DE602004000581T2

DE602004000581T2 - Satellit einschliesslich Mittel zum Wärmetransport von einem Vorrichtungsgestell zu Radiatorpaneelen

Info

Publication number: DE602004000581T2
Application number: DE602004000581T
Authority: DE
Inventors: Tisna Tjiptahardja; Marcel Amidieu; Gerard Cluzet
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: FR2853883B1; US7118076B2; EP1468911B1; FR2853883A1; DE602004000581D1; EP1468911A1; ATE322425T1; US20040232284A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Satelliten, insbesondere einen Telekommunikationssatelliten, der auf einer geostationären Umlaufbahn platziert werden soll, einschließlich einer Struktur, die eine Nord- und eine Südseite hat, die senkrecht zur Umdrehungsachse der Erde ausgerichtet sind, sowie eine Ost- und eine Westseite, die während des Umlaufs des Satelliten um die Erde in regelmäßigen Abständen der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, wobei diese Struktur Vorrichtungen trägt, die Wärme freisetzen, und die Nord-, Süd-, Ost- und Westseite Radiatorpaneele bilden, welche die von den Vorrichtungen freigesetzte Wärme in den Weltraum abstrahlen.
Telekommunikationssatelliten werden eingesetzt, um verschiedene Signale (Audio-, Video-, Datensignale usw.) von einem Punkt des Globus an einen anderen zu senden. Sie tragen eine Nutzlast, die hauptsächlich aus elektronischen Vorrichtungen besteht, welche überschüssige Wärme freisetzen, die durch Strahlung in den leeren Raum abgegeben werden muss.
Herkömmlicherweise verwendet man die Nord-/Süd-Seite als Radiatorpaneele, um diese überschüssige Wärme abzuführen, weil diese Paneele die kältesten sind. Auf Grund der äquatorialen Umlaufbahn des Satelliten ist die Energie der Sonne nämlich auf der Nord-/Süd-Seite minimal, während die anderen vier Seiten während eines Teils des Umlaufzyklus des Satelliten um die Erde direkt der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Die Nord-/Süd-Paneele können thermisch gekoppelt werden, um die Temperaturschwankungen zu verringern und die Abführung der Wärme zu verbessern.
Da man jedoch die Nutzlast der Satelliten der neuen Generation heraufsetzen will, reicht das Leistungsvermögen der Nord-/Süd-Paneele nicht mehr aus. Deshalb strebte man danach, das Wärmeableitungsvermögen zu erhöhen.
Zu diesem Zweck wurde vorgeschlagen ( US 6.073.887 Loral, Inc.) die Ost-/West-Paneele als ergänzende Radiatorpaneele zu den Nord-/Süd-Paneelen zu verwenden. Da letztere während eines Umlaufzyklus des Satelliten um die Erde starken Sonnenstrahlungsschwankungen unterliegen, lehrt dieses Dokument, sie thermisch durch Wärmerohre zu koppeln, um die Amplitude der Temperaturschwankungen abzuschwächen. Die Amplitude der Temperaturschwankungen kann durch Wärmezufuhr an die kältesten Stellen durch gleichzeitige Kopplung von vier Seiten Ost/West/Erde/"Gegen-Erde" vermittels Wärmerohrschleife noch weiter verringert werden. Die Vorrichtungen werden unmittelbar an der Ost- und Westseite angebracht und eventuell auch auf den Seiten Erde und „Gegen-Erde".
Bei einer derartigen Einrichtung hängt die Temperatur der Vorrichtungen unmittelbar von der Temperatur der Radiatorpaneele ab, an die sie angebaut sind, was es zwingend erforderlich macht, einen mehr oder weniger großen Teil des Wärmeableitungsvermögens des Satelliten der Kühlung der Paneele zu widmen, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Das für die Vorrichtungen verfügbare Ableitungsvermögen ist also verringert. Außerdem ist es zwecks Verringerung der Amplitude der Temperaturschwankungen der Vorrichtungen erforderlich, die Radiatorpaneele zu bestimmten Zeitpunkten anzuwärmen, was die durchschnittliche Betriebstemperatur der Vorrichtungen erhöht.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung, die Abhilfe für diese Nachteile schafft. Hierfür beinhaltet sie mindestens ein Gestell, das die Vorrichtungen trägt und Mittel zum Wärmetransport, um die von den Vorrichtungen freigesetzte Wärme zu den Nord-, Süd-, Ost- und West-Radiatorpaneelen zu transportieren.
Bei einer solchen Einrichtung sind die Vorrichtungen nicht direkt an die Nord-, Süd-, Ost- und West-Paneele angefügt. Folglich kann die Temperatur der der Sonnenstrahlung ausgesetzten Seiten ansteigen, ohne dass die Temperatur der Vorrichtungen automatisch davon betroffen wird. Die kalten Paneele (Nord- und Süd-Paneel, sowie das Paneel, das dem der Sonne ausgesetzten Paneel gegenüber liegt) werden bevorzugt zur Kühlung der Vorrichtungen verwendet. Das gesamte Ableitungsvermögen der strahlenden Paneele wird somit für die Kühlung der Vorrichtungen verwendet.
Vorzugsweise bestehen die Mittel für den Wärmetransport aus mindestens einer Zweiphasen-Flüssigkeitsschleife mit Kapillaraszension.
Vorteilhafterweise beinhaltet die Flüssigkeitsschleife mindestens einen Verdampfer mit einem Eingang und einem Ausgang für ein Kühlmittel, welcher thermisch mit den Vorrichtungen des Vorrichtungsgestells verbunden ist, einen Zirkulationsstrang des Kühlmittels mit einem an den Eingang angeschlossenen Ende und einem an den Ausgang des Verdampfers angeschlossenen Ende, verknüpft jeweils mit der Nord-, Süd-, Ost- und Westseite; jeder Strang beinhaltet einen Kondensator des Kühlmittels, der thermisch mit der Seite verbunden ist, mit der der Strang verknüpft ist.
Mit einer solchen Schleife werden die Kondensatoren parallel an den Klemmen des oder der Verdampfer angebracht. Der Dampf kondensiert wirksam in den Kondensatoren der kältesten Stränge, sehr unwirksam in dem Strang der wärmsten Seite (gegenüber der Sonne).
Vorteilhafterweise beinhaltet jeder Zirkulationsstrang des Kühlmittels einen Isolator, der am Ausgang seines Kondensators platziert ist, um die Ausbreitung des nicht kondensierten Dampfes zu stoppen.
Wenn man einige einfache Regeln für die Anordnung beachtet, kann der mit dieser Art von Flüssigkeitsschleife ausgestattete Satellit unabhängig von seiner Positionierung in Vakuum-Thermik-Tests am Boden getestet werden.
Der Satellit kann eine Vielzahl von Gestellen enthalten, wobei jedes Gestell Vorrichtungen trägt und für jedes Gestell eine Flüssigkeitsschleife vorgesehen ist. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung von der Veranschaulichung dienenden und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gemachten Ausführungsbeispielen erkennen. Bei diesen Figuren:
ist 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines Telekommunikationssatelliten;
ist 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Struktur des Satelliten;
ist 3 eine perspektivische Ansicht der Flüssigkeitsschleife mit mehreren Verdampfern und mehreren Kondensatoren;
ist 4 eine grundsätzliche Ansicht, welche die Funktionsweise einer Zweiphasen-Flüssigkeitsschleife mit Kapillaraszension erläutert;
ist 5 eine schematische umgeklappte Ansicht der Flüssigkeitsschleife aus 3;
ist 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines Satelliten gemäß der Erfindung, der mehrere Gestelle beinhaltet.
In 1 wurde ein Telekommunikationssatellit 2 in geostationärer äquatorialer Umlaufbahn um die Erde 4 dargestellt. Der Satellit verfügt über Mittel zur Steuerung seiner Fluglage, die ihn in der dargestellten Position halten. Der Satellit beinhaltet eine parallelepipedische Struktur 6 mit sechs Seiten, nämlich Nord- 8 und Südseite 10, senkrecht zur Rotationsachse 12 der Erde, eine Ost- 14 und eine Westseite 15 (auf 2 zu sehen), eine Erdseite 16 und eine „Gegen-Erde"-Seite 17 (auf 2 zu sehen). Eine Nord-Süd-Achse 20, die durch den Mittelpunkt der Struktur 6 verläuft und senkrecht zu der Nord- und Südseite ist, wird parallel zur Rotationsachse der Erde gehalten. Die in großer Entfernung gelegene Sonne wird durch die Referenz 24 bezeichnet. Es wurden ebenfalls Solarzellenpaneele 26 dargestellt, die senkrecht zur Nord- 8 und Südseite 10 angeordnet sind, um den Satelliten mit elektrischer Energie zu versorgen, sowie eine auf die Erde ausgerichtete Telekommunikationsantenne 28.
Auf 2 wurde eine perspektivische Ansicht der Struktur 6 des Satelliten aus 1 dargestellt. Festzustellen ist ein Gestell 30 in dem Volumen, das von den sechs Seiten 8, 10, 14, 15, 16 und 17 begrenzt wird. Bei der dargestellten Ausführung ist das Gestell parallel zur Erdseite 16 angeordnet. Es können jedoch weitere Anordnungen des Gestells ins Auge gefasst werden, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Das Gestell trägt Vorrichtungen, im Allgemeinen elektronische Vorrichtungen (nicht dargestellt), die überschüssige Wärme freisetzen, die in den Weltraum abgeführt werden muss. Hierzu beinhaltet die Struktur des Satelliten Mittel, die den Transport der überschüssigen Wärme von den Vorrichtungen zu den vier Seiten Nord, Süd, Ost und West ermöglichen. Diese Mittel bestehen vorteilhafterweise aus einer Flüssigkeitsschleife, die einen oder mehrere Verdampfer beinhaltet, die später beschrieben werden, in thermischem Kontakt mit dem Gestell 30, und mindestens einem Kondensator 40 in Kontakt jeweils mit der Nord-, Süd-, Ost- und Westseite. Die Kondensatoren 40 sind Bestandteil von vier Strängen 32, 34, 36 und 38 der Flüssigkeitsschleife, die mit der Nord-, Süd-, Ost- beziehungsweise Westseite verknüpft sind. Sie beinhalten einen Eingang 42 und einen Ausgang 44 für ein Kühlmittel.
Auf 3 wurde eine perspektivische Ansicht einer besonderen Ausführung der Flüssigkeitsschleife dargestellt. Sie beinhaltet mehrere Verdampfer 50 (sechs bei dem dargestellten Beispiel) in thermischem Kontakt mit dem Gestell 30 (nicht dargestellt) und somit mit den Vorrichtungen. Die Verdampfer 50 beinhalten einen Eingang 52 und einen Ausgang 54 für das Kühlmittel. Die Eingänge 52 sind mit Leitungen 56 verbunden, die an einen Tank 58 angeschlossen sind. Der Tank wird über eine Zufuhrleitung 60 mit Flüssigkeit versorgt. Die Ausgänge 54 sind mit einer Leitung 62 verbunden, die mit dem Eingang 42 jedes Kondensators 40 verbunden ist.
Ein Isolator 64 ist am Ausgang 44 eines jeden Kondensators 40 platziert, um die Ausbreitung des noch nicht voll kondensierten Dampfs zu stoppen. Die Funktionsweise der Einrichtung ist dergestalt, dass der auf der Ebene der Verdampfer erzeugte Dampf vorzugsweise in den kältesten Strängen kondensiert. Auf diese Art und Weise erzielt man eine thermische Kopplung der vier Radiatorpaneele Nord, Süd, Ost und West, was deren thermischen Gradienten abschwächt.
4 ist eine schematische Ansicht, welche die Funktionsweise einer Zweiphasen-Schleife mit Kapillaraszension veranschaulicht. Eine durch die Pfeile 66 schematisch dargestellte Wärmebelastung wird an den Verdampfer 50 angelegt. Sie wird im Falle der Erfindung durch die zu kühlenden Vorrichtungen erzeugt. Die von diesen Vorrichtungen freigesetzte Wärme verursacht die Verdampfung des im Kapillarrohr 68 im flüssigen Zustand enthaltenen Mittels. Der erzeugte Dampf verlässt den Verdampfer über die Dampfleitung 62 und gelangt zum Kondensator 40 (Pfeil 63). Bei der Kondensierung gibt er seine Wärme an das Radiatorpaneel ab, an das der Kondensator angebaut ist, wie durch die Pfeile 68 schematisch dargestellt, und verursacht die Kondensation des Mittels, das in den flüssigen Zustand zurückkehrt. Das Radiatorpaneel strahlt die Wärme, die es erhalten hat, in den Weltraum ab. Das Mittel kehrt über die Flüssigkeitsleitung 60 (Pfeil 72) zum Verdampfer zurück. Der am Eingang des Verdampfers gelegene Tank 58 sorgt ständig für die Versorgung des Verdampfers mit Flüssigkeit, um zu verhindern, dass die Schleife leer läuft.
Die Funktionsweise der auf 3 und 5 dargestellten Flüssigkeitsschleife basiert auf derjenigen der Flüssigkeitsschleife aus 4. Jedoch beinhaltet sie sechs Verdampfer, um die Abstrahlungen von sechs Vorrichtungen zu sammeln, die über das Gestell verteilt sind. Außerdem beinhaltet sie einen Strang mit einem Kondensator für jedes der Radiatorpaneele. Da vier Radiatorpaneele vorhanden sind (Nord, Süd, Ost und West) gibt es vier Stränge 32, 34, 36 beziehungsweise 38. Diese Stränge sind parallel an den Enden 52 und 54 der Verdampfer 50 angebracht.
Gemäß einem vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung wird der von den Verdampfern 50 global erzeugte Dampf nicht gleichmäßig zwischen den Kondensatoren verteilt. Er kondensiert nur an den kältesten Stellen wirksam und sehr unwirksam an der warmen Stelle. Auf diese Art und Weise wird eine gleichzeitige thermische Kopplung der vier Radiatorpaneele gewährleistet, wodurch deren thermische Gradienten abgeschwächt werden. So sind es zu jedem Zeitpunkt des Umlaufzyklus des Satelliten um die Erde stets die kältesten Seiten, die zur Kühlung der Vorrichtungen verwendet werden.
Auf 6 hat man eine Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt, welche eine Vielzahl von Gestellen beinhaltet. Bei dieser Variante sind es drei an der Zahl (30a, 30b und 30c). Jedes Gestell trägt Vorrichtungen. Für die Gestelle sind jeweils unterschiedliche Flüssigkeitsschleifen vorgesehen. Das Innenvolumen der Struktur 6 wird somit in vier Untervolumen V1, V2, V3 und V4 geteilt, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können.

Claims

Satellit, insbesondere Telekommunikationssatellit, der auf einer geostationären Umlaufbahn platziert werden soll, einschließlich einer Struktur (6), die eine Nord- (8) und eine Südseite (10) hat, die senkrecht zur Umdrehungsachse (12) der Erde ausgerichtet ist, sowie eine Ost- (14) und eine Westseite (15), die während des Umlaufs des Satelliten um die Erde in regelmäßigen Abständen der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, wobei diese Struktur (6) Vorrichtungen trägt, die Wärme freisetzen, und die Nord-, Süd-, Ost- und Westseite (8, 10, 14, 15) Radiatorpaneele bilden, welche die von den Vorrichtungen freigesetzte Wärme in den Weltraum abstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein Vorrichtungsgestell (30) und Mittel zum Wärmetransport beinhaltet, um die von den Vorrichtungen freigesetzte Wärme zu den Nord-, Süd-, West- und Ost-Radiatorpaneelen (8, 10, 14, 15) zu transportieren.
Satellit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Wärmetransport aus mindestens einer Zweiphasen-Flüssigkeitsschleife mit Kapillaraszension bestehen.
Satellit gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsschleife mindestens einen Verdampfer (50) beinhaltet, der einen Eingang und einen Ausgang für ein Kühlmittel hat, welcher thermisch mit den Vorrichtungen des Vorrichtungsgestells (30) verbunden ist, einen Zirkulationsstrang des Kühlmittels (32, 34, 36, 38), der ein an den Eingang und ein an den Ausgang des Verdampfers (50) angeschlossenes Ende hat, jeweils mit der Nord-, Süd-, Ost- und Westseite (8, 10, 14, 15) verknüpft; jeder Strang beinhaltet einen Kondensator (40) des Kühlmittels, der thermisch mit der Seite verbunden ist, mit der der Strang verknüpft ist.
Satellit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zirkulationsstrang des Kühlmittels einen am Ausgang seines Kondensators (40) angebrachten Isolator (64) beinhaltet, um den nicht kondensierten Dampf zu stoppen.
Satellit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (30) parallel zu einer Seite der Struktur (6) angeordnet ist, welche der Erde gegenüberliegt.
Satellit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vielzahl von Gestellen (30a, 30b, 30c) beinhaltet, wobei jedes Gestell Vorrichtungen trägt und für jedes Gestell eine Flüssigkeitsschleife vorgesehen ist.