечения надежности и ресурса ЭНА) необходимо соблюдать, чтобы амплитуда (пиковое значение) колебаний вала (ротора) была минимально возможной в условиях невесомости: в [5] на стр. 112 на рисунке 7.12 при циркуляции через ЭНА изооктана (близкого по теплофизическим характеристикам теплоносителю ЛЗ-ТК-2 : в нем 98% изооктана) при осевом зазоре 10 мкм (при этом зазоре амплитуды колебаний при наземных условиях и в невесомости близки - см. рис. 7.12) амплитуда колебаний равна: А = Ā х С = 0,42 х 10 = 4,2 мкм. Следовательно, минимальный свободный зазор, исключающий контакт поверхности вала с поверхностью корпуса равен: 10 - 4 = 5,8 мкм. Следовательно, должна быть обеспечена чистота теплоносителя, прокачиваемого через ЭНА, с нормой: в нем должны отсутствовать механические загрязнения размером, например, 5 и более мкм.
Анализ показал, что такую чистоту воздуха в существующих цехах и жидкостном контуре СТР, в том числе ЭНА, невозможно обеспечить, так как в настоящее время в помещениях цехов чистота воздуха соответствует классу 8 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 [3] и возможно наличие механических загрязнений до 20-50 мкм. Анализ также показал, что для обеспечения чистоты воздуха в существующих цехах и в СТР (в том числе в ЭНА) с нормой отсутствия загрязнений размером менее 5 мкм должно выполняться требование класса 5 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 [3], что потребует капитальной реконструкции цехов или строительства новых цехов с созданием существенно более совершенных систем вентиляции - это потребует многомиллиардных расходов, что в настоящее время неприемлемо.
Таким образом, существенным недостатком (технической проблемой) известной СТР и является невозможность обеспечения требуемых надежности и ресурса СТР в условиях эксплуатации КА на орбите.
Поставленная авторами техническая задача - устранение вышеуказанного существенного недостатка известного технического решения достигается следующим образом:
1. Cистема терморегулирования космического аппарата, включающая жидкостный контур с циркулирующим теплоносителем, например, ЛЗ-ТК-2, имеющий в своем составе элементы: центробежный электронасосный агрегат (ЭНА), например, двухступенчатый, с электродвигателем на гидродинамических опорах, вход “1” и выход “2” которого соединены соответственно с выходом и входом жидкостного контура, прокачивающий через себя теплоноситель в результате обеспечения вращения двух последовательно расположенных рабочих колес с номинальной частотой вращения вала электродвигателя на гидродинамических опорах, например, 10000 оборотов в минуту, изготовленные, например, из алюминиевого сплава, гидроаккумулятор, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, радиаторы и вентили, которые сообщены между собой участками соединительных трубопроводов, выполнена таким образом, что в составе ЭНА непосредственно после его входа “1” по направлению движения теплоносителя установлены последовательно соединенные между собой: разъем гидравлический - фильтр тонкой очистки, задерживающий механические частицы из теплоносителя жидкостного контура размером, например, 5 и более мкм, а непосредственно перед выходом “2” установлен разъем гидравлический, соединенный с гибким трубопроводом, при этом на входе жидкостного контура предусмотрен разъем гидравлический, а на выходе по направлению движения теплоносителя установлен гибкий трубопровод, сообщенный с разъемом гидравлическим.
2. Система терморегулирования по п. 1, выполнена таким образом, что ЭНА выполнен работоспособным при повышенном, например, более 27 В, напряжении питания, предусмотренном на борту космического аппарата.
3. Система терморегулирования по п. 1, выполнена таким образом, что комплектующие жидкостного контура, в том числе комплектующие ЭНА, контактирующие с теплоносителем ЛЗ-ТК-2, изготовлены из материалов, взаимно совместимых с алюминием и алюминиевыми сплавами (согласно выводу на стр. 123 книги: «УДК 669.018.8.001/М21. Мальцева Г.Н. Коррозия и защита оборудования от коррозии: Учеб. пособие. - Пенза: изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001»: «Алюминий и его сплавы очень чувствительны к контактированию с другими металлами. Самыми опасными являются контакты с более положительными металлами - медью и медными сплавами» [6]).
4. Система терморегулирования по п. 1, выполнена таким образом, что после входа в жидкостный контур установлена, при необходимости, дроссельная шайба с определенным гидравлическим сопротивлением (см. [1]).
5. Система терморегулирования по п. 1, выполнена таким образом, что фильтр тонкой очистки, при необходимости, состоит из параллельно соединенных фильтров тонкой очистки (для обеспечения снижения гидравлического сопротивления фильтра и повышения объема теплоносителя, очищаемого до отсутствия в нем частиц загрязнений размером, например, 5 и более мкм).
В результате анализа, проведенного авторами, известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого изобретения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемой системе терморегулирования космического аппарата.
фиг.2 - 5
Принципиальная схема предложенной СТР КА изображена на .
Фиг.2
(приведена схема СТР в условиях орбитального функционирования КА на орбите с кратким описанием СТР): СТР включает в себя жидкостный контур 1 с циркулирующим теплоносителем ЛЗ-ТК-2, который в своем составе имеет элементы: центробежный электронасосный агрегат 7, например двухступенчатый, вход “1” и выход “2” которого соединены соответственно с “Выходом” и “Входом” жидкостного контура 1. ЭНА 7 содержит: гидронасос 7.1, который прокачивает через себя теплоноситель в результате обеспечения вращения двух последовательно расположенных рабочих колес закрытого типа с разгрузочными отверстиями с номинальной частотой вращения вала электродвигателя с гидродинамическими опорами, например, 10000 оборотов в минуту. В составе ЭНА 7 непосредственно после его входа “1” по направлению движения теплоносителя установлены последовательно соединенные между собой разъем гидравлический 7.3, фильтр тонкой очистки 7.2 (задерживающий механические частицы из циркулирующего в жидкостном контуре теплоносителя размером от 5 до 40-50 мкм), гидронасос 7.1. Непосредственно перед выходом “2” ЭНА 7 установлен разъем гидравлический 7.5, соединенный через гибкий трубопровод 7.4 с выходом гидронасоса 7.1. При этом на “Входе” жидкостного контура 1 предусмотрен разъем гидравлический 9, а на “Выходе” по направлению движения теплоносителя установлен гибкий трубопровод 11, сообщенный с разъемом гидравлическим 10. В жидкостном контуре 1 до и после ЭНА 7 установлены, изготовленные из алюминиевого сплава, гидроаккумулятор 6, вентили 12, 13, 14, дроссельная шайба 8 (устанавливается при необходимости), коллекторы панелей 2,4, на которых установлены приборы, радиаторы 3 и 5, которые сообщены между собой участками соединительных трубопроводов 15.
Фиг.3
- приведена схема СТР в составе КА без установленного в жидкостном контуре 1 ЭНА 7 (вместо ЭНА 7 установлен технологический трубопровод 17 в составе гибкого трубопровода 17.3 с разъемами гидравлическими на его концах 17.1, 17.2) в процессе изготовления КА и СТР (промывка жидкостного контура 1 изооктаном, слив изооктана из жидкостного контура 1, проверка герметичности его, заправка жидкостного контура 1 деаэрированным теплоносителем ЛЗ-ТК-2 с использованием наземных технологических оборудований 16 до получения чистоты заправленного в жидкостный контур 1 теплоносителя до отсутствия в нем частиц загрязнений более 50 мкм (штатная заправка) - это обусловлено тем, что вышеуказанные технологические процессы осуществляют в помещении существующего цеха, чистота воздуха в котором соответствует классу 8 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 и возможно наличие механических загрязнений до 20-50 мкм. Причем следует указать, что все комплектующие, кроме ЭНА, также изготавливались в различных цехах с обеспечением чистоты их жидкостных трактов классу 8 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017.
Фиг.4
- приведена схема изготовления ЭНА 7 (см. позицию 7 на фиг. 2) в специально усовершенствованном в части конструкции и вентиляции (и стенда 18, имеющего разъемы гидравлические 18.1, 18.2) участке одного из существующих цехов. В указанном участке дополнительно обеспечивается чистота воздуха до отсутствия в нем частиц загрязнений размером 5 и более мкм - выполняется требование класса 5 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017. В конце изготовления и испытаний ЭНА (в помещении указанного участка) выполняют заключительную операцию - заправляют (заполняют) чистый жидкостный тракт ЭНА 7 чистым деаэрированным теплоносителем, то есть в жидкостном тракте ЭНА 7 и теплоносителе в нем отсутствуют механические загрязнения размером 5 и более мкм.
Фиг. 5
- в конце заправки к разъему гидравлическому 7.5 ЭНА 7 присоединяют разъем гидравлический 19.1 технологического компенсирующего устройства 19, предварительно заправленного чистым (таким же, как и для ЭНА 7) деаэрированным теплоносителем. После этого в такой комплектации ЭНА 7 (с присоединенным к нему компенсационным устройством 19) отправляют в цех, где сбирают КА, для установки в составе СТР (см. фиг.3).
После того, как выполнены операции штатной заправки жидкостного контура 1 с технологическим трубопроводом 17 (см. фиг. 3) деаэрированным теплоносителем и поступления в цех ЭНА 7 (см. фиг.5), демонтируют технологический трубопровод 17 и технологическое компенсирующее устройство 19 (см. фиг. 3 и фиг. 5) и осуществляют операции установки ЭНА 7 на штатное место в КА, и затем присоединяют штатно друг с другом разъемы гидравлические 7.5 с 9, 10 с 7.3.
Таким образом достигается технический результат изобретения - обеспечение высокой надежности безотказного функционирования в течение требуемого длительного срока эксплуатации СТР любых КА c суммарным энергопотреблением от 25 до 30 кВт.