Приборный отсек космического аппарата

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании искусственных спутников и других космических аппаратов. Известен приборный отсек (ПО) согласно изобретению по патенту RU 2319646 [1], который имеет электрогерметичный корпус, выполненный из сотопанелей.

Аппаратура ПО устанавливается на сотопанелях и размещается преимущественно внутри приборного отсека. Сотопанели имеют вентиляционные отверстия лабиринтного типа и технологические отверстия для ввода (вывода) конструктивных элементов: штанг, межблочных трубопроводов системы терморегулирования и системы коррекции, пучков кабелей и т.п. Зазоры между сотопанелями корпуса ПО, между ПО и термостатированной плитой полезной нагрузки, между краями технологических отверстий и указанными конструктивными элементами экранированы оптически непрозрачным элементом. Этот элемент выполнен из материала с электропроводящим слоем, обеспечивающим электрогерметичность ПО. В экранирующем элементе также выполнены вентиляционные отверстия лабиринтного типа.

Отвод продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов, расположенных внутри герметичного приборного отсека, через вентиляционные отверстия лабиринтного типа, размеры и количество которых задаются, позволяют контролировать процесс обезгаживания приборного отсека расчетно-аналитическим методом, что, в свою очередь, позволяет назначить режимы функционирования высоковольтной и высокочастотной аппаратуры, безопасные с точки зрения возникновения электрического пробоя.

Суммарная площадь вентиляционных отверстий, обеспечивающих достигаемый эффект, зависит от конструкционных и заранее отработанных эксплуатационных характеристик и определяется по формуле:

где Q - расход газа, вытекающего из-под головного обтекателя ракеты-носителя, м³/с;

V₁ - внутренний объем приборного отсека, не занятый аппаратурой, м³;

V₂ - внутренний объем головного обтекателя ракеты-носителя, м³;

µ - коэффициент расхода;

φ - коэффициент скорости;

ΔР - допускаемое избыточное давление в приборном отсеке, Па;

ξ - коэффициент сопротивления вентиляционного отверстия;

ρ - плотность газа, кг/м³.

Анализ конструкций современных мощных КА (выше 10 кВт) типа «Экспресс-АМ5» (например, выполненных на основе патента RU №2369537 [2]) показал, что внутри ПО расположены не только приборы полезной нагрузки и служебных систем, но и жидкостные тракты и емкости системы терморегулирования (СТР), заправленные рабочим телом - например, теплоносителем ЛЗ-ТК-2, и газожидкостные тракты и емкости (баки) системы коррекции (СК), заправленные, например, ксеноном, которые по данным изготовления имеют измеренную (допускаемую) негерметичность применительно к условиям эксплуатации на орбите, например, не более 0,1 л·мкм рт. ст./с.

Следовательно, после сброса обтекателя (снаружи ПО давление порядка (10^-2-10^-4) мм рт. ст.) в ПО поступают не только продукты газовыделения неметаллических конструкционных материалов, но и пары рабочих тел из трактов СТР и СК и общее давление в ПО создается под совместным воздействием вышеуказанных факторов, что не учитывает известного технического решения [1] - см. расчетную формулу (1), определяющую суммарную площадь вентиляционных отверстий, приведенную в формуле изобретения [1]: после сброса обтекателя числитель равен нулю, т.к. расхода газа, вытекающего из-под головного обтекателя ракеты-носителя, нет, т.е. формула (1) верна только для выбора суммарной площади вентиляционных отверстий только от момента старта КА до сброса головного обтекателя и применима только, как показал анализ, для маломощных КА (менее 5 кВт).

Проведенный авторами численный анализ на основе закона Пуайзеля (см. формулу (2) на листе 5) показал, что в случае для мощного КА суммарная потребная площадь вентиляционных отверстий должна быть не менее в 1,2-1,3 раза больше суммарной площади, определенной согласно формуле (1) известного технического решения [1].

Таким образом, нет высоконадежной гарантии, что выбранная согласно [1] суммарная площадь вентиляционных отверстий обеспечит требуемое избыточное рабочее давление в приборном отсеке при дальнейшей эксплуатации при совместном воздействии продуктов газовыделения и поступающих из трактов СТР и СК паров рабочих тел, что является существенным недостатком известного технического решения [1].

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается выполнением приборного отсека космического аппарата, содержащего электрогерметичный корпус, выполненный из сотопанелей с вентиляционными отверстиями, внутри которого преимущественно установлены приборы полезной нагрузки и служебных систем таким образом, что вентиляционные отверстия для отвода из приборного отсека в космическое пространство газов - продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов и допускаемых утечек рабочих тел из расположенных внутри корпуса трактов и емкостей служебных систем, выполнены с суммарной площадью, обеспечивающей допускаемое избыточное рабочее давление газов в приборном отсеке в течение всего срока эксплуатации космического аппарата: от момента старта до окончания требуемого срока эксплуатации на орбите.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом изобретении.

Принципиальная схема предлагаемого авторами приборного отсека космического аппарата изображена на фиг. 1, где: 1 - модуль полезной нагрузки (МПН); 1.1 - панель «+Z» МПН; 1.2 - панель «-Х» МПН, где установлены приборы СОС; 1.3 - панель «+Х» МПН; 1.6, 1.7 - раскрываемые панели радиатора; 1.8 - технологические отверстия; 1.9 - вентиляционные отверстия; 2 - модуль служебных систем (МСС); 2.1 - панель-основание «+Х» МСС; 2.2 - панель «-Х» МСС.

По предлагаемому авторами новому техническому решению после сброса головного обтекателя расчеты избыточного давления в ПО проводятся на основе закона Пуазейля (см., например, тексты на стр. 37, 38 и формулу (II.31) на стр. 37 кн.: «М. Девиен. Течения и теплообмен разреженных газов. Изд-во иностранной литературы. М., 1962») [4], на основе которого определяется суммарная потребная площадь вентиляционных отверстий с эквивалентным радиусом R:

где $$Q_{m.}^{\text{'}\Sigma }$$ - массовый расход газа через всю площадь всех вентиляционных отверстий, кг/с;

R - эквивалентный радиус сечения, соответствующий суммарной площади вентиляционных отверстий, м;

l - расстояние между двумя поперечными сечениями входа и выхода (длина) вентиляционных отверстий, м;

r₀ - газовая постоянная, Дж/кг·K;

Т - температура газа, K;

р₁ - давление на входе в вентиляционные отверстия, Па;

p₂ - давление на выходе из вентиляционных отверстий, Па.

$$K^{\text{'}}=\frac{1}{1+\frac{3}{8}\cdot \frac{l}{R}}$$ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние длины вентиляционного отверстия с эквивалентным радиусом R.

Таким образом, суммарную площадь вентиляционных отверстий определяют по формулам (1) и (2):

- если определенная согласно (2) суммарная площадь больше суммарной площади, определенной согласно (1), тогда в конструкции ПО выполняют вентиляционные отверстия с суммарной площадью, определенной согласно формуле (2);

- а если определенная согласно (2) суммарная площадь меньше суммарной площади, рассчитанной согласно (1), тогда в конструкции ПО выполняют вентиляционные отверстия с суммарной площадью, определенной согласно формуле (1).

Проведенный авторами численный анализ вновь разрабатываемого мощного космического аппарата показал, что в этом случае суммарная площадь вентиляционных отверстий определяется с учетом всех влияющих факторов высоконадежно, обеспечивая требуемое рабочее избыточное давление газа в ПО, гарантирующее нормальное функционирование приборов КА, установленных в нем, в течение всего срока эксплуатации на орбите, тем самым достигается цель изобретения.

Приборный отсек космического аппарата, содержащий электрогерметичный корпус, выполненный из сотопанелей с вентиляционными отверстиями, внутри которого преимущественно установлены приборы полезной нагрузки и служебных систем, отличающийся тем, что вентиляционные отверстия для отвода из приборного отсека в космическое пространство газов - продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов и допускаемых утечек рабочих тел из расположенных внутри корпуса трактов и емкостей служебных систем - выполнены с суммарной площадью, обеспечивающей допускаемое избыточное рабочее давление газов в приборном отсеке в течение всего срока эксплуатации космического аппарата: от момента старта до окончания требуемого срока эксплуатации на орбите.