СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SYSTEM OF SPACECRAFT THERMAL CONTROL

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам обеспечения теплового режима телекоммуникационных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.
Известны системы терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) по патентам Российской Федерации №2151722 [1], №2209750 [2], которые содержат бортовую часть СТР (функционирующую как при наземных испытаниях, так и при работе на орбите) и соединенную с бортовой частью через гидроразъемы наземную (съемную) часть СТР, т.е. блок съемного оборудования СТР, включающий в себя теплообменники, используемый в составе СТР только при наземных испытаниях, в т.ч. при испытаниях КА в термобарокамере; вышеуказанные теплообменники при наземных испытаниях соединены с наземной системой обеспечения теплового режима (представляет собой достаточно сложную и дорогостоящую конструкцию).
В настоящее время с целью обеспечения высоконадежного функционирования вновь создаваемого нашим предприятием КА с длительным (15 и более лет) сроком эксплуатации его СТР выполнена из двух независимых и одинаковых по составу параллельно встроенных в сотовые панели трактов теплоносителя (см. фиг.1). Для такого КА при его наземных испытаниях, в т.ч. при термовакуумных испытаниях, проводимых в термобарокамере, необходимо подтвердить обеспечение требуемых рабочих температур приборов КА, установленных на сотовых панелях, при циркуляции теплоносителя с требуемым расходом и температурой теплоносителя на выходе из блоков съемного оборудования (на входе в бортовую часть СТР) как при работе каждого отдельного циркуляционного тракта СТР, так и при одновременной работе двух указанных трактов СТР.
Следовательно, согласно известным техническим решениям к бортовой части СТР, содержащей два независимых тракта теплоносителя, должно быть присоединено два одинаковых (с одинаковыми гидравлическими сопротивлениями трактов и одинаковыми теплообменниками) блока съемного оборудования СТР, которые, в свою очередь, должны быть соединены с достаточно сложными (и дорогостоящими) двумя независимыми наземными системами обеспечения теплового режима; кроме того, из-за использования двух указанных систем необходимо предусмотреть, в частности, дополнительную систему гермоввода в термобарокамеру, усложняющую ее конструкцию; также при этом усложняется процедура проведения наземных испытаний из-за наличия двух наземных систем обеспечения теплового режима - и все это приводит к существенным дополнительным материальным и трудовым затратам.
Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является система терморегулирования космического аппарата по патенту Российской Федерации №2209750 [2].
Известная согласно [2] СТР КА (см. фиг.3), выполненного из двух модулей: модуля полезной нагрузки (МПН) 7 и модуля служебных систем (МСС) 6, включает в себя: бортовые циркуляционные тракты теплоносителя 1 и 2, встроенные в сотовые панели 3, 4, 5; выходные 1.2 и 2.2 и входные 1.1 и 2.1 гидроразъемы бортовой части СТР; съемные блоки 11 и 12, подключенные своими входными и выходными гидроразъемами к выходным 1.2 и 2.2 и входным 1.1 и 2.1 гидроразъемам бортовой части СТР; поз.9 и 13 - наземные системы обеспечения теплового режима.
Как показано выше, существенные недостатки известного технического решения следующие: если по нему выполнять СТР КА, содержащую два независимых параллельных тракта теплоносителя, то существенно усложняется как наземная съемная часть СТР (потребуется два раздельных съемных блока), так и усложняется остальное наземное испытательное оборудование, используемое при наземных испытаниях КА (потребуются две наземные системы обеспечения теплового режима и необходима доработка термобарокамеры из-за этого), а также усложняется процедура проведения испытаний (приходится работать с двумя наземными системами обеспечения теплового режима) - все это потребует немалых дополнительных материальных и трудовых затрат.
Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.
Поставленная цель достигается выполнением системы терморегулирования космического аппарата (содержащей два независимых одинаковых по составу и размещенных рядом друг с другом в сотовых панелях бортовых циркуляционных тракта с теплоносителем, каждый из которых имеет входной и выходной гидроразъемы, соединенные с соответствующими гидроразъемами съемного блока системы, имеющего два одинаковых жидкостных тракта, каждый из которых включает в себя первый и второй теплообменники по направлению циркуляции теплоносителя, первые жидкостные полости которых соединены последовательно, а вторые полости теплообменников, каждая из которых имеет один вход и один выход, сообщены с циркуляционным трактом с холодоносителем наземной системы обеспечения теплового режима, имеющей один вход и один выход, по противоточной схеме циркуляции теплоносителя и холодоносителя в полостях теплообменников) таким образом, что выход наземной системы обеспечения теплового режима сообщен с входом второй полости второго теплообменника первого тракта съемного блока, выполненного в виде единой конструкции, при этом выход второй полости вышеуказанного теплообменника сообщен с входом второй полости второго теплообменника второго тракта блока, а ее выход соединен с входом второй полости первого теплообменника, расположенного в этом же тракте блока, выход которого сообщен с входом второй полости первого теплообменника первого тракта блока, а выход ее соединен с входом наземной системы обеспечения теплового режима, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.
В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемой системе терморегулирования.
Предлагаемая СТР КА, выполненного из двух модулей: МПН 7 и МСС 6 (см. фиг.1, где изображена принципиальная схема СТР в условиях эксплуатации на орбите, и фиг.2, где изображена принципиальная схема СТР при испытаниях КА в наземных условиях), включает в себя:
1) первый бортовой циркуляционный тракт теплоносителя 1, встроенный в сотовые панели 3, 4, 5; выходной и входной гидроразъемы бортовой части СТР 1.2 и 1.1; съемный блок 11, выполненный как единое конструктивное целое, подключенный своими первыми выходным 8.4 и входным 8.3 гидроразъемами к входному 1.1 и выходному 1.2 гидроразъемам бортовой части СТР соответственно; поз.8 и 10 - первый и второй тракты съемного блока 11;
2) выходной и входной гидроразъемы 2.2 и 2.1 другого (второго) циркуляционного тракта 2, также встроенного в сотовые панели 3, 4, 5 рядом с трактом 1, соединены со вторыми входным 10.3 и выходным 10.4 гидроразъемами блока 11 соответственно;
3) выход "4" наземной системы обеспечения теплового режима 9 сообщен с входом "1" второй полости второго теплообменника 8.2 первого тракта 8 съемного блока 11, выполненного в виде единой конструкции; при этом выход "2" второй полости вышеуказанного теплообменника 8.2 сообщен с входом "1" второй полости второго теплообменника 10.2 второго тракта 10 блока 11, а ее выход "2" соединен с входом "1" второй полости первого теплообменника 10.1, расположенного в этом же тракте 10 блока 11, выход "2" которого сообщен с входом "1" второй полости первого теплообменника 8.1 первого тракта 8 блока 11, а выход "2" ее соединен с входом "3" наземной системы обеспечения теплового режима 9. В результате теплового и гидравлического анализа работы комплекса: СТР КА, содержащей два независимых бортовых циркуляционных тракта 1 и 2, плюс присоединенного к СТР съемного блока 11 СТР, выполненного в виде конструктивного единого целого с унифицированными (одинаковыми) теплообменниками 8.1, 8.2, 10.1, 10.2, плюс одной наземной системы обеспечения теплового режима 9, а также в результате анализа опытных данных по теплообменникам авторами установлено, что только вышеуказанная последовательность соединений полостей холодоносителя теплообменников, установленных по два в каждом жидкостном тракте 8 и 10 съемного блока 11, между собой и с наземной системой обеспечения теплового режима 9 обеспечивает отвод требуемой (определенной) величины избыточного тепла, выделяющегося при работе приборов КА в процессе наземных испытаний, в наземную систему обеспечения теплового режима и поддержание требуемой температуры теплоносителя при этом на входе в бортовые циркуляционные тракты, как при работе бортовых циркуляционных трактов по отдельности, так и при их совместной работе;
4) следует отметить, что, как показал анализ, данное техническое решение может использоваться как в СТР с жидким теплоносителем, так и с двухфазным теплоносителем.
Работа СТР при наземных испытаниях КА, в частности, при термовакуумных испытаниях в термобарокамере, происходит следующим образом. КА установлен в термобарокамере, где имитируются окружающие КА условия космического пространства.
СТР имеет конфигурацию, предназначенную для наземных испытаний: к бортовой части СТР подключен съемный блок СТР 11, а к нему подключена наземная система обеспечения теплового режима 9 (тракты заправлены теплоносителем).
Включают в работу тракт 1 СТР (тракт 2 СТР не работает, т.е. не производится циркуляция теплоносителя по ее тракту), затем - систему обеспечения теплового режима 9. Включают в работу приборы КА.
Определенное избыточное тепло, выделяющееся при работе приборов, отводится циркулирующим теплоносителем тракта 1 и передается в теплообменниках 8.1 и 8.2 съемного блока 11 наземной системе обеспечения теплового режима 9.
Контролируют расход и температуру теплоносителя на входе в тракт 1 и температуры приборов - они должны находиться в требуемых рабочих диапазонах.
Таким образом подтверждается работоспособность СТР при работе только тракта 1.
Затем повторяют вышеуказанные испытания при работе тракта 2 при неработающем тракте 1 и при работе одновременно обоих трактов 1 и 2 и подтверждают работоспособность - отвод определенного количества тепла при работе только тракта 2 и при одновременной работе обоих трактов.
Как видно из вышеизложенного, в результате выполнения СТР КА согласно предложенному авторами техническому решению обеспечивается упрощение конструкции съемного блока СТР и наземных испытательных средств и процедуры наземных испытаний КА, повышающее экономическую эффективность при создании КА, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.
В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на вновь разрабатываемый телекоммуникационный спутник.