RU2386572C1

RU2386572C1 - System of spacecraft thermal control

Info

Publication number: RU2386572C1
Application number: RU2008145256/11A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Халиманович (RU); Владимир Иванович Халиманович; Владимир Петрович Акчурин (RU); Владимир Петрович Акчурин; Николай Григорьевич Алексеев (RU); Николай Григорьевич Алексеев; Виталий Гавриилович Воловиков (RU); Виталий Гавриилович Воловиков; Александр Валентинович Доставалов (RU); Александр Валентинович Доставалов; Олег Вячеславович Загар (RU); Олег Вячеславович Загар; Анатолий Петрович Колесников (RU); Анатолий Петрович Колесников; Юрий Дмитриевич Сергеев (RU); Юрий Дмитриевич Сергеев; Олег Валентинович Шилкин (RU); Олег Валентинович Шилкин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева"
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2010-04-20

Abstract

FIELD: transportation.

SUBSTANCE: invention relates to space engineering and may be used in development of thermal control systems (TCS) of telecommunication satellites systems. TCS comprises two independent board circulation tracks identical in composition with heat carrier, which are arranged next to each other in honeycomb panels. Each of tracks comprises inlet and outlet fueling connectors connected to according fueling connectors of detachable block of the system. The latter also comprises two identical liquid tracks, every of which includes the first and second heat exchangers. The first liquid cavities of heat exchangers are connected serially, and the second cavities are communicated to circulating track of coolant in ground system of thermal mode maintenance according to counterflow circuit of heat carrier and cooling medium circulation in cavities of heat exchangers. Outlet of this ground system is communicated to inlet of the second cavity of the second heat exchanger of the first track in detachable unit arranged in the form of single structure. Outlet of the second cavity of specified heat exchanger is communicated to inlet of the second cavity of the second heat exchanger in the second track of block. Outlet of the latter is connected to inlet of the second cavity of the first heat exchanger arranged in the same track of unit, outlet of which is communicated to inlet of the second cavity of the first heat exchanger in the first track of block. Outlet of specified second cavity is connected to inlet of ground system of thermal mode maintenance.

EFFECT: simplified design of TCS detachable block, ground testing facilities and procedure of spacecraft tests.

3 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам обеспечения теплового режима телекоммуникационных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.The invention relates to space technology, in particular to systems for ensuring the thermal regime of telecommunication satellites, and was created by the authors in the order of performance of a job.

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).Known temperature control systems (CTP) of spacecraft (SC) according to the patents of the Russian Federation No. 2151722 [1], No. 2209750 [2], which contain the airborne part of the STR (functioning both during ground tests and when working in orbit) and connected to the airborne part through hydraulic connectors of the ground (removable) part of the STR, i.e. a unit of removable equipment CTP, which includes heat exchangers used in the CTP only during ground tests, including when testing spacecraft in a thermal chamber; the above heat exchangers during ground tests are connected to a ground-based thermal management system (it is a rather complex and expensive design).

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.Currently, in order to ensure highly reliable functioning of the spacecraft newly created by our enterprise with a long (15 or more years) service life, its STR is made of two independent heat transfer paths of the same composition parallel to the cell panels parallel to the honeycomb panels (see Fig. 1). For such a spacecraft during its ground tests, incl. during thermal vacuum tests carried out in a pressure chamber, it is necessary to confirm the provision of the required operating temperatures of the spacecraft devices installed on the honeycomb panels, when the coolant circulates with the required flow rate and the coolant temperature at the outlet of the removable equipment blocks (at the entrance to the airborne part of the STR) circulation path STR, and with the simultaneous operation of two of these paths STR.

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.Therefore, according to well-known technical solutions, two identical (with the same hydraulic resistance of the paths and the same heat exchangers) blocks of removable equipment of the STR, which, in turn, must be connected with sufficiently complex ( and expensive) two independent ground-based thermal management systems; in addition, due to the use of these two systems, it is necessary to provide, in particular, an additional pressure-sealing system into the pressure chamber, complicating its design; this also complicates the procedure for conducting ground tests due to the presence of two ground-based thermal management systems - and all this leads to significant additional material and labor costs.

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].An analysis of the sources of information on patent and scientific and technical literature showed that the closest in technical essence to the prototype of the proposed technical solution is the spacecraft temperature control system according to the patent of the Russian Federation No. 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.Known according to [2], the STR KA (see Fig. 3), made of two modules: the payload module (MPN) 7 and the service system module (MSS) 6, includes: on-board circulation paths of the coolant 1 and 2, built into honeycomb panels 3, 4, 5; output 1.2 and 2.2 and input 1.1 and 2.1 hydraulic connectors of the side of the STR; removable blocks 11 and 12, connected by their input and output hydraulic connectors to the output 1.2 and 2.2 and input 1.1 and 2.1 hydraulic connectors of the airborne part of the STR; Pos. 9 and 13 - ground-based thermal management systems.

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.As shown above, the significant disadvantages of the known technical solution are as follows: if it is carried out on a STR satellite containing two independent parallel coolant paths, then both the ground removable part of the STR (it will require two separate removable blocks) and the rest of the ground test equipment used are complicated during ground-based tests of the spacecraft (two ground-based systems for ensuring the thermal regime will be required, and further development of the pressure chamber is necessary because of this), and the procedure for checking eniya test (it is necessary to work with two ground-based systems, thermal control) - all of this will require considerable additional material and labor costs.

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 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.This goal is achieved by the implementation of the system of thermal control of the spacecraft (containing two independent identical in composition and placed next to each other in the honeycomb panels of the onboard circulation paths with a coolant, each of which has an input and output hydraulic sockets connected to the corresponding hydraulic sockets of a removable unit of the system having two identical liquid paths, each of which includes the first and second heat exchangers in the direction of circulation of the coolant, the first liquid the cavities of which are connected in series, and the second cavities of the heat exchangers, each of which has one inlet and one outlet, are in communication with the circulation path with the coolant of the ground-based heat supply system having one inlet and one outlet, according to the counter-current circuit for the circulation of the coolant and coolant in the cavities of the heat exchangers) so that the output of the ground-based thermal management system is in communication with the input of the second cavity of the second heat exchanger of the first tract of the removable unit, made in the form of a single console traction, wherein the output of the second cavity of the above heat exchanger is communicated with the input of the second cavity of the second heat exchanger of the second block path, and its output is connected to the input of the second cavity of the first heat exchanger located in the same block path, the output of which is communicated with the input of the second cavity of the first heat exchanger of the first block path , and its output is connected to the input of the ground-based thermal management system, which, according to the authors, is the essential distinguishing feature 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 заявляемой системе терморегулирования.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 in the known sources of information was not found and, therefore, the known technical solutions do not exhibit the same properties as in the claimed thermal control system.

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:The proposed STR satellite, made of two modules: MPN 7 and MSS 6 (see figure 1, which shows the schematic diagram of the STR in operating conditions in orbit, and figure 2, which shows the schematic diagram of the STR during the tests of the spacecraft in ground conditions), includes:

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;1) the first side circulation path of the coolant 1, built into the honeycomb panels 3, 4, 5; output and input hydraulic sockets of the on-board part STR 1.2 and 1.1; a removable unit 11, made as a single structural unit, connected with its first output 8.4 and input 8.3 hydraulic sockets to the input 1.1 and output 1.2 hydraulic sockets of the onboard part of the STR, respectively; pos.8 and 10 - the first and second paths of the removable block 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;2) the output and input hydraulic connectors 2.2 and 2.1 of the other (second) circulation path 2, also integrated in the honeycomb panels 3, 4, 5 next to the path 1, are connected to the second input 10.3 and output 10.4 hydraulic connectors of the block 11, respectively;

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;3) the output "4" of the ground-based thermal management system 9 is in communication with the input "1" of the second cavity of the second heat exchanger 8.2 of the first path 8 of the removable unit 11, made in the form of a single structure; wherein the output "2" of the second cavity of the above heat exchanger 8.2 is communicated with the input "1" of the second cavity of the second heat exchanger 10.2 of the second path 10 of block 11, and its output "2" is connected to the input "1" of the second cavity of the first heat exchanger 10.1 located in the same path 10 of block 11, the output "2" of which is connected with the input "1" of the second cavity of the first heat exchanger 8.1 of the first path 8 of block 11, and the output "2" of it is connected to the input "3" of the ground-based system for providing thermal regime 9. As a result of thermal and hydraulic analysis of the complex: STR KA containing two n independent on-board circulation paths 1 and 2, plus a removable unit 11 STR connected to the STR, made as a structural unit with unified (identical) heat exchangers 8.1, 8.2, 10.1, 10.2, plus one ground-based system for providing thermal regime 9, as well as a result Analysis of experimental data on heat exchangers, the authors found that only the above sequence of connections of the coolant cavities of the heat exchangers, two in each fluid path 8 and 10 of the removable unit 11, between each other and with the ground system for providing thermal regime 9 ensures the removal of the required (certain) amount of excess heat generated during the operation of the spacecraft instruments in the process of ground tests to the ground system for providing thermal regime and maintaining the required temperature of the coolant at the entrance to the onboard circulation paths, as when working onboard circulation paths separately, and when they work together;

4) следует отметить, что, как показал анализ, данное техническое решение может использоваться как в СТР с жидким теплоносителем, так и с двухфазным теплоносителем.4) it should be noted that, as analysis has shown, this technical solution can be used both in a CTP with a liquid coolant and with a two-phase coolant.

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.The operation of the STR during ground tests of the spacecraft, in particular during thermal vacuum tests in a pressure chamber, is as follows. The spacecraft is installed in a thermal chamber, where the space environment surrounding the spacecraft is simulated.

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).The STR has a configuration designed for ground tests: a removable block of STR 11 is connected to the onboard part of the STR, and the ground system for providing thermal regime 9 is connected to it (the paths are filled with coolant).

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.Turn on the path 1 STR (path 2 STR does not work, that is, the coolant is not circulated along its path), then - the system for ensuring the thermal regime 9. Turn on the spacecraft devices.

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.A certain excess heat generated during the operation of the devices is removed by the circulating heat carrier of the path 1 and transferred to the ground heat supply system 9 in the heat exchangers 8.1 and 8.2 of the removable unit 11.

Контролируют расход и температуру теплоносителя на входе в тракт 1 и температуры приборов - они должны находиться в требуемых рабочих диапазонах.Control the flow rate and temperature of the coolant at the entrance to the path 1 and the temperature of the devices - they must be in the required operating ranges.

Таким образом подтверждается работоспособность СТР при работе только тракта 1.This confirms the performance of the STR when working only path 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.Then, the above tests are repeated during the operation of tract 2 with an idle path 1 and during operation of both paths 1 and 2 at the same time and confirm the operability - removal of a certain amount of heat when only path 2 is operating and at the same time both tracts are working.

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.As can be seen from the foregoing, as a result of the implementation of the STR by the spacecraft according to the technical solution proposed by the authors, the design of the removable block of the STR and ground test facilities and the procedure of ground tests of the spacecraft are simplified, which increases economic efficiency when creating the spacecraft thereby achieving the objectives of the invention.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на вновь разрабатываемый телекоммуникационный спутник.Currently, the technical solution proposed by the authors is reflected in the technical documentation for the newly developed telecommunications satellite.

Claims

The spacecraft thermal control system, which contains two independent, identical in composition and placed next to each other in the honeycomb panels of the onboard circulating paths with a coolant, each of which has an input and output hydraulic sockets connected to the corresponding hydraulic sockets of a removable unit of the system having two identical liquid paths, each of which includes the first and second heat exchangers in the direction of circulation of the coolant, the first fluid cavities of which are connected in series oh, and the second cavity of the heat exchangers, each of which has one inlet and one outlet, is in communication with the circulation path with the coolant of the ground-based heat supply system having one inlet and one outlet, according to the countercurrent circuit of the circulation of the coolant and coolant in the cavities of the heat exchangers, characterized in that the output of the ground-based thermal management system is in communication with the input of the second cavity of the second heat exchanger of the first tract of the removable unit, made in the form of a single structure, while the output of the second cavity in of the aforementioned heat exchanger is communicated with the input of the second cavity of the second heat exchanger of the second block path, and its output is connected to the input of the second cavity of the first heat exchanger located in the same second, block path, the output of which is communicated with the input of the second cavity of the first heat exchanger of the first block path, and its output connected to the input of the ground-based thermal management system.