Космічний апарат

Реферат: Космічний апарат містить відсік з цільовою апаратурою, герметичний відсік приладів, агрегатний відсік з комплексною рушійною установкою, систему терморегулювання з гідравлічними контурами, трубопроводами і приладами для відбору, підводу і скидання тепла, у тому числі виконаними у вигляді термоплат з гідравлічними каналами, котрі включені у контур вказаної системи терморегулювання, систему електричного живлення, розміщені у агрегатному відсіку акумуляторні батареї, котрі мають корпуси з днищами, на котрих змонтовані термоплати, та вузли кріплення. У кожній термоплаті виконані додаткові гідравлічні канали, з'єднані між собою за допомогою додаткових трубопроводів. При цьому додаткові гідравлічні канали і додаткові трубопроводи утворюють автономну розімкнену магістраль для стикування з наземною технологічною системою, а вузли кріплення змонтовані на корпусі кожної акумуляторної батареї. UA 114112 U (12) UA 114112 U UA 114112 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі, а саме - до космічних апаратів (КА), і може використовуватися для проектування систем електричного живлення КА. Космічна техніка ставить перед собою задачу по підвищенню терміну активного існування КА, що створюють. Найбільш важкі технічні проблеми на цьому шляху виникають під час проектування автономних КА. Як відомо, кожний КА являє собою технічний пристрій, котрий містить, як правило, цільову апаратуру і забезпечуючі системи (див. книгу "Космические аппараты" под ред. К.П. Феоктистова, М., "Воениздат". - 1993. - С. 127). Як цільова апаратура можуть використовуватися оптичні, оптико-електронні, радіотехнічні та інші системи, які дозволяють безпосередньо виконувати поставлену перед КА задачу. До забезпечуючих систем належать: комплексна рушійна установка (КРУ), система електричного живлення (СЕЖ), бортовий комплекс керування (БКК), система терморегулювання (СТР) та інші системи в залежності від типу і призначення КА. До систем сучасних КА, які суттєво впливають на його термін активного існування, належать у першу чергу СЕЖ і СТР. Найбільш слабкою ланкою у СЕЖ є акумуляторні батареї (АБ), а у СТР - рухомі електромеханічні пристрої (вентилятори, насоси та інші). Для подовження терміну служби АБ важливо забезпечувати у процесі їх роботи необхідні температурні режими, при цьому особливо важливо підтримувати температуру у порівняно вузькому діапазоні. Оптимальний діапазон робочих температур для АБ, які встановлюються на борту низькоорбітальних КА і мають порівняно високий струм заряду та розряду, повинен бути 10-25 °C (див. "Система терморегулирования и рабочие характеристики аккумуляторных батарей для западно-европейских ИСЗ". Астронавтика и ракетодинамика, экспрессинформация, № 6. - 1989. - С. 23-29). Конструктивно СТР виконана у вигляді системи з'єднаних магістралями агрегатів і елементів, які здійснюють підведення або відведення теплової енергії від елементів КА за рахунок циркуляції теплоносія. У більшості випадків використовуються конвективні СТР, які містять один або декілька замкнених контури і забезпечують передавання теплоти з герметичних відсіків КА через проміжні теплообмінники у навколишнє середовище. Скидання теплоти за рахунок випромінювання здійснюється з поверхні радіатора, по каналах якого циркулює проміжний теплоносій. Усі КА, які працюють тривалий час, мають радіаційні теплообмінники (див. книгу В.В. Малоземцев "Оптимизация системы терморегулирования космических аппаратов", М., "Машиностроение". - 1988. - С. 235). Відомим є космічний апарат, який містить відсік цільової апаратури, герметичний відсік приладів, всередині якого розміщені пристрої забезпечуючих систем, агрегатний відсік (АВ) з комплексною рушійною установкою, систему терморегулювання з зовнішнім радіатором (див. книгу Б.М. Панкратов "Основы теплового проектирования транспортных космических систем", М., "Машиностроение". - 1988. - С. 57). Акумуляторні батареї розташовуються у відсіку приладів охолоджуються повітряним потоком. Скидання тепла в навколишнє середовище здійснюється через зовнішні радіатори, по каналах яких циркулює рідкий теплоносій. Частина радіаторів встановлюється в АВ для обігрівання КРУ. Недоліком цього КА є його низькі експлуатаційні характеристики, тому що у герметичному відсіку приладів потрібно підтримувати заданий тиск середовища протягом терміну існування КА, створення вільних зон для забезпечення циркуляції повітряного потоку без застою. Крім цього, важко забезпечити вузький діапазон зміни температур АБ як у процесі проведення наземних випробувань, так і під час штатної роботи, що негативно виливає на термін активного існування КА в цілому. Відомою є СТР для штучного супутника Землі, яка для ефективного відведення тепла від обладнання до зовнішніх радіаційних панелей оснащена термоплатами (див. патент США № 4.880.050, клас 165/41, 1989 р.). Найбільш важливі прилади можуть встановлюватися на термоплати, по каналах яких циркулює рідкий теплоносій. Такий спосіб охолодження приладів дозволяє суттєво звузити діапазон зміни робочих температур до оптимальних значень і забезпечити тепловий режим бортової апаратури, розташованої як у герметичному, так і у негерметичному відсіках, що позитивно впливає на ресурсні характеристики КА. Недоліком цієї СТР є її низькі експлуатаційні характеристики, тому що під час проведення наземних випробувань система терморегулювання повинна бути постійно включеною для охолодження систем КА. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип КА, який описаний у книзі С.П. Уманский "Человек на космической орбите", М., "Машиностроение", 1974, с. 58-62. Цей КА містить відсік з цільовою апаратурою, герметичний відсік приладів з розташованими в ньому забезпечуючими та іншими пристроями, агрегатний відсік з КРУ, СТР з гідравлічними контурами і приладами для відбору, підводу і скидання тепла, у тому числі 1 UA 114112 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконаними у вигляді термоплат з вхідними і вихідними штуцерами, СЕЖ, яка складається із сонячної батареї, розташованої на зовнішніх елементах конструкції КА, комплексу автоматики і стабілізації напруги, встановленого у відсіку приладів, і герметичних АБ, розташованих в АВ. На фіг. 1 зображена схема відомого КА. Відомий КА складається з: відсіку цільової апаратури 1, герметичного відсіку приладів 2, СТР 3, АВ 4 з розміщеною в ньому КРУ 5, СЕЖ, котра містить комплекс автоматики і стабілізації напруги 6, сонячну батарею 7 і акумуляторні батареї 8. АБ 8 встановлені на попередньо змонтовані термоплати 9, котрі мають вхідний 10 і вихідний 11 штуцери. Штуцери з'єднані між собою трубопроводами 12. Трубопроводи 12 і гідравлічні канали 13, виконані у термоплатах 9, утворюють гідравлічну магістраль, яка послідовно вбудована у гідравлічний контур СТР 3. СТР 3 забезпечує температурний режим АБ 8 за допомогою термоплат 9. При цьому відсік приладів 2 охолоджується конвективним способом, тобто прилади обдуваються повітрям, передавання тепла теплоносію відбувається через газорідинні теплообмінники, а скидання тепла у навколишнє середовище - через зовнішні радіатори. АБ 8 встановлені в АВ 4, що суттєво зменшує щільність розміщення приладів у відсіку 2 або необхідний об'єм герметичного відсіку. При цьому АБ повинні бути герметичними і конструктивно виконаними для охолодження термоплатами. Цим вимогам найбільш повно задовольняють нікель-водневі АБ. Недоліком цього КА є його невисокі експлуатаційні характеристики, такі як: складність технології монтажу АБ в АВ; погіршення ресурсних характеристик КА у процесі проведення наземних випробувань; великі навантаження, які діють на термоплати, тому що вузли кріплення до АВ змонтовані па термоплатах, котрі повинні витримувати вагу АБ. Припустимо, що АБ 8 встановлюються в АВ 4 на термоплати 9 до початку наземних випробувань на заводі-виробнику (ЗВ) кожного КА. Тоді штатні СТР 3 і АБ 8 повинні бути постійно включеними під час проведення випробувань, що погіршує ресурсні характеристики обох систем КА в цілому. Припустимо, що АБ 8 встановлюються в АВ 4 на термоплати 9 після проведення наземних випробувань. При цьому замість штатних АБ 8 можливо використовувати технологічні АБ, які охолоджуються за допомогою автономних наземних систем забезпечення теплового режиму. В цьому випадку досягається покращення ресурсних характеристик СТР і СЕЖ. Але подібний виграш породжує нові технічні і технологічні проблеми. Дійсно, проведення робіт по встановленню АБ у польових умовах складно виконати якісно, оскільки в АВ розміщені КРУ та інші пристрої, які утруднюють проведення монтажних робіт обслуговуючим персоналом. Крім цього, у цих умовах неможливо забезпечити закріплення АБ 8 до термоплати 9 таким чином, щоб був надійний термоконтакт між ними, тому що термоплати 9 розташовані на внутрішній стінці АВ 4. А необхідність проведення підстиковки трубопроводів 12 до штуцерів 10 і 11 на останньому етапі випробувань підвищує імовірність розгерметизації основної магістралі СТР у процесі експлуатації КА і виходу СТР 3 з ладу. Тому подібна технологія проведення наземних випробувань і монтажу АБ та трубопроводів СТР дуже небажана. В основу корисної моделі поставлена задача створити удосконалену конструкцію космічного апарата, яка б дозволила підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в неї нових елементів і технічних рішень, таких як: - у кожній термоплаті виконуються додаткові гідравлічні канали, з'єднані між собою за допомогою додаткових трубопроводів, при цьому додаткові гідравлічні канали і додаткові трубопроводи утворюють автономну розімкнену магістраль для стикування з наземною технологічною системою, що дозволяє спростити технологію проведення наземних випробувань КА і поліпшити ресурсні характеристики СЕЖ і СТР у цілому; - вузли кріплення монтуються на корпусі кожної акумуляторної батареї, що дозволяє знизити навантаження на термоплати і спростити їх конструкцію. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому КА, що містить відсік з цільовою апаратурою, герметичний відсік приладів, агрегатний відсік з комплексною рушійною установкою, систему терморегулювання з гідравлічними контурами, трубопроводами і приладами для відбору, підводу і скидання тепла, у тому числі виконаними у вигляді термоплат з гідравлічними каналами, котрі включені у контур вказаної системи терморегулювання, систему електричного живлення, розміщені у агрегатному відсіку акумуляторні батареї, котрі мають корпуси з днищами, на котрих змонтовані термоплати, та вузли кріплення, в ньому у кожній термоплаті виконані додаткові гідравлічні канали, з'єднані між собою за допомогою додаткових трубопроводів, при цьому додаткові гідравлічні канали і додаткові трубопроводи утворюють автономну розімкнену магістраль для стикування з наземною технологічною системою, а вузли кріплення змонтовані на корпусі кожної акумуляторної батареї. 2 UA 114112 U 5 10 15 20 25 30 35 Для пояснення конструкції запропонованого КА і його роботи додаються креслення та його детальний опис. На фіг. 2 зображена функціональна схема КА. КА містить відсік з цільовою апаратурою 1, герметичний відсік приладів 2, систему терморегулювання 3, агрегатний відсік 4 з розміщеною в ньому КРУ 5, систему електричного живлення, яка складається з сонячної батареї 7 і акумуляторних батарей 8. АБ 8 і відповідні термоплати 9 утворюють моноблоки, оскільки останні закріплені на АБ гвинтами (не зображені). Моноблоки встановлені на конструкцію АВ 4, причому вузли кріплення 19 виконані у корпусах АБ. Штуцери 10 і 11 разом з трубопроводами 12 і каналами 13, виконаними у термоплатах, утворюють розімкнену гідравлічну магістраль, яка послідовно вбудована у контур СТР 3. Додаткові трубопроводи 14, додаткові гідравлічні канали 15, виконані паралельно каналам 13 у термоплатах 9, утворюють свою розімкнену магістраль з фланцями 16 для стикування до наземної технологічної системи (не зображена). Для приєднання трубопроводів 14 і каналів 15 слугують вхідні 17 і вихідні 18 штуцери. СТР 3 забезпечує температурний режим АБ 8 за допомогою термоплат 9. При цьому відсік приладів 2 охолоджується конвективним способом. Припустимо, АБ 8 установлюються разом з термоплатами 9 до початку наземних випробувань. У цьому випадку на усіх етапах випробувань можливо використовувати для охолодження АБ 8 додаткові (технологічні) канали 15, з'єднавши їх послідовно або послідовнопаралельно в контур наземної технологічної системи забезпечення теплового режиму. При цьому СТР не вмикається, а отже її ресурсні характеристики не погіршуються. Попереднє закріплення термоплат 9 до відповідних АБ 8 до їх встановлення в АВ 4 забезпечує надійний контакт з точки зору теплового знімання. Застосування термоплат у процесі наземних випробувань створює оптимальний тепловий режим АБ 8, що дозволяє зберегти ресурсні характеристики АБ 8. Крім цього, виключаються монтажні роботи у польових умовах. З метою зберігання ресурсних характеристик АБ 8 на ЗВ можливо використовувати технологічні АБ, а штатні АБ встановлювати після завершення випробувань на ЗВ. Наявність додаткових гідравлічних каналів 15 і штуцерів 17 і 18 не погіршує масогабаритних характеристик моноблока, тому що збільшення маси термоплати 9 за рахунок штуцерів 17 і 18 компенсується зменшенням маси термоплати 9 за рахунок виконання в ній додаткових гідравлічних каналів 15. Додаткові трубопроводи 14 з фланцями 16 після проведення наземних випробувань можливо демонтувати. Канали 13 і 15 у термоплаті можуть виконуватися у металевих термоплатах паралельно і мати U-подібну форму. Подібна форма каналів забезпечує надійне знімання тепла з нікельводневих АБ. СЕЖ може виконуватися за патентом РФ № 2.574.475, МПК B64G1/00, 2014 р. Таким чином, запропонований КА, який має просту і надійну конструкцію, забезпечує розширення його функціональних можливостей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 Космічний апарат, що містить відсік з цільовою апаратурою, герметичний відсік приладів, агрегатний відсік з комплексною рушійною установкою, систему терморегулювання з гідравлічними контурами, трубопроводами і приладами для відбору, підводу і скидання тепла, у тому числі виконаними у вигляді термоплат з гідравлічними каналами, котрі включені у контур вказаної системи терморегулювання, систему електричного живлення, розміщені у агрегатному відсіку акумуляторні батареї, котрі мають корпуси з днищами, на котрих змонтовані термоплати, та вузли кріплення, який відрізняється тим, що у кожній термоплаті виконані додаткові гідравлічні канали, з'єднані між собою за допомогою додаткових трубопроводів, при цьому додаткові гідравлічні канали і додаткові трубопроводи утворюють автономну розімкнену магістраль для стикування з наземною технологічною системою, а вузли кріплення змонтовані на корпусі кожної акумуляторної батареї. 3 UA 114112 U 4 UA 114112 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5