RO131750B1

RO131750B1 - Cold-gas propelling system for low-orbit mini satellites

Info

Publication number: RO131750B1
Application number: ROA201500640A
Authority: RO
Inventors: Constantin Sandu; Valentin Silivestru; Dan Braşoveanu
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Turbomotoare - Comoti
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2024-03-29
Also published as: RO131750A2

Description

Invenția se referă la un sistem de propulsie cu gaz rece pentru minisateliți de orbită joasă, care utilizând energia solară capătă o durată de funcționare mărită, fapt ce permite implicit creșterea duratei de exploatare a sateliților (GPS) sau altor echipamente spațiale care utilizează acest tip de propulsie.The invention refers to a cold gas propulsion system for low-orbit mini-satellites, which, using solar energy, obtains an increased duration of operation, a fact that implicitly allows the increase of the duration of operation of satellites (GPS) or other space equipment that uses this type of propulsion.

Sunt cunoscute mai multe soluții de sisteme de propulsie cu gaz rece, rolul acestora fiind atât pentru orientare cât și pentru restabilirea orbitei în special pentru sateliții de orbită joasă (Low Earth Orbit). Sistemele de propulsie cu gaz rece constau în principal dintr-un rezervor cu gaz comprimat (azot, bioxid de carbon, heliu, hidrogen, amoniac) o microsupapă, conducte de conexiune și un ajutaj Laval (http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/ 37528.pdf). Când altitudinea satelitului scade, micro-supapa se deschide un timp controlat și gazul se destinde accelerând astfel satelitul care își restabilește orbita la înălțimea inițială.Several solutions of cold gas propulsion systems are known, their role being both for orientation and for restoring the orbit, especially for Low Earth Orbit satellites. Cold gas propulsion systems mainly consist of a compressed gas tank (nitrogen, carbon dioxide, helium, hydrogen, ammonia) a microvalve, connecting pipes and a Laval nozzle (http://cdn.intechopen.com/ pdfs-wm/ 37528.pdf). When the altitude of the satellite drops, the micro-valve opens for a controlled time and the gas expands thus accelerating the satellite which restores its orbit to its original altitude.

Din documentul WO 2006106204 A2 se cunoaște un rezervor pentru un sistem de propulsie cu gaz rece bifazic al unei nave spațiale cuprinzând o structură microporoasă să asigure, într-o porțiune a rezervorului, opusă unui orificiu descărcarea gazului în afara rezervorului, reținerea capilară în faza lichidă a unui fluid bifazic conținut în rezervor. Un dispozitiv pentru controlul termic al rezervorului cuprinde cel puțin un încălzitor asociat cu partea rezervorului care conține faza gazoasă, precum și un termistor în partea menționată și cel puțin un alt termistor în partea rece a rezervorului ce conține structura microporoasă și faza lichidă. Structura mecanică a rezervorului este montată pe structura navei spațiale printr-o interfață montată rigid și o interfață montată flexibil. Invenția este utilă în special pentru echiparea sateliților care cântăresc între câteva zecimi și câteva sute de kilograme.WO 2006106204 A2 discloses a tank for a biphasic cold gas propulsion system of a spaceship comprising a microporous structure to ensure, in a portion of the tank, opposite an orifice for discharging the gas outside the tank, capillary retention in the liquid phase of a two-phase fluid contained in the reservoir. A device for thermal control of the reservoir comprises at least one heater associated with the part of the reservoir containing the gas phase, as well as a thermistor in said part and at least another thermistor in the cold part of the reservoir containing the microporous structure and the liquid phase. The mechanical structure of the tank is mounted on the spacecraft structure through a rigidly mounted interface and a flexibly mounted interface. The invention is particularly useful for equipping satellites weighing between a few tenths and several hundred kilograms.

Din documentul EP 2366627 A1 se mai cunoaște un rezervor pentru depozitarea unui propulsor lichid A și furnizarea de vapori produși prin evaporarea unei părți a gazului lichid A într-o locație externă cuprinde un corp de rezervor pentru depozitarea combustibilului lichid A, un element de plasă dispus în interiorul corpului rezervorului acoperă suprafața lichidă a gazului lichid A, împărțind interiorul corpului rezervorului într-o zonă de stocare a gazului lichid LA și o zonă de stocare a gazului GA. Un încălzitor este dispus pe o zonă de stocare a gazului GA pe partea corpului rezervorului pentru a menține zona de stocare a gazului GA la o temperatură mai mare decât temperatura din zona de stocare a gazului lichid LA.From the document EP 2366627 A1 it is also known a tank for storing a liquid propellant A and supplying vapors produced by evaporating a part of the liquid gas A in an external location comprises a tank body for storing liquid fuel A, a mesh element disposed inside the tank body covers the liquid surface of liquid gas A, dividing the interior of the tank body into a liquid gas storage area LA and a gas storage area GA. A heater is disposed on a gas storage area GA on the side of the tank body to maintain the gas storage area GA at a temperature higher than the temperature of the liquid gas storage area LA.

Dezavantajul principal al acestor sisteme de propulsie este că au o durată mică de funcționare deoarece după fiecare accelerare, masa și presiunea gazului din rezervor scad până la consumarea completă a gazului, situație în care satelitul pătrunde în straturile dense ale atmosferei unde arde. Din acest motiv, durata de serviciu a sateliților de orbită joasă ca și durata de funcționare a altor sisteme spațiale care utilizează pentru propulsie-orientare cest tip de sistem de propulsie este limitată.The main disadvantage of these propulsion systems is that they have a short duration of operation because after each acceleration, the mass and pressure of the gas in the tank decrease until the gas is completely consumed, a situation in which the satellite enters the dense layers of the atmosphere where it burns. For this reason, the service life of low-orbit satellites, as well as the service life of other space systems using this type of propulsion system for propulsion-orientation, is limited.

Problema tehnică obiectivă pe care o rezolvă sistemul de propulsie cu gaz rece conform prezentei invenții constă în aceea că utilizează razele solare concentrate printr-o oglindă parabolică, pentru încălzirea și vaporizarea gazului lichid stocat în rezervoare.The objective technical problem that the cold gas propulsion system according to the present invention solves is that it uses solar rays concentrated through a parabolic mirror to heat and vaporize the liquid gas stored in the tanks.

Sistemul de propulsie conform prezentei invenții rezolvă problema tehnică menționată prin aceea că rezervorul de gaz lichid este vopsit în negru mat la exterior, plasat printr-un suport în focarul unei oglinzi parabolice pliabilă formată dintr-o suprafață parabolică reflectorizantă centrală, identică cu unul din pereții unei cutii ce conține minisatelitul, placată cu folie de aur numai pe fața exterioară și niște bare cu pereți subțiri, unele drepte și unele curbe, barele fiind articulate și constituite ca niște rame pentru niște segmente parabolice reflectorizante obținute din plăci subțiri din material compozit, placate pe ambele fețe cu folii reflectorizante din aur.The propulsion system according to the present invention solves the mentioned technical problem in that the liquid gas tank is painted in matte black on the outside, placed by a support in the focal point of a foldable parabolic mirror formed by a central parabolic reflecting surface, identical to one of the walls a box containing the mini-satellite, plated with gold foil only on the outer face and some thin-walled bars, some straight and some curved, the bars being hinged and constituted as frames for some reflective parabolic segments obtained from thin plates of composite material, plated on both sides with gold reflective foils.

Sistemul de propulsie conform prezentei invenții, prezintă următoarele avantaje:1The propulsion system according to the present invention has the following advantages: 1

- simplitate constructivă;- constructive simplicity;

- costuri de fabricație reduse;3- reduced manufacturing costs; 3

- costuri de exploatare reduse;- reduced operating costs;

- durată de funcționare mărită; tehnologie de fabricație simplă.5- increased operating time; simple manufacturing technology.5

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...3 care reprezintă:7An embodiment of the invention is given next, in connection with fig. 1...3 which represents:7

- fig. 1, vedere a satelitului având oglinda parabolică pliată peste rezervorul de gaz; - fig. 2, vedere a satelitului având oglinda parabolică extinsă;9- fig. 1, view of the satellite with the parabolic mirror folded over the gas tank; - fig. 2, view of the satellite with the extended parabolic mirror; 9

- fig. 3, ilustrarea principiului de funcționare al oglinzii parabolice a satelitului.- fig. 3, illustration of the operating principle of the satellite parabolic mirror.

Sistemul de propulsie cu gaz rece conform prezentei invenții este alcătuit (fig. 1, 2) 11 din ansamblul oglindă parabolică pliabilă 1, formată din tuburile drepte cu pereți subțiri 2, 3, tuburile parabolice cu pereți subțiri 4, 5 confecționate din compozit sau aliaje ușoare, rezer- 13 vorul de gaz comprimat 6 și suportul 7 care poziționează rezervorul în focarul oglinzii parabolice. Suprafețele parabolice reflectorizante ale oglinzii s1, s₂, s₄ și s₅ sunt formate din 15 plăci subțiri de materiale compozite aplicate pe ambele fețe cu folii reflectorizante din aur și sunt fixate de tuburile 2, 3, 4 și 5. Suprafața parabolică reflectorizantă centrală s₃ este for- 17 mată din unul din pereții cutiei satelitului 8, fiind placată cu folie de aur numai pe fața exterioară. Tuburile drepte 2 sunt articulate în punctele a, b. 19The cold gas propulsion system according to the present invention is made up (fig. 1, 2) 11 of the collapsible parabolic mirror assembly 1, formed by thin-walled straight tubes 2, 3, thin-walled parabolic tubes 4, 5 made of composite or alloys light, 13 the compressed gas tank 6 and the support 7 that positions the tank in the focus of the parabolic mirror. The parabolic reflecting surfaces of the mirror s1, s ₂ , s ₄ and s ₅ are made of 15 thin plates of composite materials applied on both sides with reflective gold foils and are fixed to the tubes 2, 3, 4 and 5. The central parabolic reflecting surface s ₃ is formed from one of the walls of the satellite box 8, being plated with gold foil only on the outer face. The straight tubes 2 are articulated at points a, b. 19

Rezervorul de gaz 6 este unul obișnuit cu excepția faptului că este vopsit la exterior în negru mat. Acest rezervor este chiar rezervorul principal al satelitului sau un rezervor de 21 serviciu care se încarcă cu gaz de la rezervorul principal înainte de deschiderea micro-supapei pentru destinderea gazelor în ajutajul Laval. Restul componentelor sistemului de pro- 23 pulsie (nereprezentate) sunt aceleași ca la sistemele de propulsie cu gaz rece actuale.The gas tank 6 is a regular one except that it is painted matte black on the outside. This tank is actually the main satellite tank or a 21 service tank that is charged with gas from the main tank before opening the micro-valve to expand the gases in the Laval nozzle. The rest of the propulsion system components (not shown) are the same as current cold gas propulsion systems.

Principiul de funcționare al sistemului de propulsie conform prezentei invenții este 25 următorul:The operating principle of the propulsion system according to the present invention is as follows:

Oglinda parabolică 1 este în mod normal pliată peste rezervorul 6 protejându-l de 27 razele solare directe care sunt reflectate de folia de aur placată pe partea convexă a oglinzii (părțile convexe ale segmentelor s1, s₂, s₄, s₅). Înainte de fiecare deschidere a micro-supapei 29 de gaz (nereprezentată), segmentele s₁, s₂, s₄ și s₅ sunt deschise cu ajutorul unor micromotoare (nereprezentate) formând astfel o suprafață parabolică reflectorizantă a cărei 31 axă focală coincide cu axa rezervorului de gaz 6. Razele de lumină incidente paralele, i , venind de la Soare sunt reflectate, r, de oglinda parabolică 1 spre suprafața rezervorului 6. 33The parabolic mirror 1 is normally folded over the tank 6 protecting it from 27 direct solar rays which are reflected by the gold foil plated on the convex side of the mirror (the convex sides of the segments s1, s ₂ , s ₄ , s ₅ ). Before each opening of the gas micro-valve 29 (not shown), the segments s ₁ , s ₂ , s ₄ and s ₅ are opened with the help of micromotors (not shown) thus forming a reflecting parabolic surface whose focal axis 31 coincides with the axis of the gas tank 6. The parallel incident light rays, i, coming from the Sun are reflected, r, by the parabolic mirror 1 towards the surface of the tank 6. 33

Fiind vopsit în negru, rezervorul se comportă aproape ca un corp absolut negru, absorbind întreaga lumină care cade pe suprafața sa. În felul acesta presiunea gazului din rezervor 35 crește de fiecare dată până la valoarea inițială permițând obținerea unei forțe de reacție ridicată la fiecare expansiune a gazului în ajutajul Laval (evident că înainte de prima detentă 37 a gazului nu se recurge la încălzirea rezervorului deoarece presiunea în acesta este la valoarea proiectată maximă). Aceste creșteri succesive de energie internă a gazului din 39 rezervor pe seama energiei preluată de la razele solare, asigură o durată de funcționare mărită a sistemului de propulsie. 41Being painted black, the tank behaves almost like an absolute black body, absorbing all the light that falls on its surface. In this way, the gas pressure in the tank 35 increases each time to the initial value, allowing a high reaction force to be obtained with each expansion of the gas in the Laval nozzle (obviously, before the first expansion 37 of the gas, the heating of the tank is not resorted to because the pressure in this is at maximum design value). These successive increases in the internal energy of the gas in the tank 39 due to the energy taken from the sun's rays, ensure an increased operating time of the propulsion system. 41

Claims

3 Cold gas propulsion system for low-orbit mini-satellites, consisting of a tank (6) of compressed liquid gas secured to an external wall of a mini-satellite,

5 characterized in that, the tank (

6) of liquid gas is painted in matte black on the outside, placed through a support (7) in the focal point of a foldable parabolic mirror (1) consisting of a super-

7 parabolic central reflective face (s ₃ ), identical to one of the walls of a box (

8) what does the mini-satellite contain, plated with gold foil only on the outside and some bars with walls

9 thin, some (2, 3) straight and some (4, 5) curved, the bars (2) being articulated at points (a, b), which constitute some frames for some segments (s1, s ₂ , s ₄ , s ₅ ) reflective parabolics, these being obtained from thin plates of composite material, plated on both sides with gold reflective foils.