Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы обеспечения теплового режима космических аппаратов 14
1.1. Системы терморегулирования 14
1.2. Обзор характерных компоновок конструкций систем терморегулирования 26
1.3. Перспективы развития систем терморегулирования 34
1.4. Анализ существующих методов расчета СТР 41
1.5. Внешние источники тепла и основные задачи расчета 43
1.6. Математические модели внешнего теплообмена космического аппарата 48
Выводы по главе 63
Глава 2. Моделирование систем терморегулирования 64
2.1. Анализ существующих методов проектирования систем терморегулирования 64
2.2. Методы оптимизации систем терморегулирования 64
2.3. Тепловые схемы космических аппаратов 68
2.4. Моделирование подсистемы регулирования температуры 70
Оыводы по главе 76
Глава 3. Расчет внешнего теплообмена 77
3.1. Орбита искусственного спутника земли 77
3.2. Внешние тепловые потоки ИСЗ 80
3.3. Расчет лучистых тепловых потоков для регулируемой радиационной поверхности 85
Выводы по главе 92
Глава 4. Конструкция отсека аппаратуры и алгоритм управления системы терморегулирования 93
4.1. Формирование расчетной модели 93
4.2. Алгоритм управления системы терморегулирования . 98
4.3. Расчетная схема 100
4.4. Математическое моделирование системы
терморегул ирования 103
Выводы по главе 111
ГЛАВА 5. Динамический анализ системы терморегулирования и переходных процессов канала регулирования : :112
5.1. Динамическое моделирование системы терморегулирования и определение параметров автоколебаний 112
5.2. Методы расчета переходных процессов 131
5.3. Динамический анализ контура регулирования
системы точной термостабилизации 146
5.4. Анализ полученных результатов 151
Выводы по главе 153
Заключение
- Обзор характерных компоновок конструкций систем терморегулирования
- Методы оптимизации систем терморегулирования
- Расчет лучистых тепловых потоков для регулируемой радиационной поверхности
- Алгоритм управления системы терморегулирования
Введение к работе
Создание высоконадежных и эффективных систем ракетной и ракетно-космической техники (РКТ), обеспечивающих по своим тактико-техническим характеристикам высокий уровень выполнения программ в экстремальных условиях, является неотъемлемой задачей повышения обороноспособности страны и дальнейшего освоения космического пространства. В настоящее время к ракетно-космическим модулям (РКМ) предъявляются все более высокие требо-. вания по параметрам, условиям работы и надежности при широком спектре выполняемых программ /1,19,42,43,49/. Решение поставленных задач предопределяет необходимость дальнейшего совершенствования теории процессов, протекающих в системах подачи РКМ, что повышает качество проектирования, ускоряет отработку и сдачу более совершенных образцов РКТ в эксплуата-цню/52,57,59,66,67,76,83/.
Процесс проектирования КА - это путь компромиссных решений между разнохарактерными по решаемым задачам направлениями общего процесса проектирования при выполнении единой цели создания оптимального проекта. Тепловое проектирование аппарата - неотъемлемая часть общего процесса проектирования, его обязательная составляющая и важнейший вид инженерной -деятельности при разработке КА/56,68,69/.
Основной задачей этого направления проектирования является обеспечение температурных режимов бортового радиотехнического комплекса (БРТК), отдельных функциональных приборов, различных электромеханических устройств, больших пространственных конструкций, антенно-фидерных устройств (АФУ) и т.п. Их нормальное функционирование и выходные параметры, а также надежность и ресурс работы во многом определяются температурными условиями, при которых эти устройства выполняют свои функции. Большой объем и, зачастую, противоречивость температурных требований, обязательных к реализации в процессе проектирования, обуславливают особую значимость те-
плового проектирования и взаимной увязки тепловых аспектов с общими задачами проектирования КА/79/.
КА, находящийся вне пределов атмосферы планеты, является автономным объектом, распределение температур в котором определяется полем внешних тепловых потоков, свойствами поверхности аппарата, ориентацией его в пространстве (в космосе одна и та же поверхность, ориентированная по-разному относительно поля, внешних тепловых потоков, будет иметь разную температуру), энергопотреблением бортовой аппаратуры, тепловыми связями в аппарате и рядом других факторов. Вместе с тем многие элементы и приводы аппарата работоспособны в строго определенных диапазонах температур. Поэтому современный КА немыслим без специальной бортовой системы - системы обеспечения теплового режима (СОТР)/82,87,103/.
Экспериментальная отработка требует создания уникальной экспериментальной базы, поэтому их отработка при натурных испытаниях связана со значительными материальными затратами, поэтому расчетно-теоретические методы анализа и проверки теплового режима и эффективности СОТР играют весьма важную роль в решении задачи обеспечения теплового режима КА.
В орбитальном полете КА находится под воздействием большого числа дестабилизирующих факторов, влияющих на его тепловой режим, а именно: временная и количественная неравномерность внешнего теплообмена, временная и количественная неравномерность внутренней тепловой нагрузки, определяемой программой работы БРТК и ее целевой направленности. В этих условиях обеспечение требуемых температурных условий представляет собой сложную научно-техническую задачу и ее решение возлагается на сервисную систему - систему терморегулирования (СТР), которая включает в себя большой набор терморегулирующих мероприятий и теплозащитных мер единой целевой направленности.
Практика создания высокоэффективных систем регулирования теплового режима помимо использования новых принципов, новых материалов, новых физических эффектов и других новых решений, определяющих общую струк-
туру создаваемой системы, включает выбор наилучшего сочетания значений параметров системы (геометрических размеров, энергетических характеристик, режимных параметров и т.п.)/51/. В процессе проектирования подобных систем необходимо учитывать и такие факторы, как возможность практической реализации элементов, входящих в структуру системы, наличие элементов в серийном производстве, высокую степень надежности, их стоимость /3,11,16,19,21, 97,98/.
Особенности теплообмена в космическом пространстве не позволяют использовать для обеспечения теплового режима готовые, апробированные в земных условиях технические решения. Развитие космической техники обусловлено качественным отличием каждой новой серии аппаратов от предыдущей, что не дает в полной мере воспользоваться ранее разработанными решениями без оценки их достаточности. Трудности же, а иногда и невозможность воспроизведения условий теплообмена КА во время полета при испытаниях в земных условиях делают часто расчет единственным средством получения информации о распределении температур по элементам КА. Например, на теплообмен в объемах жидкости или газа в земных условиях влияет естественная конвекция, которая отсутствует во время эксплуатации К А, если в нем не создается искусственная тяжесть/78,95/.- Сложно воспроизвести поля внешних тепловых потоков в установках, имитирующих внешний теплообмен в космическом пространстве/25,26/. Эти трудности усугубляются еще и тем, что для любого КА характерно большое количество вариантов условий внешнего теплообмена.
Тепловое проектирование подобных систем должно проводиться на основе математического моделирования системы терморегулирования и процессов теплообмена КА с определенной степенью детализации, зависящей от поставленной задачи исследования/22,23,38/. С этой целью в соответствии с агрегатным принципом в структурной схеме КА выделяются характерные агрегаты, выполняющие определенные функции и для них после анализа особенностей процессов и условий взаимосвязи с учетом поставленной задачи исследований
строится математическая модель процесса теплообмена КА и регулирования температурного режима/53,70,71,74/.
Очевидно, что разные задачи, поставленные перед тепловыми расчетами, требуют различных математических моделей /85,88/. Например, математическая модель, предназначенная для прогнозирования теплового режима в процессе эксплуатации КА, должна наиболее полно рассматривать процессы теп-- лообмена. Модель же для проведения расчетов с целью выбора средств СОТР должна быть по возможности простой, учитывающей только главные тепловые связи. Она призвана помочь быстро оценить большое количество вариантов СОТР. Таким образом, степень сложности математической модели зависит от содержания поставленной задачи/108/.
Анализ таких сложных систем известными методами гармонического баланса, широко применяющегося в инженерных расчетах нелинейных систем, или методами Z-преобразований для импульсных систем /96,100,101,104, 109,111/ вызывает дополнительные осложнения, возникновение которых почти невозможно предвидеть. Известно, что точность приближенного описания при решении на ЭВМ является функцией шага квантования (интегрирование исходных уравнений), выбранного для приближенного выражения системы /90,96/. Фактическое определение величины шага связано с большими трудностями. Очевидно, что в сложных системах переходные процессы в значительной мере зависят от величины управляющих и возмущающих воздействий. Таким образом, можно ожидать, что выбор размера шага будет определяться вообще локальным усилением или локальной постоянной Липшица. При использовании переменного размера шага необходимо использование программ интегрирования, которые могут регулировать размер своего шага в соответствии с оценками местных ошибок, однако в этом случае машинное время, а, следовательно, стоимость анализа оказываются чрезвычайно большими, что экономически нецелесообразно при инженерном анализе большого числа различных " вариантов системы.
При размещении бортовой аппаратуры в КА при выполнений различных .задач возможны два варианта. В первом случае бортовая аппаратура располагается внутри КА в герметичном контейнере, что позволяет использовать высокоточную аппаратуру с определенным диапазоном работоспособности. Во втором случае применяется бесконтейнерный вариант, т.е. бортовая аппаратура расположена непосредственно на рамах и корпусе КА, что позволяет вырабатывающееся тепло бортовой аппаратуры отводить непосредственно в космическое пространство. Однако, для использования особо чувствительных приборов бесконтейнерный вариант непригоден, т.к. данная аппаратура работоспособна лишь в определенном, как правило, узком температурном диапазоне.
Выбран контейнерный вариант обеспечения теплового режима бортовой аппаратуры для особо точных приборов с заданным диапазоном температурного режима t ±0,5 С.
1 1> /ял/
Исходя из вышеизложенного, для анализа систем терморегулирования космических аппаратов с высокой степенью стабилизации температурного режима БРТК в представленной работе использован частотный метод анализа, как наиболее информативный, и позволяющий с помощью логарифмических частотных характеристик при выборе оптимального варианта СТР и анализе ее особенностей при относительно небольшой трудоемкости с сохранением достаточной точности расчетов определить статическую и динамическую точность регулирования, запас устойчивости СТР, параметры вынужденных колебаний и качество переходного процесса.
Актуальность работы: задача динамического анализа СТР КА и оптимизации работы является актуальной, так как предполагает определение основных параметров системы терморегулирования до натурных испытаний и дает возможность уменьшения материальных затрат и времени разработки.
Целью данной работы Создание особо точной системы терморегулирования гермоотсека в диапазоне ±0,5С с учетом конструктивных особенностей космического аппарата с длительным ресурсом работы.
Научная новизна и практическая ценность: Разработаны математические модели внутреннего и внешнего теплообмена гермоотсека с учетом особенностей конструктивного исполнения космического аппарата. Проработана методика применения частотного метода расчета переходных процессов для анализа -процессов теплообмена в системе терморегулирования космического аппарата.
На основе результатов экспериментально-теоретических исследований разработано программное обеспечение по расчету динамических характеристик системы терморегулирования заданного диапазона отклонения температуры в герметичном отсеке космического аппарата.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических исследований, методики и программы расчета динамических характеристик системы терморегулирования космического аппарата использованы в разработках НПО Прикладной механики им.акад. М.Ф. Решетнева и в учебном процессе Сибирского государственного аэрокосмического университета им.акад. М.Ф. Решетнева.
Исследования проводились в соответствии с тематикой НИР, являющейся составной частью ряда важнейших научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных согласно постановлений Правительства и планов соответствующих министерств, что определило практическую направленность работ и использование результатов в работах по тематикам «Контур-Д», «Ураган», «Муссон».. Значительная часть исследований проводилась в рамках работ поддержанных программами Минобразования РФ и грантами КФФИ: тема №158 (1988-1992гг) «Контур-Д» «Расчет температурного режима автономных замкнутых систем», №1К.38 «Ураган» (1989-1992гг) номер гос.регистрации Х-63617 «Разработка математической модели и исследование динамических процессов системы терморегулирования», 1К.49 «Муссон» (1992-1994гг) № гос. регистрации 01.90.0011793 «Выбор алгоритма, разработка "математической модели и исследование динамических процессов в подсистеме точного регулирования отсека аппаратуры БСУ», №1К.П (1991-1992гг.) «Расчетный анализ и уточнение (выбор) параметров подсистемы жалюзи СТР для минимизации влияния на точность стабилизации температур, изготовление со-
гласующего устройства стенда», Грант Красноярского Краевого Фонда науки №3/27 1993 г «Разработка математической модели и исследование динамических процессов системы терморегулирования КА».
Апробация работы. Основные результаты докладывались на следующих конференциях и совещаниях:
Международной конференции «Космонавтика XXI век», Москва, 1991;
Международной научно-технической конференции «Спутниковые системы связи в навигации», Красноярск, 1997;
Международной научно-технической конференции «САКС-2001», Красноярск, 2001;
Международной научно-технической конференции «САКС-2002», Красноярск, 2002;
- Научно-технических семинарах кафедры «Двигатели летательных аппа
ратов» СибГАУ, 2000-2003гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в которых отражены полученные результаты.
На защиту выносятся: Оптимизация работы и динамический анализ системы терморегулирования космического аппарата на основе принципов исследования в теории автоматического регулирования, которые позволяют на необходимом качественном уровне решать задачи выбора алгоритма управления, основных параметров контура регулирования и обеспечивать теоретические и экспериментальные исследования динамики элементов системы терморегулирования и системы в целом с учетом особенностей конструкции космического аппарата и заданных значений регулирования температуры в диапазоне ±0,25С.
В соответствии с этой целью были решены следующие задачи:
разработаны математические модели внешнего и внутреннего те-плообменов термоконтейнера с учетом теплообмена КА в целом;
разработана методика расчетных исследований динамических процессов в СТР КА.
Таким образом, показано, что целесообразно проводить анализ и синтез одноконтурных нелинейных дискретных систем терморегулирования КА с помощью логарифмических амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик с учетом технических условий и ограничений, заданных на систему.
Личное участие. Все основные результаты получены лично автором, результаты, полученные другими исследователями, а также результаты совместных исследований с соавторами отмечаются в тексте и снабжены ссылками на соответствующие источники.
Обзор характерных компоновок конструкций систем терморегулирования
Существующие СТР отличаются многообразием технических решений в зависимости от поставленных задач, требований эксплуатации, условий работы. Общим для любых устройств, предназначенных для обеспечения теплового режима К А, являются требования надежного съема, передачи и сброса излишней энергии с минимальными затратами в течение всего периода эксплуатации КА. Сложность поддержания требуемой температуры заключается в автономном эксплуатационном режиме, наличии пульсирующих тепловых нагрузок больших расстояний теплопередачи, деградации поверхностей радиаторов, сложности алгоритма регулирования, воздействии внешних и внутренних возмущающих факторов. Исходя из методов поддержания требуемого теплового режима, СТР подразделяются на два основных типа - пассивные и активные системы, имеющие свои достоинства и недостатки.
Пассивные системы терморегулирования.
Наиболее простыми и, обладающими минимальной массой системами, являются пассивные системы терморегулирования /2,42/, в которых съем, отвод и сброс излишней энергии производится без использования механических средств.
Одним из примеров пассивной системы является не автоматизированная пассивная электрическая система обогревателей гасителей мощности /79/. Сложность организации автономного терморегулирования каждого отдельно взятого отсека вызывает необходимость усреднения температуры всех отсеков, что обеспечивается соединением отсеков при помощи платформы, окрашенной черной теплопроводящей краской.
Терморегулирование данного КА обеспечивается, в значительной степени, подсистемой электроснабжения. Избыточная мощность электроэнергии, возникающая при работе без нагрузки радиоизотопного термоэлектрического генератора, передается к внешним и внутренним системам гасителей мощности, имеющих определенную емкость мощности. В случае переохлаждения системы, включается обширная цепь обогревателей, расположенных в различных точках КА, теплопроводность конструкций улучшена при помощи алюминиевой ленты. Для того, чтобы избежать потери тепла, излучаемого маломощными обогревателями, и устранить влияние внешних тепловых потоков, отсеки теплоизолируются, а избыток тепла сбрасывается в окружающее пространство при помощи теплообменников, выполненных из алюминия и связанных с отдельными блоками отсеков КА.
Специально составленная программа исследует по телеметрическим данным состояние блоков с возможностью проведения регулировки и дает для каждого конкретного случая приемлемую регулировку. Отсутствие связи с Землей в течение длительного периода приводит к накоплению погрешности регулирования, которая может привести к аварийным режимам. Еще одним из главных недостатков является сложность поддержания требуемого теплового режима маломощной системой обогревателей/гасителей мощности/22/.
Еще один из вариантов пассивных систем терморегулирования основывается на надежной термоизоляции отсеков с оборудованием от внешнего теплового воздействия и компенсации внешних и внутренних температурных отклонений путем управляемого рассеивания тепла тепловыми матами, установленными внутри отсеков, регулируемого с помощью замкнутой системы с обратной связью, при использовании бортовой ЭВМ /24/. Сброс избыточной тепловой энергии, выделяемой работающим бортовым оборудованием, осуществляется при помощи радиаторов. Особенностью данной СТР является осреднение температуры отсеков за счет теплопроводности алюминиевой платформы, на которой установлены нагреватели и равномерным тепловым излучением с поверхностей платформы. Данный вариант СТР предполагает, что если внутренние поверхности отсеков будут иметь заданную температуру, то элементы внутри отсека будут также иметь заданную температуру при отсутствии пиковых внутренних возмущений. Теплорассеивающая платформа выбирается исходя из максимальной величины отношения теплопроводности к плотности. Предпочтительными материалами являются алюминий и бериллий, но чаще используется алюминий, исходя из сложности обработки бериллия в ввиду его токсичности.
Для любой СТР необходимо обеспечение надежного теплосъема, поэтому в системах с пассивным терморегулированием, в настоящее время наиболее широко применяемым методом теплосъема от теплоизлучателей является метод с проводимостью через, так называемый, стык с "мокрым" соединением к тепло рассеивающим поверхностям. "Мокрые" соединения обычно содержат не наполненную термоэластичную смолу, такую как RTV 556 или проводящие прокладки, такие как "SIGRAFLEX" /79,129/.
Помимо вышеперечисленных устройств и конструкций пассивных систем терморегулирования, для обеспечения передачи и съема тепла, используют тепловые трубы с постоянной проводимостью (рис. 1.7), позволяют осуществлять съем тепла большой мощности с передачей для утилизации на значительные расстояния. Однако, дополнительные особенности, связанные с трудностью изготовления вырабатыванием неконденсируемого газа, микроповреждениями метеоритами, вынуждают отказываться от их применения на КА/126,129/. Тепловые трубы постоянной проводимости применялись в ряде космических программ (ATS-6, MARCES-A, "OLIMPUS", TV-SAT, RCA/STC-DBS). Несмотря на то, что данное устройство для передачи и рассеивания тепловой энергии прошло успешные испытания, оно еще не нашло широкого применения в СТР современных КА и, следовательно, относится к разделу перспективных/38,44,100/.
Развивая подход к проектированию и анализу пассивных СТР, рассмотрим радиационное охлаждение, основанное на использовании зеркального конусного канала с высокой степенью отражения, который направляет линии излучения от охлаждаемого участка поверхности в низкотемпературные области окружающего пространства.
Методы оптимизации систем терморегулирования
Оптимальное проектирование СТР в составе КА должно основываться на анализа и сравнении всех допустимых вариантов системы на всех режимах полета, что может быть проведено только с использованием САПР. По сравнению с традиционными методами проектирования такой подход позволяет увеличить объем исследований, сократить сроки проектирования, более обоснованно выбрать параметры СТР и улучшить массоэнергетические характеристики.
Таким образом, актуальной является задача разработки методов оптимизации проектных параметров СТР в составе КА с использованием ЭВМ. Критерием оптимальности при этом является минимизация тех характеристик К А, которые определяются установкой и функционированием на его борту агрегатов и элементов СТР.
Методы оптимизации систем терморегулирования
Практика создания высокоэффективных систем регулирования теплового режима, помимо использования новых принципов, новых материалов, новых физических эффектов и других новых решений, определяющих новую структуру создаваемой систем (геометрических размеров, энергических характеристик и т.п.) поскольку изменение параметров (при фиксированной общей структуре или компоновки) могут существенно влиять на показатели эффективности.
При автоматизированном проектировании с использованием ЭВМ, испытания вариантов могут осуществляться не на самом объекте (что требует организации дорогих натуральных экспериментов), а путем анализа его математической модели /70,71,89/ для различных значений параметров. Усложнение математических моделей, сопровождающее осложнение создаваемых систем приводит к резкому увеличению трудоемкости оценки их характеристик на основе анализа модели. Главным (и зачастую единственным) инструментом такой оценки становится вычислительный эксперимент. Это повышение сложности приводит к необходимости целенаправленного выбора вариантов в процессе поиска оптимального (наиболее эффективного) решения/13,14,111/.
Существо целенаправленного выбора состоит в том, чтобы на основе анализа небольшой части вариантов исключить из дальнейшего рассмотрения многие заведомо не перспективные случаи и сосредоточить дальнейший поиск в подмножестве, содержащем лучший вариант. Различные математические схемы такого целенаправленного выбора основаны на гипотезе, что можно приблизиться к лучшему варианту путем последовательных малых изменений текущего варианта. При этом поиск малого улучшения может осуществляться на основе небольших вариаций параметров/9/.
Усложнение процессов, протекающих в системе, ее многофункциональность и разнообразие возможных случайных воздействий на систему могут привести к тому, что характеристики эффективности не будут соответствовать требуемым и это обусловит недостаточность методов локального поиска для оценки наилучшего варианта. Недостаточность проявляется в том, что любое локальное изменение текущего варианта не обеспечивает улучшения либо в силу попадания в локальный оптимум, когда для улучшения необходимо значительное изменение, либо в силу того, что область работоспособны вариантов, определяемая ограничениями на некоторые характеристики системы (по массе, габаритам, энергопотреблению и т. д.) состоит из нескольких несвязных частей и локальные изменения параметров недостаточны для перехода из одной части в другую. условиях, приближенных к действительным изменениям тепловых нагрузок на систему, учесть распределенность по поверхности радиационного теплообменника внешнего теплового потока и следовательно, получить реальные температуры теплоносителей и теплообменных поверхностей в различных - точках системы.
Наиболее распространенным в практике проектирования является метод построения математической модели нестационарного функционирования СТР на основе метода узлов. Разбиение на изотермические узлы зависит от постановки задачи исследования, структуры системы и необходимой точности получаемых результатов, которую можно оценить по имеющимся разработкам/43,61,63/.
Следует отметить, что в результате динамической оптимизации проектных параметров СТР совместно с параметрами и законами регулирования, помимо оптимальных параметров СТР, можно получить оптимальный закон регулирования.
Тепловые схемы космических аппаратов
В процессе проектирования КА для него может быть предложено несколько вариантов тепловых схем /43/. На рис.2.1. представлены функциональные схемы возможных вариантов тепловой схемы КА, находящегося на орбите искусственного спутника Земли.
В первом варианте (рис.2.1а) тепловой режим предлагается обеспечивать подбором оптических коэффициентов для внешних, поверхностей КА, однако в этом варианте отсутствует возможность регулирования температуры, поэтому диапазон допустимых изменений внешних и внутренних тепловых нагрузок, при которых обеспечивается требуемый тепловой режим, у та кого варианта наименьший
Расчет лучистых тепловых потоков для регулируемой радиационной поверхности
В качестве примера рассмотрим изделие со следующими параметрами. Внутренний объем изделия разделен на 9 секторов (рис.4.1.)/75/. Весь комплект приборов блока системы управления (БСУ) закреплен на приборной раме и расположен в отдельном отсеке, отгороженном от других отсеков перегородками, теплоизолированными поропластом толщиной 20 мм. Отсек БСУ имеет автономный контур терморегулирования.
Для поддержания требуемой температуры Т=(25±1) С в отсеке БСУ применена активная одноконтурная газовая система терморегулирования (СТР).
Тепло, снятое газом от прибора, переносится газом к внутренней стенке цилиндрической вставки термоконтейнера (ГК), часть наружной поверхности которой используется как излучающий радиатор. Остальная часть ГК теплоизолирована экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ).
Для регулирования величины отводимого теплового потока от изделия .предусмотрены две различные системы, которые могут работать как самостоятельно, так и совместно.
Основная система предназначена для изменения температуры газа, циркулирующего внутри отсека путем включения- выключения секций электрообогревателей (ЭО). Площадь радиационной поверхности и ее расположение на изделии выбраны таким образом, что отвод тепла от изделия в окружающее пространство идет интенсивнее, чем теплоподвод от работающего
Резервная система осуществляет регулирование теплового состояния отсека БСУ за счет изменения эффективной площади излучения радиационной поверхности путем изменения углового положения створок жалюзи относительно изделия. Створки жалюзи имеют сдублированный электропривод, работой которого управляет блок управления системы терморегулирования (БУСТР) в соответствии с алгоритмом управления, заложенным в его программное обеспечение. Створки жалюзи представляют собой плоский каркас, на котором закреплена ЭВТИ. Максимальный угол раскрытия жалюзи равен 100. Зазор между створками жалюзи в закрытом положении не более 7 мм.
Кроме того, предусмотрен вариант совместной работы этих систем, когда поддержание требуемого температурного диапазона в отсеке осуществляется за счет изменения числа включенных секций ЭО при фиксированной либо переменной площади радиационной поверхности.
Вентилятор с электропроводом создает искусственную конвекцию газа в отсеке БСУ. Газ циркулирует в отсеке по контуру: вентилятор - канал между газоводом и стенкой ТК - прибор - вентилятор (рис.4.2). Расход газа в контуре V = 90 л/с при напоре 5,5 кгс/м .
Приборы БСУ расположены на приборной раме таким образом, что давление газа за каждым прибором при его обтекании выравнивается. Это позволяет сделать вывод о равных условиях обтекания и, следовательно, - о равных условиях теплообмена между приборами и газом.
Цилиндрическая вставка ГК выполнена из сплава АМгб толщиной 2 мм и имеет коэффициент теплопроводности X - 100 Вт/м К. радиационная поверхность имеет коэффициент черноты є 0,83 и коэффициент поглощения относительно солнечного излучения As 0,32. степень черноты внутренней поверхности цилиндрической вставки ГК є 0,85. Расположение регулируемой и нерегулируемой радиационных поверхностей показано на рис.4.3.
Газовод цилиндрической формы выполнен из сплава Амгб толщиной 1мм (рис.4.4) и образует канал переменного сечения (минимальная высота 17±1 мм, максимальная - 50мм). Газовод начинается от шпангоута нижнего днища и не доходит до шпангоута верхнего днища, образуя зазор шириной 100 мм.
На поверхности газовода со стороны приборов в зоне зазора 50мм с отступлением от края газовода 100 мм установлены 20 секций электронагревателей по 7,5 Вт каждая.
Секции электрообогревателей равномерно размещены поперек газовода. Нумерация секций ЭО принята от входа в приборный отсек к узкой части газовода. Конструктивно секция ЭО выполнена следующим образом.
На газовод наклеен один слой стеклоткани, на который уложена никелевая лента, являющаяся нагревательным элементом. Сверху лента закрыта одним слоем стеклоткани. Секции установлены с небольшим зазором между ними для предотвращения короткого замыкания.
Коэффициент теплоотдачи воздуха в газоводе а=21 Вт/м К в сечении высотой 17 мм и а=10 Вт/м" К - в сечении высотой 50 мм. Степень черноты газовода со стороны ГК є ОД. Масса газовода с электрообогревателями 4,038 кг.
Алгоритм управления системы терморегулирования
В соответствии с общей методологией оптимального проектирования центральным является вопрос выбора критерия для оценки эффективности рассматриваемой системы. Источником для выбора соответствующих критериальных комплексов могут служить общие требования, предъявляемые к системам терморегулирования. Выбор критериев с учетом общих требований к системам терморегулирования неоднозначен. Вид конкретной задачи оптимизации систем терморегулирования определяется целью выбора конкретных параметров и требованиями к системе.
Анализ имеющихся работ показал, что при проведении процесса оптимизации возникают определенные трудности, которые часто не позволяют получить удовлетворительные результаты чисто математическим путем.
Возможны различные методы оптимизации систем терморегулирования /66-64/. Прежде всего, следует рассматривать статическую оптимизацию, связанную с выбором структуры системы из заданного дискретного множества и основных проектных параметров агрегатов, позволяющих провести оценку системы для соответствующего критерия качества. Ряд задач динамической оптимизации системы находится на более высоком и сложном уровне /63,86/.
Тепломассообменные процессы, протекающие в агрегатах и элементах систем, имеют сложный и существенно нестационарный характер. Для рационального выбора проектных параметров требуется разработка математических моделей структурно-математической оптимизации с учетом нестационарных режимов работы. Параметрическая надежность при проектировании может определяться не для всех параметров, а только для тех, которые определяют экономичность, точность и надежность работы системы. Поэтому задачей оптимизации является выбор и определение параметров системы терморегулирования, обеспечивающих высокую точность поддержания регу 126 лируемых параметров, высокую надежность и работоспособность объекта в целом с.длительным сроком службы.
Анализ функционирования СТР с многочисленными, случайно изменяющимися параметрами, приведенный выше, показывает, что при некотором сочетании теплофизических параметров могут возникать аварийные режимы работы. Поэтому оптимизация параметров системы заключается в определении условий работоспособности, устраняющие недопустимые отклонения регулируемой величины. Решение подобной задачи путем изменения характеристик канала управления позволяют компенсировать отрицательные воздействия на систему, вызванные случайным сочетанием параметров объекта и случайным характером возмущающих воздействий.
Алгоритм оптимизации и результаты численного эксперимента. Математическое описание на основе разработанной модели с пропорциональным законом регулирования, может быть представлено в виде:
Параметры объекта регулирования, входящие в систему уравнений (5.15) изменяются в определенных пределах и носят случайный характер в зависимости от деградации в процессе длительной эксплуатации, технологических неточностей и т.д.
Наиболее важными характеристиками системы регулирования температуры гермоотсека КА являются динамическая прочность или ошибка в поддержании температуры на заданном уровне при воздействии на нее управляющих и возмущающих факторов 0,, число включений привода жалюзи К и суммарное время работы привода жалюзи тт,.
Из решения системы уравнений (5.15) следует, что регулируемая величина 0, является функцией параметров объекта, конструктивных параметров канала регулирования, управляющих и возмущающих факторов. 0, = f{(cm)m,; (ст)гк; (ст)чэ; (cm),.; (aF)n/1; {aF)rK; (aF)t/3; b; TM ; Qm; С; mC\ Qm,} (5.16) Суммарное время работы привода жалюзи гш, и число включений К являются функциями тех же параметров.
При автоматизированном выборе оптимальных параметров канала регулирования СТР гермоотсека КА минимизация параметров 0,, К, тп1,, определяющих ресурс работы СТР, является математической моделью процесса выбора решения. .
Выбор варианта проектируемого объекта характеризуется выбором значения вектора конструктивных параметров Y = (Yr..Yn) канала регулирования СТР. Этими параметрами являются: шаг модулятора гЛ/, порог срабатывания системы С и порог отключения mC.
