RU2548316C2

RU2548316C2 - Система терморегулирования стыковочного модуля обитаемой орбитальной станции

Info

Publication number: RU2548316C2
Application number: RU2013141780/11A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Басов; Мария Александровна Клочкова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-04-20
Also published as: RU2013141780A

Abstract

Изобретение предназначено для терморегулирования модулей долговременных орбитальных станций. Система терморегулирования содержит средства теплопереноса, электронагреватели со средствами управления и датчиковую аппаратуру на внутренней поверхности корпуса модуля. Средствами теплопереноса служат тепловые трубы, расположенные на наружной поверхности корпуса стыковочного модуля симметрично относительно каждого стыковочного агрегата. При этом трассы прокладки тепловых труб делят корпус модуля на две зоны, содержащие, по крайней мере, два стыковочных агрегата. В каждой зоне проходят две кольцевые трассы, образованные двумя группами дублирующих друг друга тепловых труб, а также две пары S-образных трасс, начало и конец каждой из которых сонаправлены с соответствующей кольцевой трассой и отстоят от неё на расстоянии не более двух диаметров тепловой трубы. S-образная трасса образована парой дублирующих друг друга тепловых труб. Электронагреватели устанавливают напротив каждой пары тепловых труб в зоне конденсации. Техническим результатом изобретения является увеличение срока эксплуатации, уменьшение энергопотребления и уменьшение массогабаритных характеристик системы. 1 ил.

Description

Изобретение относится к космической технике, а именно к системам терморегулирования (CTP) модулей долговременных орбитальных станций, и может быть использовано при создании систем, обладающих значительным ресурсом работы.

Обитаемая орбитальная станция формируется из крупногабаритных многоцелевых модулей, соединенных между собой через герметичный стыковочный модуль сферической или близкой к сферической формы. Стыковочный модуль служит для связи трех и более крупногабаритных модулей обитаемой орбитальной станции (OOC), а также для стыковки пилотируемых транспортных систем, является кратковременно посещаемым модулем с низким тепловыделением внутреннего оборудования и содержит до шести стыковочных агрегатов, установленных по два на каждой оси модуля, которые в свободном или занятом состоянии являются основными источниками или стоками тепла в системе.

В настоящий момент известные стыковочные модули не имеют своей независимой системы терморегулирования - средства терморегулирования стыковочного модуля являются конструктивно относящимися к более крупным системам терморегулирования, образуя совмещенные системы терморегулирования. Термостатирование корпуса стыковочного модуля в настоящий момент осуществляется при помощи гидравлического контура, единого с контуром сопряженного обитаемого модуля. Принцип построения такой системы терморегулирования заключается в термостатировании и сборе тепла с поверхности корпуса стыковочного модуля при помощи совмещенной двухконтурной гидравлической системы и удалении его в космическое пространство при помощи навесного холодного радиатора. Теплосъем с поверхности стыковочного модуля и ее термостатирование осуществляется при помощи змеевиков, включенных в общую гидравлическую систему совмещенной системы терморегулирования.

В случае разработки независимой системы терморегулирования стыковочного модуля использование двухконтурной гидравлической системы не представляется целесообразным также по ее массово-энергетическим характеристикам.

Известен опыт эксплуатации тепловых труб на орбитальной станции «МИР» (Труды международной конференции «Тепловые трубы для космического применения», 2009 год, http:///www.heatpipe.ru, п.71 согласно программе конференции). Тепловые трубы использовались в системе обеспечения теплового режима пилотируемого модуля в составе радиационного теплообменника-охладителя базового блока станции.

Известна система терморегулирования космического объекта (патент RU 2404092 С1, 20.11.2010, МПК: B64G 1/50 (2006.01)), включающая в себя связанные между собой замкнутые циркуляционные контуры, регулятор расхода жидкости, выполненный с шаговым двигателем, систему управления, датчики температуры, электрически связанные через систему управления с регулятором расхода жидкости, газожидкостные и змеевиковые теплообменники, термоплаты, гидрокомпенсатор, дренажный клапан, радиационный теплообменник.

Известна система терморегулирования космического объекта (патент RU 2230007 С1, 10.06.2004, МПК: B64G 1/50 (2006.01), G05D 23/20 (2006.01)), содержащая средства теплопереноса, средства управления элементами системы и датчиковую аппаратуру. В качестве средств теплопереноса здесь используются замкнутые контуры обогрева и охлаждения с побудителями циркуляции жидких теплоносителей, связанные через промежуточные жидкостно-жидкостные теплообменники. В качестве средств управления элементами системы используются клапаны и регулятор расхода жидкого теплоносителя. Датчиковая аппаратура состоит из датчиков перепада давлений на побудителях циркуляции жидких теплоносителей и датчиков расхода жидких теплоносителей.

Недостатками данных систем терморегулирования является наличие дополнительной массы и низкая надежность для бесперебойной работы системы терморегулирования стыковочного модуля обитаемой орбитальной станции.

Задачей изобретения является увеличение срока эксплуатации и повышение надежности системы терморегулирования стыковочного модуля обитаемой орбитальной станции при увеличении эффективности теплопереноса в системе за счет использования оптимальной компоновки тепловых труб и электронагревателей.

Техническим результатом изобретения является:

- увеличение срока эксплуатации предложенной системы терморегулирования и стыковочного модуля в целом;

- уменьшение энергопотребления CTP;

- уменьшение массогабаритных характеристик.

Технический результат изобретения достигается тем, что в системе терморегулирования стыковочного модуля обитаемой орбитальной станции, состоящей из средств теплопереноса, электронагревателей со средствами управления и датчиковой аппаратуры, установленных на внутренней поверхности корпуса модуля, в качестве средств теплопереноса используют тепловые трубы, расположенные на наружной поверхности корпуса стыковочного модуля симметрично относительно каждого из стыковочных агрегатов стыковочного модуля, при этом трассы прокладки тепловых труб делят корпус стыковочного модуля на две зоны, каждая из которых содержит, по крайней мере, два стыковочных агрегата, при этом в каждой зоне проходят две кольцевые трассы, которые являются геометрическим местом точек, полученным в результате пересечения сферической или близкой к сферической поверхности корпуса стыковочного модуля и двух плоскостей, касательных ко всем стыковочным агрегатам зоны, при этом кольцевые трассы образованы двумя группами дублирующих друг друга тепловых труб, также в каждой зоне расположены, по крайней мере, две пары S-образных трасс, срединная часть каждой из которых является геометрическим местом точек, полученным в результате пересечения сферической или близкой к сферической поверхности корпуса стыковочного модуля и одной из двух плоскостей, проходящей через прямую, содержащую центр сферической или близкой к сферической поверхности корпуса стыковочного модуля и перпендикулярную плоскости разделения двух зон корпуса стыковочного модуля, и касательной к каждому стыковочному агрегату, начало и конец каждой S-образной трассы сонаправлены с соответствующей кольцевой трассой и отстоят от нее на расстоянии не более двух диаметров тепловой трубы, при этом каждая S-образная трасса образована парой дублирующих друг друга тепловых труб, а на внутренней поверхности стыковочного модуля напротив каждой пары тепловых труб в зоне конденсации тепловой трубы устанавливаются электронагреватели.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Термостатирование корпуса стыковочного модуля осуществляется с помощью системы терморегулирования, построенной на базе тепловых труб и электронагревателей в отсутствие радиатора, причем тепловые трубы используются для переноса и перераспределения тепла по корпусу стыковочного модуля, а электронагреватели используются как средство местного обогрева при понижении температуры элементов модуля ниже допустимой. Отсутствие радиатора уменьшает суммарную массу системы, однако приводит к увеличению количества тепла, которое должно быть передано с солнечной стороны корпуса стыковочного модуля на теневую, являющиеся таковыми в рассматриваемый момент времени.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).

Стыковочный модуль содержит до шести стыковочных агрегатов, которые в свободном или занятом состоянии являются основными источниками и стоками тепла в системе, что обуславливает выбор координат трасс прокладки тепловых труб по геометрическому положению стыковочных агрегатов. Специфика эксплуатации стыковочного модуля предполагает частую смену комбинаций свободных и занятых стыковочных агрегатов, поэтому наиболее оптимальной является симметричная конфигурация трасс прокладки тепловых труб, которая обеспечивает одинаковый отвод или подвод тепла от каждого стыковочного агрегата, являющегося в данный момент тепловым источником или стоком.

На фиг.1 изображена принципиальная схема расположения тепловых труб и электронагревателей на корпусе стыковочного модуля OOC в окрестности одного из стыковочных агрегатов, где обозначено:

1 - корпус стыковочного модуля;

2 - стыковочный агрегат;

3 - плоскость разделения двух зон корпуса стыковочного модуля;

4 - трасса прокладки тепловых труб типа «Большое кольцо»;

5 - трасса прокладки тепловых труб типа «Малое кольцо»;

6 - трасса прокладки тепловых труб типа «Левая S-образная»;

7 - трасса прокладки тепловых труб типа «Правая S-образная»;

8 - прямая, содержащая центр поверхности корпуса стыковочного модуля и перпендикулярная плоскости разделения двух зон корпуса стыковочного модуля;

9 - основной электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Большое кольцо» на участке расположения стыковочного агрегата;

10 - резервный электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Большое кольцо» на участке расположения стыковочного агрегата;

11 - участок расположения стыковочного агрегата;

12 - основной электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Малое кольцо»;

13 - резервный электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Малое кольцо»;

14 - основной электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Левая S-образная»;

15 - резервный электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Левая S-образная»;

16 - основной электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Правая S-образная»;

17 - резервный электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Правая S-образная»;

18 - основной электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Большое кольцо» на участке корпуса стыковочного модуля между стыковочными агрегатами;

19 - резервный электронагреватель на тепловой трубе, расположенной на трассе типа «Большое кольцо» на участке корпуса стыковочного модуля между стыковочными агрегатами;

20 - участок корпуса стыковочного модуля между стыковочными агрегатами;

21 - пара электронагревателей (основной и резервный) на участке корпуса модуля между стыковочными агрегатами вне трасс прокладки тепловых труб;

22 - пара электронагревателей (основной и резервный) на участке корпуса стыковочного модуля, ограниченном трассой типа «Малое кольцо»;

23 - зона корпуса стыковочного модуля рассматриваемого стыковочного агрегата.

На наружной поверхности корпуса стыковочного модуля (1) симметрично относительно каждого из стыковочных агрегатов (2) стыковочного модуля расположены тепловые трубы. Трассы прокладки тепловых труб делят корпус стыковочного модуля на две зоны (23), каждая из которых содержит два или три стыковочных агрегата (2). В каждой зоне проходят две кольцевые трассы, которые являются геометрическим местом точек, полученным в результате пересечения поверхности корпуса стыковочного модуля (1) и двух плоскостей, касательных ко всем стыковочным агрегатам (2) зоны (23). Кольцевые трассы образованы двумя группами дублирующих друг друга тепловых труб. Трасса, образованная при пересечении с плоскостью, расположенной ближе к плоскости разделения (3) двух зон (23) корпуса стыковочного модуля (1), является трассой типа «Большое кольцо» (4). Трасса, образованная при пересечении с плоскостью, расположенной дальше от плоскости разделения (3) двух зон (23) корпуса стыковочного модуля (1), является трассой типа «Малое кольцо» (5).

В каждой зоне (23) расположены также две или три пары S-образных трасс (по количеству стыковочных агрегатов (2) зоны (23)). Каждая пара S-образных трасс образована двумя типами трасс: «Левая S-образная» (6) и «Правая S-образная» (7), причем конкретный тип трассы определяется исходя из ее положения относительно стыковочного агрегата (2) при расположении трассы типа «Большое кольцо» (4) снизу, как показано на фиг.1. Каждая S-образная трасса образована парой дублирующих друг друга тепловых труб. Срединная часть каждой S-образной трассы является геометрическим местом точек, полученным в результате пересечения поверхности корпуса стыковочного модуля (1) и одной из двух плоскостей, проходящей через прямую (8), содержащую центр поверхности корпуса стыковочного модуля (1) и перпендикулярную плоскости разделения (3) двух зон (23) корпуса стыковочного модуля (1), и касательной к каждому стыковочному агрегату (2). Начало и конец каждой S-образной трассы сонаправлены с соответствующей кольцевой трассой и отстоят от нее на расстоянии не более двух диаметров тепловой трубы.

На внутренней поверхности корпуса стыковочного модуля (1) напротив каждой пары тепловых труб в зоне конденсации тепловой трубы устанавливаются электронагреватели. Основными являются электронагреватели, расположенные под той тепловой трубой, которая в своей паре находится ближе к стыковочному агрегату (2). Резервными являются электронагреватели, расположенные под той тепловой трубой, которая в своей паре находится дальше от стыковочного агрегата (2). В окрестности каждого стыковочного агрегата (2) устанавливаются:

- основной (9) и резервный (10) электронагреватели на тепловых трубах, расположенных на трассе типа «Большое кольцо» (4) на участке расположения стыковочного агрегата (11),

- основной (12) и резервный (13) электронагреватели на тепловых трубах, расположенных на трассе типа «Малое кольцо» (5),

- основной (14) и резервный (15) электронагреватели на тепловых трубах, расположенных на трассе типа «Левая S-образная» (6),

- основной (16) и резервный (17) электронагреватели на тепловых трубах, расположенных на трассе типа «Правая S-образная» (7),

- основной (18) и резервный (19) электронагреватели на тепловых трубах, расположенных на трассе типа «Большое кольцо» (4) на участке корпуса модуля между стыковочными агрегатами (20),

- пара электронагревателей (основной и резервный) (21) на участке корпуса модуля между стыковочными агрегатами (20) вне трасс прокладки тепловых труб.

Пара электронагревателей (основной и резервный) (22) на участке корпуса стыковочного модуля (1), ограниченном трассой типа «Малое кольцо» (5), относятся ко всем стыковочным агрегатам (2) зоны (23) корпуса стыковочного модуля (1).

На внутренней стороне корпуса стыковочного модуля (1) устанавливаются также электронные переключатели (на фиг.1 не обозначено), являющиеся средствами управления для электронагревателей (9)-(10), (12)-(19), (21)-(22). Также с внутренней стороны корпуса модуля (1) устанавливается датчиковая аппаратура, представляющая собой информационные температурные датчики, функционально входящие в систему терморегулирования стыковочного модуля (на фиг.1 не обозначено).

Часть тепловых труб, образующая кольцевые трассы (4)-(5), выполняет функцию перераспределения тепла от стыковочного агрегата (2) и срабатывающих электронагревателей (9)-(10), (12)-(13), (18)-(19) по корпусу стыковочного модуля (1) между стыковочными агрегатами зоны (23). Другая часть тепловых труб, образующая S-образные трассы (6)-(7), выполняет функцию переноса тепла от стыковочного агрегата (2) и срабатывающих электронагревателей (14)-(17) на кольцевые трассы (4)-(5) для дальнейшего его перераспределения. Передача тепла от трубы к трубе осуществляется в зоне стыка тепловых труб.

Электронагреватели (9)-(10), (12)-(19), (21)-(22) предназначены для компенсации нерегулируемых теплопотерь и исключения выпадения водяного конденсата на внутренней поверхности корпуса стыковочного модуля (1). Электронагреватели (9)-(10), (12)-(19), (21)-(22) управляются индивидуально каждый своим электронным переключателем (на фиг.1 не обозначено). В зависимости от текущего значения температуры конструкции под установочной поверхностью электронного переключателя производится включение или отключение соответствующего электронагревателя. Электронные переключатели, управляющие основными и резервными электронагревателями (9)-(10), (12)-(19), (21)-(22), имеют различные номиналы срабатывания по температуре конструкции под установочной поверхностью электронного переключателя.

Датчиковая аппаратура, состоящая из информационных температурных датчиков, используется для текущего контроля теплового состояния стыковочного модуля.

Предложенная система терморегулирования стыковочного модуля обитаемой орбитальной станции функционирует следующим образом.

Тепловой поток с солнечной стороны корпуса стыковочного модуля (1) на теневую сторону передается как по корпусу модуля (1), так и посредством тепловых труб, образующих трассы (4)-(7). В том случае, если стыковочный агрегат (2) расположен на солнечной стороне корпуса модуля (1) и является источником тепла, тепловой поток от стыковочного агрегата (2) перераспределяется между стыковочными агрегатами зоны (23) с помощью тепловых труб, образующих кольцевые трассы (4)-(5). Также с помощью тепловых труб, образующих S-образные трассы (6)-(7), упомянутый тепловой поток передается на трассы (4)-(5) для дальнейшего его перераспределения. В том случае, если стыковочный агрегат (2) расположен на теневой стороне корпуса стыковочного модуля (1) и является стоком тепла, тепловые потери компенсируются мощностью срабатывающих электронагревателей (9)-(10), (12)-(17), а также тепловым потоком, передающимся от срабатывающих электронагревателей (18)-(19) с помощью тепловых труб трассы типа «Большое кольцо» (4) на участке корпуса модуля между стыковочными агрегатами (20), и мощностью срабатывающих электронагревателей (21)-(22), подводимой к стыковочному агрегату (2) посредством теплопередачи по корпусу стыковочного модуля (1).

Предложенная система терморегулирования проходила испытания на ОАО «РКК «Энергия» в составе модуля сферической формы с шестью стыковочными агрегатами, предназначенного для функционирования в составе международной космической станции.

По результатам проведенных тепловых расчетов при заданных программой полета условиях эксплуатации модуля требуемый теплоотвод от стыковочного агрегата, расположенного на солнечной стороне корпуса стыковочного модуля, составляет порядка 70 Вт.

Система терморегулирования испытуемого модуля содержит 60 тепловых труб, из них 24 штуки в составе трасс типа «Большое кольцо», 12 штук в составе трасс типа «Малое кольцо» и 24 штуки в составе S-образных трасс. Длина каждой тепловой трубы составляет от 1600 до 2700 мм, зона стыка тепловых труб составляет от 300 до 400 мм. Наружный диаметр каждой тепловой трубы составляет 12±0,25 мм. Номинальное расстояние между осями дублирующих друг друга тепловых труб составляет 18 мм. Расстояние между сонаправленными участками тепловых труб кольцевых и S-образных трасс составляет от 10 до 20 мм. В окрестности каждого стыковочного агрегата проходит восемь тепловых труб. По результатам лабораторно-отработочных испытаний тепловых труб эффективность одной тепловой трубы диаметром 12 мм составляет порядка 80 Вт, что позволяет обеспечить требуемый теплоотвод от стыковочного агрегата с большим запасом.

Также система терморегулирования содержит 76 пар электронагревателей и управляющих ими электронных переключателей, на которые подано питание при полете модуля в составе орбитальной станции. Из указанных электронагревателей 38 штук являются основными и 38 штук являются резервными и устанавливаются частью под трассами прокладки тепловых труб (30 штук основных и 30 штук резервных), частью вне трасс прокладки тепловых труб (8 штук основных и 8 штук резервных) на внутренней поверхности корпуса стыковочного модуля. Электронагреватели мощностью 30 Вт каждый устанавливаются на расстоянии не менее 100 мм от конца тепловой трубы. Электронные переключатели устанавливаются на расстоянии от 100 до 200 мм от управляемого электронагревателя. Такая установка повышает тепловую инерционность пары «электронагреватель - электронный переключатель» и способствует уменьшению числа срабатывания коммутационных элементов. Электронные переключатели, управляющие основными и резервными электронагревателями, имеют различные номиналы срабатывания по температуре конструкции под установочной поверхностью электронного переключателя, что позволяет реализовать «холодное» резервирование пары «электронагреватель - электронный переключатель». В окрестности каждого стыковочного агрегата устанавливаются семь пар электронагревателей

Также в систему терморегулирования испытуемого модуля функционально входят 40 информационных температурных датчиков, показывающих текущее тепловое состояние модуля.

Выбранная компоновка тепловых труб и электронагревателей позволяет обеспечить высокую степень надежности системы, поскольку отказ любых двух тепловых труб не приведет к критичному уменьшению теплопередачи по корпусу стыковочного модуля.

Claims

Система терморегулирования стыковочного модуля обитаемой орбитальной станции, состоящая из средств теплопереноса, электронагревателей со средствами управления и датчиковой аппаратуры, установленных на внутренней поверхности корпуса модуля, отличающаяся тем, что в качестве средств теплопереноса используют тепловые трубы, расположенные на наружной поверхности корпуса стыковочного модуля симметрично относительно каждого из стыковочных агрегатов стыковочного модуля, при этом трассы прокладки тепловых труб делят корпус стыковочного модуля на две зоны, каждая из которых содержит, по крайней мере, два стыковочных агрегата, при этом в каждой зоне проходят две кольцевые трассы, которые являются геометрическим местом точек, полученным в результате пересечения сферической или близкой к сферической поверхности корпуса стыковочного модуля и двух плоскостей, касательных ко всем стыковочным агрегатам зоны, при этом кольцевые трассы образованы двумя группами дублирующих друг друга тепловых труб, также в каждой зоне расположены, по крайней мере, две пары S-образных трасс, срединная часть каждой из которых является геометрическим местом точек, полученным в результате пересечения сферической или близкой к сферической поверхности корпуса стыковочного модуля и одной из двух плоскостей, проходящей через прямую, содержащую центр сферической или близкой к сферической поверхности корпуса стыковочного модуля и перпендикулярную плоскости разделения двух зон корпуса стыковочного модуля, и касательной к каждому стыковочному агрегату, начало и конец каждой S-образной трассы сонаправлены с соответствующей кольцевой трассой и отстоят от нее на расстоянии не более двух диаметров тепловой трубы, при этом каждая S-образная трасса образована парой дублирующих друг друга тепловых труб, а на внутренней поверхности стыковочного модуля напротив каждой пары тепловых труб в зоне конденсации тепловой трубы устанавливаются электронагреватели.