система терморегулирования космического аппарата
Классы МПК: | B64G1/50 для регулирования температуры |
Автор(ы): | Халиманович Владимир Иванович (RU), Лавров Виктор Иванович (RU), Колесников Анатолий Петрович (RU), Головенкин Евгений Николаевич (RU), Анкудинов Александр Владимирович (RU), Акчурин Владимир Петрович (RU), Князев Александр Григорьевич (RU), Габов Алексей Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-10-02 публикация патента:
20.04.2014 |
Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР), главным образом мощных геостационарных телекоммуникационных спутников с длительным сроком эксплуатации. Контур СТР с двухфазным теплоносителем (аммиаком) содержит гидронасос, коллекторы приборных и радиаторных панелей, аккумулятор. В корпусе аккумулятора имеются зоны паров теплоносителя и жидкой фазы теплоносителя. Последняя из этих зон сообщена с линией тракта, направленной к входу гидронасоса. Данная линия сообщена соединительным трубопроводом через регулируемый дроссель с корпусом аккумулятора. Дроссель служит для регулирования температуры и давления теплоносителя в корпусе аккумулятора. Через него в центральную зону корпуса поступает около 10% расхода жидкого теплоносителя. Для отделения жидкой фазы от пузырей нерастворенного газа (если они образуются) участок на выходе указанного соединительного трубопровода выполнен в виде половины петли с некоторым радиусом. Сечение данного участка имеет прямоугольную форму, причем длинная его сторона расположена в плоскости, перпендикулярной направлению движения теплоносителя. Технический результат изобретения состоит в уменьшении допустимых утечек теплоносителя из контура СТР в дежурном режиме эксплуатации КА на орбите и, следовательно, в уменьшении бортового запаса теплоносителя. 2 ил.
Формула изобретения
Система терморегулирования космического аппарата, включающая контур с двухфазным теплоносителем, содержащий соединенные между собой линиями тракта гидронасос, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, коллекторы панелей радиатора, аккумулятор, содержащий корпус с зоной расположения в нем паровой фазы теплоносителя с нерастворенным в жидкой фазе теплоносителя газом и зоной расположения в нем жидкой фазы теплоносителя, сообщенной соединительным трубопроводом с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, отличающаяся тем,что линия тракта, расположенная между последним по направлению движения теплоносителя коллектором панели радиатора и точкой соединения трубопровода, идущего от корпуса аккумулятора, с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, сообщена соединительным трубопроводом через регулируемый дроссель с корпусом аккумулятора, с расположением выходного сечения трубопровода в центральной зоне корпуса аккумулятора, при этом вблизи выходного сечения участок указанного трубопровода выполнен в виде половины петли с некоторым радиусом, а сечение имеет прямоугольную форму, причем длинная сторона выходного сечения расположена в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению движения теплоносителя на выходе из вышеуказанного выходного сечения.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании космических аппаратов (КА), например мощных телекоммуникационных спутников, системы терморегулирования которых в режиме сеанса связи должны отводить от работающих приборов избыточное тепло более 15000 Вт, а в дежурном режиме - около 2500 Вт.
В составе таких спутников с точки зрения обеспечения наилучших массовых и энергетических характеристик должны быть применены СТР с двухфазным теплоносителем, например, аммиаком.
Известна такая СТР с двухфазным теплоносителем согласно патенту Российской Федерации (РФ) № 2362712 [1], которая включает в себя (см. фигуру 1) 1 - линию тракта между элементами, например между выходом 9.2 черпакового насоса 9 и входом в гидронасос 2; 3, 4 - панели, на которых установлены приборы, выделяющие избыточное тепло при работе; 5, 6 - панели радиатора, с излучающих поверхностей которых осуществляется сброс избыточного тепла в космическое пространство (в сеансе связи, например, 15000 Вт, а в дежурном режиме, например, в течение времени, равном 25% от общего времени работы КА на орбите - 2500 Вт); 3.1,4.1,5.1,6.1 - коллекторы соответствующих панелей 3-6; 7 - аккумулятор, содержащий корпус 7.1 с зонами концентрации газа (паров теплоносителя) 7.2 и жидкой фазы теплоносителя 7.3; 8 - соединительный трубопровод, сообщающий зону расположения жидкой фазы теплоносителя 7.3 с линией тракта, направленной к входу гидронасоса 2; 9 - черпаковый насос, обеспечивающий разделение жидкой фазы теплоносителя (в результате возникновения центробежных сил при вращении рабочего колеса насоса) и концентрацию ее в периферийной зоне, а неконденсирующихся газов и паров теплоносителя - в центральной зоне внутри корпуса; 9.1 - входной штуцер; 9.2 - первый выходной штуцер подачи жидкой фазы теплоносителя, который соединен с линией тракта, идущей к входу гидронасоса 2, до точки соединения трубопровода 8, идущего от корпуса аккумулятора 7, с указанной линией; 9.3 - второй выходной штуцер подачи парогазовой смеси, который сообщен через нормально закрытый клапан 10 с зоной расположения газа (паров теплоносителя) в корпусе 7.1 аккумулятора 7; 9.4 - зона концентрации жидкой фазы теплоносителя в периферийной зоне внутри корпуса насоса 9; 9.5 - зона (центральная) концентрации неконденсирующихся газов и паров теплоносителя внутри корпуса насоса 9.
Проведенный анализ показал, что вышеуказанное техническое решение [1] обладает существенными недостатками, обусловленными следующими причинами:
1. Для отвода в космическое пространство максимально возможного избыточного тепла в количестве 15000 Вт площадь радиатора выбирается исходя из того, что максимальная температура пара (парожидкостного) теплоносителя на входе его равна максимальной температуре пара на выходе из последнего коллектора панелей с приборами, которая выбирается исходя из максимально допустимой температуры приборов - в этом случае температура пара на входе в радиатор равна 50°С, т.е. двухфазный теплоноситель в коллекторах панелей с приборами кипит при температуре 50°С и упругость повышенных паров теплоносителя (аммиака) при этой температуре равна 20 кгс/см2 (см. справочник: «Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. «Наука». М., 1972; стр.464 [2]). Следовательно, для обеспечения такого давления ( 20 кгс/см2) паров теплоносителя в аккумуляторе с учетом напора гидронасоса, например, 0,6 кгс/см, давление должно быть 19,4 кгс/см2, что соответствует температуре теплоносителя (пара и жидкой фазы), равной 48°С. Для обеспечения безкавитационной работы гидронасоса площадь радиатора выбирают таким образом, чтобы температура на входе в гидронасос была ниже на 5°С по сравнению с температурой полностью жидкого теплоносителя на выходе из радиатора. Как видно, при отводе избыточного тепла в трактах с теплоносителем достаточно высокое избыточное давление ( 19 кгс/см2) и утечки теплоносителя в течение срока эксплуатации ( 15 лет) также будут существенными (например, около 5 дм 3 или 3,5 кг).
В дежурном режиме при отводе избыточного тепла в количестве 2500 Вт по всему тракту течет жидкий теплоноситель и температура теплоносителя достаточно сильно уменьшается (для существующей площади радиатора) - ниже минус 40°С; с учетом того, что при такой температуре для безкавитационной работы гидронасоса избыточное давление на входе в гидронасос должно быть 0,5 кгс/см 2, нет необходимости продолжать поддерживать в аккумуляторе давление, равное 19 кгс/см2, и, следовательно, нет необходимости в температуре аккумулятора, равной 48°С.
Таким образом, если в дежурном режиме снизим температуру теплоносителя в аккумуляторе, то тем самым снизим и давление в трактах до 0,5-0,8 кгс/см2 и утечки теплоносителя уменьшатся в =20раз и суммарная масса теплоносителя на утечки потребуется меньше на 1 кг.
Таким образом, известное техническое решение с рассмотренной выше точки зрения обладает существенным недостатком - для его реализации на практике необходимы повышенные массовые затраты.
2. Наличие в составе СТР черпакового насоса и нормально закрытого клапана усложняют конструкцию и управление работой СТР, требуют массовых затрат в количестве 2 кг. Таким образом, и с этой точки зрения известная СТР обладает вышеуказанными существенными недостатками.
Целью предлагаемого авторами изобретения является устранение вышеуказанных существенных недостатков, т.е. одновременное обеспечение снижения массы, упрощения конструкции и управления работой СТР.
Поставленная цель достигается выполнением СТР, включающей контур с двухфазным теплоносителем, содержащий соединенные между собой линиями тракта гидронасос, коллекторы панелей, на которых установлены приборы, коллекторы панелей радиатора, аккумулятор, содержащий корпус с зоной расположения в нем паровой фазы теплоносителя с нерастворенным в жидкой фазе теплоносителя газом и зоной расположения в нем жидкой фазы теплоносителя, сообщенной соединительным трубопроводом с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, таким образом, что линия тракта, расположенная между последним по направлению движения теплоносителя коллектором панели радиатора и точкой соединения трубопровода, идущего от корпуса аккумулятора, с линией тракта, направленной к входу гидронасоса, сообщена соединительным трубопроводом через регулируемый дроссель, с корпусом аккумулятора с расположением выходного сечения трубопровода в центральной зоне корпуса аккумулятора, при этом вблизи выходного сечения участок указанного трубопровода выполнен в виде половины петли с радиусом, а сечение имеет прямоугольную форму, причем длинная сторона выходного сечения расположена в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению движения теплоносителя на выходе из вышеуказанного выходного сечения, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого технического решения.
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.
Принципиальная схема предложенной СТР КА изображена на фигуре 2, где 1 - линия тракта между элементами, например между выходом из коллектора 6.1 радиатора 6 и входом в гидронасос 2; 3, 4 - панели, на которых установлены приборы, выделяющие избыточное тепло при работе; 5, 6 - панели радиатора, с излучающих поверхностей которых осуществляется сброс избыточного тепла в космическое пространство; 3.1, 4.1, 5.1, 6.1 - коллекторы соответствующих панелей 3-6; 7 - аккумулятор, содержащий корпус 7.1 с зонами концентрации газа (паров теплоносителя) 7.2 и жидкой фазы теплоносителя 7.3; 8 -соединительный трубопровод, сообщающий зону расположения жидкой фазы теплоносителя 7.3 с линией тракта, направленной к входу гидронасоса 2; 9 - центральная зона корпуса аккумулятора; регулируемый дроссель 10 (рабочее положение его устанавливается при изготовлении КА, чтобы обеспечивался расход теплоносителя через него в корпус аккумулятора, равный, например, 10% от общего расхода в линиях); 11 - соединительный трубопровод, имеющий прямоугольное выходное сечение в центральной зоне корпуса аккумулятора, выполненный в форме половины петли с радиусом, например, 30÷55 мм. При этом длинная сторона ( 10 мм) прямоугольного выходного сечения лежит в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению движения теплоносителя в выходном сечении из вышеуказанного трубопровода.
Работа предложенной СТР происходит следующим образом.
На орбите включены (последовательно во времени) в работу гидронасос 2, приборы, установленные на панелях 3 и 4. В газовой полости аккумулятора 7 при максимальном тепловыделении приборов поддерживается соответствующая величина давления ( 19 кгс/см), обеспечивающая изменение рабочей температуры приборов, близкой к максимально допустимой температуре в результате соответствующего испарения теплоносителя в трактах 3.1 и 4.1, на выходе из тракта коллектора 4.1 теплоноситель практически полностью состоит из паров в случае максимального тепловыделения приборов. В трактах коллекторов 5.1 и 6.1 радиатора происходит конденсация паров теплоносителя, на выходе из тракта коллектора 6.1 теплоноситель состоит полностью из жидкой фазы теплоносителя. После этого, например, 10% от общего расхода жидкой фазы, теплоноситель через установленное при изготовлении соответствующее положение регулируемого дросселя 10 поступает в центральную зону 9 корпуса аккумулятора, а 90% расхода направляется к точке соединения линии тракта 1, идущей к гидронасосу 2, с трубопроводом 8, идущим от корпуса аккумулятора 7 с зоной расположений жидкой фазы теплоносителя. И, в случае наличия (образования) пузырей неконденсирующихся газов (следует отметить, часть их растворена в жидкой фазе теплоносителя), в прямоугольном выходном сечении трубопровода 11 петлеобразной формы, находящегося в центральной зоне внутри корпуса аккумулятора, происходит разделение жидкой фазы теплоносителя от пузырей неконденсирующихся газов и концентрация жидкой фазы в зоне 7.3 внутри корпуса аккумулятора (например, в результате установки аккумулятора на КА согласно патенту РФ № 2329920).
При минимальном тепловыделении приборов на выходе из коллектора 6.1 температура жидкой фазы теплоносителя существенно уменьшается и поступающий в корпус аккумулятора (10% от общего расхода жидкой (холодной) фазы) теплоноситель снижает общую температуру в корпусе до такого давления, когда будет обеспечиваться минимально допустимое давление на входе в гидронасос и в линиях трактов в целом, и, следовательно, утечки теплоносителя при этом уменьшаются, т.е. достигается цель изобретения.
Класс B64G1/50 для регулирования температуры