Патент на изобретение №2159728

(54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к космической технике. Способ испытаний системы терморегулирования заключается в измерении расхода теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования и перепада давлений на электронасосном агрегате между его входом и выходом. Испытывают систему терморегулирования без жидкостного тракта полезной нагрузки. При этом изменяют перепад давлений на электронасосном агрегате до получения расхода теплоносителя в системе терморегулирования, равного требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки. Дополнительно измеряют расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования. Проверяют выполнение условия соответствия разности перепада давлений на электронасосном агрегате при расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, равном требуемому, и гидравлических потерь в жидкостном тракте системы терморегулирования допустимым гидравлическим потерям в жидкостном тракте полезной нагрузки. Такой способ позволяет повысить достоверность результатов испытаний. 3 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к системе терморегулирования космического аппарата, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

В настоящее время испытания системы терморегулирования спутника (например, связного типа “Молния”, состоящего из платформы – в ее состав входят служебные системы спутника, в том числе система терморегулирования, и присоединенной к платформе полезной нагрузки – в ее состав входит целевая аппаратура – ретранслятор) с целью подтверждения ее работоспособности, например, с целью подтверждения обеспечения требуемого расхода теплоносителя, как при изготовлении, так и при подготовке спутника к пуску проводятся при полностью собранном ее жидкостном тракте, заправленном жидким теплоносителем, т.е. в составе жидкостного тракта системы всегда присутствует и жидкостный тракт целевой аппаратуры – ретранслятора.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является способ испытаний газожидкостной системы терморегулирования, изложенный на стр. 114-115 (в подразделе 7.2). 14-17 монографии: О.Б.Андрейчук, Н.Н. Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1962 г.

По известному способа испытаний системы терморегулирования включают в работу ее электронасосный агрегат при напряжении питания 27 В, соответствующем напряжению питания в условиях орбитального функционирования (штатное напряжение питания), измеряют расход теплоносителя в полностью собранном замкнутом жидкостном тракте при полностью открытом клапане-регуляторе (в этом случае в условиях орбитального функционирования максимальные гидравлические потери и, следовательно, минимально возможный расход теплоносителя в жидкостном тракте) и соответствующий этому расходу перепад давлений на электронасосном агрегате; при этом измеренный расход теплоносителя должен быть не ниже требуемого расхода теплоносителя для обеспечения соответствующего теплового режима (т. е. для обеспечения нормальной работы) ретранслятора в условиях орбитального функционирования.

Как показал анализ, проведенный авторами, известный способ обладает существенными недостатками, а именно: вышеуказанный способ обеспечивает недостаточно высокую достоверность результатов испытаний, например, в случае, когда к жидкостному тракту системы терморегулирования не подключен жидкостный тракт полезной нагрузки – ретранслятора, а система терморегулирования в процессе начального этапа изготовления спутника испытывается на соответствие заданным требованиям, например, по расходу теплоносителя; и по результатам этих испытаний нельзя утверждать, что расход теплоносителя будет не ниже требуемого и при подключенном на заключительном этапе испытаний спутника жидкостном тракте полезной нагрузки, т.к. гидравлические потери с подключением жидкостного тракта полезной нагрузки существенно возрастают и расход теплоносителя при этом в системе уменьшится и может оказаться ниже допустимого.

В настоящее время необходимость устранения такого существенного недостатка известного способа актуальна – в последнее время в связи с широким развитием кооперации платформа изготавливается на одном предприятии, а полезная нагрузка – на другом предприятии, например, находящиеся в различных странах. При этом с целью существенного уменьшения затрат средств и сроков изготовления спутника полезная нагрузка и платформа на начальном этапе должны изготавливаться и испытываться одновременно и раздельно и из-за этого не представляется возможным испытать систему терморегулирования (входит в состав платформы) совместно с жидкостным трактом полезной нагрузки. В то те время и на начальном этапе изготовления спутника результатами испытаний системы терморегулирования должно быть гарантировано, что требуемый расход теплоносителя через полезную нагрузку будет обеспечен и при подключении ее к платформе на заключительном этапе изготовления (испытаний) спутника (системы терморегулирования), чего не обеспечивают известные способы испытаний.

Таким образом, существенными недостатками известного способа испытаний являются недостаточно высокая достоверность результатов испытаний и не обеспечение одновременного и раздельного изготовления платформы и полезной нагрузки и уменьшения затрат средств и продолжительности изготовления спутника.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что испытывают систему терморегулирования без жидкостного тракта полезной нагрузки, при этом изменяют перепад давлений на электронасосном агрегате до получения расхода теплоносителя в системе терморегулирования, равного требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки, дополнительно измеряют расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования и проверяют выполнение условия

где p₀ – перепад давлений на электронасосном агрегате при расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, равном требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки, Па;
измеренный расход теплоносителя в жидкостном тракте до изменения перепада давлений на электронасосном агрегате, см³/с, и соответствующий ему перепад давлений на электронасосном агрегате, Па:
измеренный расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования после изменения перепада давлений на электронасосном агрегате, см³/с;
P_пн – допустимые гидравлические потери в жидкостном тракте полезной нагрузки при требуемом расходе теплоносителя через него, Па.

что и являются, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

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.

На фиг. 1 – 3 изображены принципиальные схемы и диаграмма реализации предлагаемого технического решения, например,:
1 вариант ( фиг. 1 без учета поз. 14 ) – с помощью реостата, подключенного в цепи питания электронасосного агрегата, уменьшают напряжение питания его по сравнению с штатным напряжением питания и тем самым изменяют (уменьшают) перепад давлений на электронасосном агрегате до получения расхода теплоносителя в системе терморегулирования, равного требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки;
2 вариант ( фиг. 1 с учетом поз. 14 ) – с помощью клапана-регулятора (позиция 14 на фиг.1, нарисованная пунктирными линиями) по байпасной магистрали перепускают часть расхода теплоносителя из жидкостного тракта после выхода электронасосного агрегата в жидкостный тракт перед его входом и тем самым изменяют (уменьшают) перепад давлений на электронасосном агрегате до получения расхода теплоносителя в системе терморегулирования, равного требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки.

Следует отметить, что перепады давлений на электронасосном агрегате для вариантов 1 и 2 при требуемом (одном и том же) расходе теплоносителя в жидкостном тракте, будут различны, т.к. собственно через электронасосный агрегат обеспечиваются при этом различные расхода теплоносителя (см. фиг. 1).

На фиг. 1 : 1 – жидкостный тракт системы терморегулирования; 2 – электронасосный агрегат; 3 – измеритель перепада давлений на электронасосном агрегате; 5 – теплообменник; 6 – клапан-регулятор; 7 – радиатор (теплообменный агрегат); 8 – компенсатор объема; 9 – измеритель расхода теплоносителя в жидкостном тракте, состоящий из трубки Вентури 9.1 и датчика перепада давлений 9.2; 10 и 11 – разъемы гидравлические; 14 – байпасная магистраль с клапаном-регулятором – только для второго варианта реализации способа испытаний.

На фиг. 2 : 4 – жидкостный тракт полезной нагрузки-ретранслятора; 12 и 13 – разъемы гидравлические.

На фиг. 3, где на диаграмме изображены гидравлические характеристики электронасосного агрегата 5 и 6 (5 – расходно напорные (P) характеристики при штатном напряжении питания 27 В, которые измеряются при изготовлении собственно электронасосного агрегата, а также, например, 6 – при напряжении питания 23 В ) и жидкостного тракта системы терморегулирования 7 и 8 ( 7 – зависимость гидравлических потерь (P) в жидкостном тракте системы терморегулирования от расхода теплоносителя в нем с подключенным и 8 – без подключенного к нему жидкостного тракта полезной нагрузки) при их совместной работе в процессе предложенного способа испытаний:
расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования без подключенного жидкостного тракта полезной нагрузки и соответствующий ему перепад давлений на электронасосном агрегате при штатном напряжении питания U = 27 В (рабочая точка 1);
расход теплоносителя в жидкостном тракте СТР без подключенного жидкостного тракта полезной нагрузки, равный требуемому через жидкостный тракт полезной нагрузки и соответствующий ему перепад давлений на электронасосном агрегате, например, при напряжении питания U = 23 В (рабочая точка 2);
P₀ – перепад давлений на электронасосном агрегате при штатном напряжении питания U = 27 В, обеспечиваемый им при требуемом расходе теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки в случае подключения его к жидкостному тракту системы терморегулирования (рабочая точка 0);
P_пн – гидравлические потери в жидкостном тракте полезной нагрузки при требуемом расходе через него: P_пн = P₃–P₂ (см. рабочие точки 3 и 2);
точка 4 – совместная рабочая точка электронасосного агрегата и жидкостного тракта системы терморегулирования в случае подключения к нему жидкостного тракта полезной нагрузки, при которой конкретный электронасосный агрегат (например, с нарисованной на диаграмме расходно-напорной характеристикой) при штатном напряжении питания U = 27 В в жидкостном тракте системы терморегулирования обеспечивает действительный расход теплоносителя больший, чем требуемый
Предлагаемый способ испытаний системы терморегулирования включает в себя нижеуказанные операции, выполняемые в следующей последовательности (см. фиг. 1 и 3 – диаграмму) :
1. Включают в работу электронасосный агрегат 2 при штатном напряжении питания 27 В.

2. Клапан-регулятор 6 открывают полностью и весь поток теплоносителя направляется через радиатор 7 (при этом в жидкостном тракте системы терморегулирования максимальные гидравлические потери при орбитальном функционировании спутника).

3. Измеряют расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования () и соответствующий ему перепад давлений на электронасосном агрегате между его выходом и входом (P₁) по показаниям измерителей расходе теплоносителя 9 и перепада давлений на электронасосном агрегате 3 ( т.к. в составе системы терморегулирования отсутствует жидкостный тракт полезной нагрузки, измеренный расход теплоносителя (например, 130 см³/c) будет намного выше требуемого (например, не менее 90 см³/с), но это не означает, что расход теплоносителя будет не ниже или равно требуемому и при подключенном к системе терморегулирования жидкостном тракте полезной нагрузки).

4. Изменяют перепад давлений на электронасосном агрегате 2 до получения расхода теплоносителя в системе терморегулирования, равного требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки 4, и измеряют его, с помощью измерителя расхода теплоносителя 9 – перепад давлений на электронасосном агрегате изменяют:
1 вариант (фиг. 1 без учета поз. 14) – с помощью реостата уменьшают напряжение питания электронасосного агрегата по сравнению с штатным напряжением питания, например, до 23 В;
2 вариант (фиг. 1 с учетом поз. 14 ) – с помощью клапана-регулятора (позиция 14 на фиг. 1, нарисованная пунктирными линиями) по байпасной магистрали перепускают часть расхода теплоносителя из жидкостного тракта после выхода электронасосного агрегата в жидкостный тракт перед его входом (частично открыв упомянутый клапан-регулятор, например, на 10%).

5. Определяют гидравлические потери в жидкостном тракте системы терморегулирования (P₂) при расходе теплоносителя в нем, равном требуемому расходу теплоносителя в жидкостном тракте полезной нагрузки , по соотношению (как для первого варианта, так и для второго варианта):

Указанное соотношение получено авторами на основе анализа работы жидкостного тракта системы терморегулирования и используя формулу Дарси-Вейсбаха для гидравлических потерь P:
P = кW²/2.
где к – коэффициент гидравлических потерь в жидкостном тракте;
плотность теплоносителя;
W – скорость теплоносителя в жидкостном тракте.

6. Проверяют выполнение условия (см. диаграмму)

где P₀ – перепад давлений на электронасосном агрегате при расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, равном требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки (согласно расходно-напорной характеристике электронасосного агрегата при штатном напряжении питания 27 В, определенной при изготовлении его), Па;
измеренный расход теплоносителя в жидкостном тракте до изменения перепада давлений на электронасосном агрегате, см³/с, и соответствующий ему перепад давлений на электронасосном агрегате, Па;
измеренный расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования после изменения перепада давлений на электронасосном агрегате, см³/с;
P_пн – допустимые гидравлические потери в жидкостном тракте полезной нагрузки при требуемом расходе теплоносителя через него (например, не более 20000 Па), Па.

Если вышеприведенное условие выполняется, то это означает, что система терморегулирования удовлетворяет заданным требованиям, т.е. она будет обеспечивать расход теплоносителя не ниже требуемого расхода и при подключенном к жидкостному тракту системы терморегулирования на заключительном этапе испытаний спутника жидкостном тракте полезной нагрузки (см. фиг. 3 – диаграмму), и платформа допускается к дальнейшим изготовлению и испытаниям (параллельно в это время на другом предприятии продолжается изготовление полезной нагрузки-ретранслятора).

Таким образом, предложенное авторами техническое решение однозначно повышает достоверность результатов испытаний системы терморегулирования и одновременно позволяет параллельное (одновременное) раздельное изготовление платформы и полезной нагрузки, уменьшая затраты средств и цикл изготовления спутника, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которой будет изготавливаться система терморегулирования для вновь создаваемого связного спутника.

Формула изобретения

Способ испытаний системы терморегулирования, включающий измерение расхода теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования и перепада давлений на электронасосном агрегате между его входом и выходом, отличающийся тем, что испытывают систему терморегулирования без жидкостного тракта полезной нагрузки, при этом изменяют перепад давлений на электронасосном агрегате до получения расхода теплоносителя в системе терморегулирования, равного требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки, дополнительно измеряют расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования и проверяют выполнение условия

где P₀ – перепад давлений на электронасосном агрегате при расходе теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, равном требуемому расходу теплоносителя через жидкостный тракт полезной нагрузки, Па;
измеренный расход теплоносителя в жидкостном тракте до изменения перепада давлений на электронасосном агрегате, см³/с, и соответствующий ему перепад давлений на электронасосном агрегате, Па;
измеренный расход теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования после изменения перепада давлений на электронасосном агрегате, см³/с;
P_пн – допустимые гидравлические потери в жидкостном тракте полезной нагрузки при требуемом расходе теплоносителя через него, Па.

РИСУНКИ