Космический эксперимент по прецизионной термостабилизации квантовых стандартов частоты навигационных спутников

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) находят широкое применение в навигационном обеспечении транспортных средств различного класса: наземного, водного, воздушного, космического [1; 2]. Основой космических навигационных систем являются высокостабильные атомные стандарты частоты (АСЧ), формирующие высокоточную спутниковую шкалу времени и высокостабильную сетку частот, обеспечивающие выходные точностные характеристики навигационных спутников и космической системы в целом [3]. Изменение температурных условий эксплуатации АСЧ при его функционировании в

Бакиров М. Т., 2018

составе космического аппарата (КА) в течение суток и более приводят к уходу его опорной частоты, который, в первом приближении, пропорционален изменению температуры. Характеристикой такого ухода служит такой параметр, как температурный коэффициент частоты (ТКЧ) [1; 2].

В обеспечении высоких требований по стабильности АСЧ вклад ТКЧ становится превалирующим (до 1∙10–13 о.е./градус). На данное время обеспечение прецизионной термостабилизации существующего АСЧ находится на уровне ±(0,1:0,5) °С, доведение его до уровня 0,01 °С и менее – одна из основных задач системы терморегулирования КА [1].

В основу системы прецизионной термостабилизации (СПТ) были положены следующие основные принципы [4; 5; 7]:

• обеспечение пространственной неоднородности тепловых потоков на основании АСЧ

- с использованием гипертеплопроводящих пластин (ГТП), имеющих эффективную теплопроводность ≥ (50÷100) теплопроводности алюминия;

• •    организация управляемых с высокой точностью дозированных тепловых воздействий обогревателей, учитывающих изменение внешнего теплового потока от вращающейся солнечной батареи (СБ) и изменение внутреннего теплового потока, обусловленного колебаниями напряжения питания;

• •    повышение точности измерения температур (абсолютных и относительных) с помощью

¹88 бортового стандарта температуры (БСТ), использующего эффект стабильности температуры фазовых переходов плавящихся веществ.

1. Подготовка космического эксперимента на спутниках ГЛОНАСС по отработке системы прецизионной термостабилизации

Наземные и натурные испытания СПТ проводились АО «ИСС» и ИВМ СО РАН на основании Решения №110-01/10 «О подготовке, проведении и порядке финансирования работ космического эксперимента на базе гипертепло-проводящих пластин» Федерального космического агентства и МО РФ от 12.02.2010 г. Для его реализации была разработана программа по созданию составных частей СПТ и математических моделей их функционирования (ГТП, БСТ, …), алгоритмов и программ управления процессом прецизионной термостабилизации [8 – 10].

Гипертеплопроводящая пластина

ГТП – это не новый материал со сверхвысокой теплопроводностью, а компактное тепловое устройство со сложной внутренней структурой, работающее по принципу тепловой трубы (ТТ), но в другом конструктивном исполнении (двухмерная плоская ТТ). Между двумя тонкими плоскими панелями размещается пористый материал, выполняющий роль фитиля, заполненный жидким теплоносителем. В пористой структуре имеются каналы для движения пара. При этом внутренняя структура фитиля и каналов такова, что теплоноситель способен перемещаться в любом направлении вдоль всей плоскости панели, обеспечивая перенос тепла. Одновременно с этим конструкция ГТП должна оставаться герметичной, прочной и обеспечивать дозированную заправку теплоносителем [1; 7].

Технология изготовления ГТП и их изготовление реализовано Уральским электрохимическим комбинатом, а разработка тепловой модели ГТП, технологии ее дозированной заправки и наземная тепловая отработка осуществлены

Том 2

ИВМ СО РАН. Создано несколько вариантов конструктивного исполнения ГТП с использованием порошковых технологий из меди для применения в радиоэлектронной аппаратуре (в платах) и для аСч - размер 78x364x2,5, масса 0,26 кг. В качестве теплоносителя для ГТП из меди используется вода. Испытания медных ГТП в термобарокамере подтвердили моделируемую зависимость перепада температуры ГТП и соответствующую эффективную теплопроводность от температуры области отвода тепла. С ростом температуры эффективность теплопередачи резко возрастает. При температуре более 25 °С перепад температур не превышает 2 °С. При этом эффективная теплопроводность достигает величины 17000 Вт/(м·°С). Для ГТП из титана используется ацетон, но по тепловым характеристикам они хуже медных, однако легче их в два раза [6].

Бортовой стандарт температуры

Трудности создания прецизионных систем термостабилизации АСЧ во многом связаны с отсутствием высокоточных датчиков температуры, не имеющих дрейфа номинала в режиме длительного функционирования. Поэтому ИВМ СО РАН совместно с АО «ИСС» был разработан БСТ, предназначенный для обеспечения высокостабильной (реперной) температуры на борту КА, относительно которой могут быть измерены температуры всех элементов КА.

В основе работы БСТ лежит принцип стабильности температуры на границе раздела фаз рабочего вещества. Этот же принцип положен в основу Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68), принятой на основе международных соглашений. При точности измерения температуры фазового перехода БСТ ±0,001 °С, точность поддержания градиентов температуры может быть доведена до ±0,01 °С.

В данном случае используется один из эвтектических сплавов Ga-In с температурой плавления Т пл = 15,3 °С или Ga-Sn ( Т пл = 20,4 °С). Особенностью эвтектических сплавов является равенство температур плавления и отвердевания, поэтому если образцовый температурный датчик помещается на границу (или вблизи границы) раздела фаз «жидкость – твердое тело», то его температура будет постоянна с высокой степенью точности. Задача устройства – поддержание существования стабильной границы раздела фаз.

Алгоритмы и программное обеспечение

Принцип действия системы динамической термостабилизации следующий. Сотопанель отделяет прибор от теплового воздействия внешних потоков. При этом на одну (внутреннюю) сторону панели поступает суммарный тепловой поток от прибора и от компенсационного нагре-

Космический эксперимент по прецизионной термостабилизации квантовых стандартов частоты вателя. На другую (внешнюю) сторону попадает внешний поток, кроме того эта поверхность излучает энергию во внешнее пространство [8].

Основная задача системы прецизионного терморегулирования заключается в том, чтобы удержать температуру на внутренней поверхности в заданном интервале путем периодического кратковременного включения компенсационного нагревателя по показаниям датчиков температуры. Мощность компенсационного нагревателя должна быть сопоставима с мощностью внешнего теплового потока. Длительность импульса нагрева вычисляется по формулам теплового баланса в зависимости от отклонения температуры стабилизации основания АСЧ от заданного с учетом отклонения выделяемой мощности от средней.

Возникающие на основании АСЧ и на внутренней стороне сотопанели пространственные и временные неоднородности температуры сглаживаются в несколько раз при помощи ГТП.

Разработанные алгоритмы и программное обеспечение апробированы в процессе измерения теплофизических характеристик лабораторной модели АСЧ и при наземных испытаниях модуля системы прецизионной термостабилизации (МСПТ), создаваемого для космического эксперимента.

В состав МСПТ вошли: ГТП, БСТ, тепломассовый имитатор АСЧ, обогреватели ГТП, блок коммутации нагревателями (БКН-Э).

• 2.    Результаты космического эксперимента по отработке системы прецизионной термостабилизации

  Запуск космического аппарата «Глонасс-М» №54 осуществлен 24.03.2014 г, включение МСПТ в работу прошло по штатной схеме.

Проводилась отработка получения всей доступной телеметрической информации по МСПТ за один виток со скважностью 5 минут.

БСТ показал устойчивую работу, однако в экспериментах опорная температура БСТ не использовалась для расчета температурных отклонений.