RU2329920C2 - Method of arrangement of stationary earth man-made satellite - Google Patents
Method of arrangement of stationary earth man-made satellite Download PDFInfo
- Publication number
- RU2329920C2 RU2329920C2 RU2005139244/11A RU2005139244A RU2329920C2 RU 2329920 C2 RU2329920 C2 RU 2329920C2 RU 2005139244/11 A RU2005139244/11 A RU 2005139244/11A RU 2005139244 A RU2005139244 A RU 2005139244A RU 2329920 C2 RU2329920 C2 RU 2329920C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- satellite
- center
- vessel
- mass
- liquid phase
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к космической технике, в частности к стационарным искусственным спутникам Земли, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.The invention relates to space technology, in particular to stationary artificial satellites of the Earth, and was created by the authors in the order of performance of a job.
В составе космических аппаратов, например телекоммуникационных спутников, используются емкости, в которых в условиях орбитального функционирования хранится определенный запас рабочего тела:As part of spacecraft, for example telecommunication satellites, capacities are used in which, under conditions of orbital functioning, a certain reserve of the working fluid is stored:
в системе ориентации и управления движением (СОУД) (Космические аппараты./Под общей редакцией К.П.Феоктистова. М., Военное издательство, 1983 г., стр.54, 56 [1]) - это емкость для хранения рабочего тела, внутренняя полость которого первоначально заправлена, например, ксеноном под давлением ≈200 кгс/см2; в процессе активного существования спутника количество ксенона постепенно уменьшается и при давлениях ниже критического давления (≈59,45 кгс/см2) и температурах ниже критической температуры (≈289,7К) (см. Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., «Наука», 1972 г. стр.580 [3]) в баке образуется двухфазная среда. С точки зрения функционального назначения из бака в редуктор давления, затем в реактивные сопла для их нормального функционирования ксенон должен поступать в парообразном состоянии, иначе в случае подачи из емкости жидкой фазы, расход ксенона будет существенно завышенным и поэтому с целью экономии массы ксенона ее до редуктора необходимо преобразовать в пар, т.е. в СОУД имеется дополнительное устройство - достаточно мощный электрообогреватель (например, при расходе ксенона ≈2 г/с мощность нагревателя равна ≈120 Вт, который включается в работу с включением в работу СОУД в случае нахождения жидкой фазы вблизи отверстия для подачи ксенона в линию редуктора);in the system of orientation and motion control (SOUD) (Spacecraft. / Under the general editorship of KP Feoktistov. M., Military Publishing House, 1983, p. 54, 56 [1]) - this is a container for storing the working fluid, whose internal cavity is initially filled, for example, with xenon under a pressure of ≈200 kgf / cm 2 ; during the satellite’s active existence, the amount of xenon gradually decreases at pressures below the critical pressure (≈59.45 kgf / cm 2 ) and temperatures below the critical temperature (≈289.7K) (see N.B. Vargaftik. Reference book on the thermophysical properties of gases and liquids. M., “Nauka”, 1972 p. 580 [3]) a two-phase medium is formed in the tank. From the point of view of functionality, from the tank to the pressure reducer, then to the jet nozzles for their normal functioning, xenon must come in a vapor state, otherwise if the liquid phase is supplied from the tank, the xenon consumption will be significantly overestimated and therefore, in order to save its mass of xenon to the reducer must be converted to steam, i.e. in the SOUD there is an additional device - a sufficiently powerful electric heater (for example, at a xenon flow of ≈2 g / s the heater power is ≈120 W, which is turned on when the liquid phase is located near the hole for supplying xenon to the gear line) ;
- в системе терморегулирования (СТР) (согласно авторскому свидетельству СССР №2117891 [2]) - это устройство для поддержания давления теплоносителя в контуре СТР космического аппарата (КА), внутренняя полость которого заправлена определенным количеством двухфазного рабочего тела (теплоносителя), например аммиака; с точки зрения функционального назначения в условиях орбитального функционирования необходимо обеспечить подачу (или прием) жидкой фазы аммиака в магистраль СТР и поддерживать определенное давление паров аммиака в газовой полости емкости.- in the temperature control system (CTP) (according to the USSR author's certificate No. 2117891 [2]) - this is a device for maintaining the pressure of the coolant in the circuit of the CTP of the spacecraft (SC), the internal cavity of which is charged with a certain amount of a two-phase working fluid (coolant), for example ammonia; from the point of view of functional purpose in conditions of orbital functioning, it is necessary to supply (or receive) the liquid phase of ammonia to the STR line and maintain a certain pressure of ammonia vapor in the gas cavity of the tank.
Как видно из вышеизложенного, в емкостях обеих систем спутника для нормального и оптимального функционирования систем жидкая фаза рабочего тепла в емкостях должна находиться в определенных постоянных зонах на внутренней поверхности стенки емкости:As can be seen from the above, in the tanks of both satellite systems for the normal and optimal functioning of the systems, the liquid phase of the working heat in the tanks must be in certain constant zones on the inner surface of the vessel wall:
- в емкости СОУД - напротив отверстия для подачи парообразного рабочего тела в линию подачи на редуктор;- in the container SOUD - opposite the hole for supplying a vaporous working fluid to the feed line to the gearbox;
- в емкости СТР - вблизи выходного отверстия для подачи жидкой фазы из емкости в магистраль СТР и вблизи электрообогревателей.- in the STR channel - near the outlet for supplying the liquid phase from the tank to the STR line and near electric heaters.
В настоящее время в известных технических решениях для обеспечения нормального функционирования вышеназванных систем в условиях орбитального функционирования:Currently, in the known technical solutions for ensuring the normal functioning of the above systems in the conditions of orbital functioning:
- в СОУД предусматривают электрообогреватель с системой его автоматического включения в случае начала подачи в редуктор жидкой фазы ксенона или, в случае отсутствия электрообогревателя, предусматривают дополнительный запас ксенона в емкости с еще большей вместимостью для обеспечения работоспособности СОУД в течение заданного срока эксплуатации, которые усложняют конструкции и увеличивают массы, энергопотребление вышеуказанных систем;- an electric heater with a system for automatically turning it on in case of the beginning of the supply of xenon to the liquid phase in the reducer or, in the absence of an electric heater, provide an additional supply of xenon in a tank with an even larger capacity to ensure the operability of the RMDS for a given period of operation, which complicate the design and increase mass, power consumption of the above systems;
- в емкости СТР внутри ее всего объема и в районе расположения выходного отверстия устанавливают капиллярную структуру и электрообогреватели сложной конструкции (такая сложная и достаточно массивная конструкция предусмотрена исходя из допущения, что в условиях орбитального функционирования положение жидкой фазы аммиака в емкости неопределенное).- a capillary structure and electric heaters of a complex structure are installed in the STR vessel inside its entire volume and in the area of the outlet opening (such a complex and rather massive construction is based on the assumption that in conditions of orbital functioning the position of the ammonia liquid phase in the vessel is uncertain).
В известных технических решениях электрообогреватели включаются в работу периодически (например, 0,5 ч включены, затем не менее 2-2,5 ч выключены) для создания (поддержания) определенного рабочего давления парообразной фазы рабочего тела в допустимом диапазоне. При включенном электрообогревателе происходит вскипание жидкой фазы, смачивающей поверхность стенки емкости, находящейся в зоне напротив расположения электрообогревателей. При этом в результате вскипания (парообразования) жидкой фазы частицы жидкости и пара выбрасываются в центральную зону емкости. После выключения электрообогревателя частицы жидкости согласно известному физическому закону (В.В.Белецкий. Движение искусственного спутника относительно центра масс. М., «Наука», 1965 г., стр.24, рис.2 на стр.25, стр.26 (абзацы 1 и 2 снизу), стр.27 (формулы для компонентов центробежной силы: Фz, а также Фх, Фy) [4]) будут иметь определенное направление движения - они будут двигаться параллельно радиусу-вектору центра масс спутника в направлении от центра масс спутника.In known technical solutions, electric heaters are switched on periodically (for example, 0.5 hours are turned on, then turned off for at least 2-2.5 hours) to create (maintain) a certain working pressure of the vapor phase of the working fluid in an acceptable range. When the electric heater is switched on, the boiling of the liquid phase occurs, which moistens the surface of the tank wall located in the zone opposite to the location of the electric heaters. In this case, as a result of boiling (vaporization) of the liquid phase, the particles of liquid and vapor are ejected into the central zone of the tank. After turning off the electric heater, the liquid particles according to the well-known physical law (V.V. Beletsky. Motion of an artificial satellite relative to the center of mass. M., “Nauka”, 1965, p. 24, Fig. 2 on p. 25, p. 26 (
Так как в настоящее время неизвестно техническое решение, оговаривающее определенное размещение вышеуказанной емкости на спутнике, эти частицы жидкости вполне могут двигаться в противоположную от требуемой сторону - это означает, что жидкая фаза постепенно будет собираться на внутренней поверхности емкости, противоположной от требуемой, т.е. в этом случае конструктивное расположение емкости на спутнике не способствует концентрации жидкой фазы в определенной постоянной зоне на внутренней поверхности стенки емкости, и эта техническая проблема в настоящее время требует разрешения.Since a technical solution is currently unknown that stipulates a specific placement of the aforementioned container on the satellite, these liquid particles may well move in the opposite direction from the required one - this means that the liquid phase will gradually collect on the inner surface of the container opposite to the required one, i.e. . in this case, the constructive location of the vessel on the satellite does not contribute to the concentration of the liquid phase in a certain constant zone on the inner surface of the vessel wall, and this technical problem currently needs to be resolved.
Анализ источников информации - патентной и научно-технической литературы - показал, что наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемого технического решения является способ компоновки емкости СОУД для хранения рабочего тела - ксенона на борту спутника [1].The analysis of information sources - patent and scientific and technical literature - showed that the closest in technical essence to the prototype of the proposed technical solution is the method of assembling the capacity of the SOUD for storing the working fluid - xenon on board the satellite [1].
В настоящее время требования по компоновке указанной емкости, используемой, например, на стационарном искусственном спутнике Земли, не оговорены (см. фиг.2, где С - центр Земли (центр притяжения); О - центр масс (центр инерции) спутника; Oxyz - правая прямоугольная орбитальная система координат (В.В.Белецкий. Движение искусственного спутника относительно центра масс. М., «Наука», 1965 г., стр.17 (3-й абзац снизу), 23 (3-й абзац сверху); r - текущий радиус-вектор орбиты спутника; А - стационарная орбита спутника (орбита центра масс спутника); 1 - модуль полезной нагрузки спутника; 2 - модуль служебных систем спутника; 3 - емкость СОУД; 3.1 - отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 4 - трубопровод отбора паров рабочего тела; 5 - пары рабочего тела; 6 - жидкая фаза рабочего тела; 7 - электрообогреватель; 8 - продольная ось спутника).Currently, the requirements for the arrangement of the indicated capacity, used, for example, on a stationary artificial Earth satellite, are not specified (see Fig. 2, where C is the center of the Earth (center of gravity); O is the center of mass (center of inertia) of the satellite; Oxyz - right rectangular orbital coordinate system (VV Beletsky. The motion of an artificial satellite relative to the center of mass. M., Nauka, 1965, p. 17 (3rd paragraph from the bottom), 23 (3rd paragraph from the top); r is the current radius vector of the satellite’s orbit; A is the stationary satellite’s orbit (the orbit of the satellite’s center of mass); 1 is the useful satellite loads; 2 - satellite service system module; 3 - SOUD capacity; 3.1 - hole for removal of working fluid vapors from the container; 4 - working vapor vapor extraction pipeline; 5 - working fluid pairs; 6 - liquid phase of the working fluid; 7 - electric heater ; 8 - the longitudinal axis of the satellite).
Как было указано выше, существенные недостатки известного устройства - это повышенная масса из-за необходимости иметь на борту дополнительный запас рабочего тела и повышенное энергопотребление для превращения жидкой фазы рабочего тела в парообразное состояние.As mentioned above, the significant disadvantages of the known device is the increased mass due to the need to have an additional supply of working fluid on board and increased energy consumption to turn the liquid phase of the working fluid into a vapor state.
Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.The purpose of the proposed technical solution is the elimination of the above significant disadvantages.
Поставленная цель достигается компоновкой спутника таким образом, что указанную емкость устанавливают на максимально возможном удалении от центра масс спутника по направлению, параллельному указанной продольной оси, располагая при этом емкость таким образом, чтобы нормаль в точке поверхности ее стенки, расположенной напротив отверстия для отвода паров рабочего тела из емкости, была направлена в сторону центра масс спутника, а указанная точка находилась на минимально возможном удалении от продольной оси спутника, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.The goal is achieved by arranging the satellite in such a way that the specified capacity is installed at the maximum possible distance from the center of mass of the satellite in a direction parallel to the specified longitudinal axis, while positioning the container so that the normal is at a point on the surface of its wall located opposite the opening for the removal of vapor body from the tank, was directed towards the center of mass of the satellite, and the indicated point was at the minimum possible distance from the longitudinal axis of the satellite, which is, for me authors' opinion, essential distinguishing features of the technical solution proposed by the authors.
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 заявляемом способе компоновки искусственного спутника.As a result of the analysis conducted by the authors of the well-known patent and scientific and technical literature, the proposed combination of significant distinguishing features of the claimed technical solution was not found in the known information sources and, therefore, the known technical solutions do not exhibit the same properties as in the claimed method of arranging an artificial satellite.
Компоновку спутника согласно предложенному авторами способу осуществляют следующим образом (см. фиг.1, где С - центр Земли; О - центр масс; Oxyz - правая прямоугольная орбитальная система координат; r - текущий радиус-вектор орбиты спутника; А - стационарная орбита спутника; 1 - модуль полезной нагрузки; 2 - модуль служебных систем; 3 - емкость СОУД; 3.1 - отверстие для отвода паров рабочего тела из емкости; 4 - трубопровод отбора паров рабочего тела; 5 - пары рабочего тела; 6 - жидкая фаза рабочего тела; 7 - электрообогреватель; 8 - продольная ось спутника):The satellite arrangement according to the method proposed by the authors is as follows (see Fig. 1, where C is the center of the Earth; O is the center of mass; Oxyz is the right rectangular orbital coordinate system; r is the current radius vector of the satellite’s orbit; A is the stationary orbit of the satellite; 1 - payload module; 2 - service systems module; 3 - SOUD capacity; 3.1 - hole for removal of working fluid vapors from the tank; 4 - pipeline for the selection of working fluid vapor; 5 - working fluid vapor; 6 - liquid phase of the working fluid; 7 - electric heater; 8 - longitudinal axis of the satellite):
- проводят анализ требований по компоновке стационарного искусственного спутника Земли, продольная ось 8 (ось наименьшего момента инерции или наибольшая ось центрального эллипсоида инерции) которого должна быть постоянно направлена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты r, соединяющего центр Земли С с центром масс О спутника;- analyze the requirements for the layout of a stationary artificial Earth satellite, the longitudinal axis 8 (the axis of the least moment of inertia or the largest axis of the central ellipsoid of inertia) which should be constantly directed along the current radius vector of the orbit r connecting the center of the Earth C with the center of mass O of the satellite;
- проводят анализ функционального назначения емкости 3 заданной конструкции, заправленной двухфазной рабочей жидкостью (рабочим телом), и определяют требуемую постоянную зону местонахождения жидкой фазы 6 на поверхности стенки в ней;- analyze the functional purpose of the
- определяют место на спутнике, которое максимально возможно удалено от центра масс О по направлению, параллельному вышеназванной оси 8;- determine the place on the satellite, which is as far away as possible from the center of mass O in a direction parallel to the
- устанавливают емкость 3 на борту спутника в вышевыбранной зоне таким образом, чтобы нормаль n в точке Ц поверхности ее стенки, расположенной напротив отверстия для отвода паров рабочего тела из емкости, была направлена в сторону центра масс спутника, а указанная точка Ц находилась на минимально возможном удалении от продольной оси 8 спутника.- set the
Проведенные на основе [4] расчеты для емкости конкретного телекоммуникационного стационарного спутника, размещенной на борту спутника согласно предложенному новому техническому решению, показывают, что ускорение частиц жидкости будет не ниже 3·10-8 м/с2 и в течение ≈40 минут эти частицы проходят расстояние между взаимно противоположными зонами емкости, т.е. к моменту следующего включения в работу электрообогревателя жидкая фаза будет находиться в требуемой зоне емкости, тем самым обеспечивая нормальную ее работу.The calculations performed on the basis of [4] for the capacity of a specific telecommunication stationary satellite located on board the satellite according to the proposed new technical solution show that the acceleration of liquid particles will be no lower than 3 · 10 -8 m / s 2 and within ≈40 minutes these particles pass the distance between mutually opposite zones of the container, i.e. by the time of the next inclusion in the operation of the electric heater, the liquid phase will be in the desired zone of the tank, thereby ensuring its normal operation.
Таким образом, в результате такой компоновки жидкая фаза 6 теплоносителя в условиях орбитального функционирования всегда будет находиться в требуемой зоне: в результате совместного воздействия гравитационных и центробежных сил (которые по величине и направлению относительно стабильны на стационарной орбите) на частицы жидкости они будут двигаться параллельно радиусу-вектору r центра масс О спутника в направлении от центра масс О спутника и будут сконцентрированы на поверхности емкости 3 в районе напротив ее отверстия 3.1 для отвода паров рабочего тела из емкости 3 и прижаты к поверхности в зоне точки Ц, и одновременно под воздействием возмущений (влияние Луны и Солнца, несферичность Земли, кратковременная периодическая работа СОУД) жидкая фаза теплоносителя будет с небольшими флуктуациями находиться в указанной зоне емкости [4], тем самым, обеспечивая отвод паров рабочего тела в трубопровод отбора их.Thus, as a result of this arrangement, the
Следует дополнительно отметить, что в случае поддержания температуры стенки, расположенной в районе напротив указанного отверстия, ниже температуры остальной части стремление жидкой фазы к вышеуказанной зоне будет дополнительно усиливаться за счет повышенной степени смачиваемости более холодной жидкости по сравнению с теплой - для реализации этого необходимо эту часть емкости теплоизолировать теплоизоляцией с меньшим тепловым сопротивлением, чем остальная теплоизоляция.It should be further noted that if the temperature of the wall located in the area opposite the specified hole is kept below the temperature of the rest, the tendency of the liquid phase to the above zone will be further enhanced due to the increased degree of wettability of the colder liquid compared to the warm one - this part requires this insulate containers with thermal insulation with lower thermal resistance than other thermal insulation.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате компоновки КА согласно предложенному авторами техническому решению уменьшается масса СОУД в результате заполнения ее емкости оптимальным количеством рабочего тела, а электрообогреватель для превращения жидкой фазы в пар является резервным элементом и, следовательно, энергопотребление его в течение эксплуатации минимально возможное, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.Thus, as can be seen from the foregoing, as a result of the spacecraft assembly according to the technical solution proposed by the authors, the mass of the SOUD decreases as a result of filling its capacity with the optimal amount of working fluid, and the electric heater for converting the liquid phase into steam is a backup element and, therefore, its energy consumption during operation the smallest possible, i.e. thereby achieving the objectives of the invention.
В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации предприятия на разработку вновь создаваемых телекоммуникационных спутников.At present, the technical solution proposed by the authors is reflected in the technical documentation of the enterprise for the development of newly created telecommunication satellites.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005139244/11A RU2329920C2 (en) | 2005-12-15 | 2005-12-15 | Method of arrangement of stationary earth man-made satellite |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005139244/11A RU2329920C2 (en) | 2005-12-15 | 2005-12-15 | Method of arrangement of stationary earth man-made satellite |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005139244A RU2005139244A (en) | 2007-06-27 |
| RU2329920C2 true RU2329920C2 (en) | 2008-07-27 |
Family
ID=38314994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005139244/11A RU2329920C2 (en) | 2005-12-15 | 2005-12-15 | Method of arrangement of stationary earth man-made satellite |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2329920C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2525355C2 (en) * | 2012-10-04 | 2014-08-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Method of constructing spacecraft |
-
2005
- 2005-12-15 RU RU2005139244/11A patent/RU2329920C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Итоги науки и техники. Сер. «Ракетостроение и космическая техника». Т.12., М., 1991, с.160-164. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2525355C2 (en) * | 2012-10-04 | 2014-08-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Method of constructing spacecraft |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005139244A (en) | 2007-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Di Marco | Review of reduced gravity boiling heat transfer: European research | |
| CN101619715B (en) | For the cryogenic liquid storage system of spacecraft | |
| JP5509429B2 (en) | Propellant tank and steam injection device using the propellant tank | |
| EP2101056B1 (en) | Liquid-fuel storage vessell and vapor jet system using the same | |
| US20200283174A1 (en) | Spacecraft thermal and fluid management systems | |
| US20130196273A1 (en) | Thermal Pressurant | |
| Riehl et al. | Heat transport capability and compensation chamber influence in loop heat pipes performance | |
| Ku et al. | Recent advances in capillary pumped loop technology | |
| RU2329920C2 (en) | Method of arrangement of stationary earth man-made satellite | |
| JP5144365B2 (en) | Propellant tank pressure control system | |
| Wang et al. | Effect of evaporator/condenser elevations on a loop heat pipe with non-condensable gas | |
| Delil et al. | TPX for In-Orbit Demonstration of Two-Phase Heat Transport Technology-Evaluation of Flight and Post-Flight Experiment Results | |
| EP1919020B1 (en) | Apparatus for supplying water in a fuel cell system | |
| RU2346862C2 (en) | Spacecraft heat transfer device | |
| Consolo Jr et al. | Advances in spacecraft thermal control | |
| Behruzi et al. | Cryogenic propellant management sounding rocket experiments on TEXUS 48 | |
| RU2117891C1 (en) | Device for maintenance of pressure of heat-transfer agent in loop of space vehicle temperature control system | |
| Zakirov et al. | An update on surrey nitrous oxide catalytic decomposition research | |
| Anand | On the performance of a heat pipe. | |
| TAYLOR et al. | Improved thermodynamic modelling of the no-vent fill process and correlation with experimental data | |
| AYDELOTT et al. | Technology requirements to be addressed by the NASA Lewis Research Center cryogenic fluid management facility program | |
| Schwartzkopf et al. | Conceptual design of a closed loop nutrient solution delivery system for CELSS implementation in a micro-gravity environment | |
| Behruzi et al. | Development of a propellant management device (PMD) for restartable future cryogenic upper stages | |
| Gu et al. | Ground Experiment for On-Orbit Fluid Filling without Moving Component | |
| RU2311323C2 (en) | Heat-transferring device of a satellite |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151216 |