Обзор электронасосных агрегатов систем терморегулирования космических аппаратов

Современные космические аппараты (КА) имеют на борту целевую и служебную аппаратуру. Целевая аппаратура применяется исходя из возлагаемых на КА задач, а это различные научно-исследовательские миссии, телекоммуникация, навигация, дистанционное зондирование Земли и прочие. В активном режиме работы именно целевая аппаратура является основным источником тепловыделения на борту КА. Поскольку аппарат функционирует в космическом пространстве, в условиях сильно разряженной среды невозможно организовать эффективный теплоотвод посредством естественной или принудительной конвекции. Еще одним существенным фактором является солнеч-

ное излучение. Его воздействие на обращенную к Солнцу поверхность КА приводит к быстрому и неравномерному нагреву, в то время как теневая сторона остается холодной. При этом современная элементная база бортовой аппаратуры обеспечивает работу только в диапазоне температур от -65 °С до +150 °С [1].

В итоге при работе КА необходимо непрерывно перераспределять излишки тепловой энергии между модулями бортовой аппаратуры и на радиатор-излучатель. Эту задачу решает система терморегулирования (СТР). СТР подразделяются на пассивные и активные. Активные СТР способны отводить большие объемы тепловой энергии [2], поддерживать температуру в узком диапазоне. Эти особенности делают данный тип систем приоритетным для обитаемых космических аппаратов [3; 4], спутниковых платформ тяжелого класса [5] и для автоматических межпланетных станций [6].

Активные СТР являются гидравлическими системами, в гидротракте которых непрерывно циркулирует жидкость – теплоноситель. Неотъемлемой частью активных СТР является электронасосный агрегат (ЭНА). ЭНА обеспечивает принудительное перекачивание теплоносителя в гидротракте системы терморегулирования. От данного агрегата зависит устойчивое функционирование всего космического аппарата при сроках эксплуатации до 15 лет. В целях повышения надежности ЭНА либо выполняется резервированным, либо дублируется комплектами в составе СТР.

Выход из строя ЭНА приводит к частичному [3] или полному отказу КА. Появляется потребность контролировать текущее техническое состояние работающего изделия. Наличие достоверных данных о степени деградации ЭНА позволяет своевременно предупредить разрушение конструкции и принять решение о переключении на резервный агрегат. Поэтому существует актуальная задача [7] изучения ЭНА как системы с целью выработки критериев диагностики и прогнозирования остаточного ресурса.

В данной работе проводится анализ существующего зарубежного и отечественного технического уровня ЭНА для определения наиболее распространенной компоновки. Выбор наиболее распространенного технического решения для дальнейшего изучения позволяет использовать обширную историю их эксплуатации, а затем применять выработанные критерии диагностики и прогнозирования к широкому перечню эксплуатируемых образцов.

Обзор доступных источников

Существует множество методов и средств диагностики [8-10] и прогнозирования [7], которые можно применять по отношению к ЭНА. Однако, они все являются инструментом обработки и представления диагностических данных, применимы к широкому классу элементов, но при этом не учитывают особенности конкретного технического объекта. Для выработки критериев диагностики и прогнозирования существует необходимость знать тип ключевых элементов конструкции, условия их работы и характер взаимодействий.

ЭНА представляет собой электромеханическую систему, которую можно разбить на несколько подсистем - электромеханическую, механическую и гидравлическую. Электромеханическая представлена электродвигателем (ЭД) с надежно закрепленным статором в корпусе и ротором на валу ЭНА. Вал зафиксирован в подвижных опорных узлах, которые являются главным элементом механической подсистемы. На валу размещен вра- щающийся орган насосной части ЭНА. Он, во взаимодействии со стационарным отводящим аппаратом, сообщает жидкости энергию и осуществляет ее непрерывное перемещение. Для определения компоновки ЭНА необходимо, главным образом, определить тип ЭД, подвижных опорных узлов и насоса.

ЭНА работают в составе активных СТР, которые подразделяются на два вида - однофазные и двухфазные [11]. В однофазных СТР тепловая энергия идет на нагрев теплоносителя, в двухфазных часть теплоносителя испаряется и с радиатора-испарителя в гидротракт поступает смесь жидкость-газ. Первый вид предполагает применение теплоносителей на базе насыщенных углеводородов, либо кремний- и фторор-ганических соединений, второй – аммиак либо смеси с ним [12]. Опыт применения данных теплоносителей обширен и, главным образом, исключает коррозийную активность по отношению к применяемым конструкционным материалам ЭНА.

В обоих типах активных СТР ЭНА выполняет прокачку теплоносителя только в жидкой фазе (в двухфазных СТР – в «холодном» контуре гидротракта). В итоге применение ЭНА не зависит от условий эксплуатации и определяется только требованиями по расходу и перепаду давления, энергоэффективности и иным параметрам.

В технической литературе допускается применение различных типов насосов для ЭНА СТР [13]. Существуют при этом общие требования, которым должен соответствовать насос, а именно [14]:

• •    большой ресурс непрерывной работы (до 15 лет);

• •    малые габариты и масса конструкции;

• •    достаточная энергоэффективность;

• •    простота конструкции и технологичность изготовления;

• •    возможность создания унифицированного по типоразмерам ряда конструкций.

Данным требованиям отвечает ограниченное число типов насосов: лопаточные - центробежные и вихревые, насосы трения – дисковые. При этом центробежный насос для СТР имеет наиболее широкую область возможного применения по расходу и напору [14] (рис. 1). Среди центробежных необходимо выделить группы тихоходных и нормальных. Отношение к той или иной группе определяется коэффициентом быстроходности n_s :

n = 3,65 • nQ            (1)

H ⁴

где n – частота вращения, об/мин; Q – расход, м³/с; H – перепад давления, м.

(оСМИЧЕскиЕ АППАРАТЫ И

№ 4 (38) 2021 Том 5

Рис. 1. Энергетические характеристики насосов на диаграмме потребных режимов расход-напора СТР:

1 – вихревой, 2 – дисковый, 3.1 – центробежный тихоходный ( n_s = 40–80), 3.2 – центробежный нормальный ( n_s = 80–300)

Приведем аналитический обзор отечественных и иностранных ЭНА, применяемых в составе СТР КА.

Европейским космическим агентством в конце 2000-х годов была разработана космическая платформа тяжелого класса Alphabus. На базе Alphabus построен спутник Alphasat, который запущен в 2013 году и на данный момент функционирует. СТР данной спутниковой платформы способна работать с тепловой нагрузкой от 3 (однофазный вариант) до 6 кВт (двухфазный вариант) [15]. И в том, и в другом случае в качестве ЭНА используется разработка Realtechnologie AG (рис. 2).

Рис. 2. Электронасосный агрегат Realtechnologie AG

Указанный ЭНА является центробежным насосом с бесколлекторным двигателем постоянного тока (БДПТ) [5]. Подвижные опорные узлы представляют собой гидродинамические опоры (подшипники скольжения жидкостного трения) с керамическим напылением. Гидродинамические опоры работают при высокой частоте вращения, обладают высокой надежностью и хорошей демпфирующей способностью [16], а керамическое на- пыление обеспечивает износостойкость при многократных пусках-остановах.

ЭНА от Realtechnologie AG работает с номинальной частотой вращения 20300 об/мин и способен развивать максимальное давление до 8,4 бар, а максимальный расход - до 125 см3/с.

Двухступенчатый центробежный насос этой компании планируется использовать в составе СТР платформы Neosat [11].

На борту Международной космической станции (МКС) находятся две СТР – внутренняя и внешняя. Внутренняя обеспечивает тепловое распределение внутри обитаемых модулей, внешняя отвечает за отвод тепловой энергии от внешней аппаратуры и удаления излишков энергии величиной до 140 кВт излучением в космическое пространство [2]. Теплоносителем первой является вода, второй - аммиак. С начала существования МКС для перекачивания аммиака применялся ЭНА центробежного типа с БДПТ и гидродинамическими опорами [17].

На 2010 год в составе внешней СТР применялся центробежный ЭНА с гидродинамическими опорами разработки Boeing Company [3] (рис. 3). 31 июля 2010 года произошел отказ ЭНА основного гидротракта СТР, экипажу МКС пришлось переключиться на резервный гидротракт СТР, приостановить множество научных экспериментов и выходить в открытый космос для выполнения работ по замене. 17 августа 2010 года нормальный режим работы был восстановлен.

Рис. 3. ЭНА внешней СТР для МКС

В составе внутренней СТР для космического модуля МКС «Коламбус», способной отводить до 22 кВт энергии, также применялся насосный модуль с ЭНА центробежного типа с частотой вращения от 5000 до 14500 об/мин. Модуль проработал 6 лет до выхода из строя в начале 2013 года [4]. Была проведена работа по разработке модернизированного насосного модуля на замену, все испытания которого должны были завершиться в середине 2016 года [18]. В состав этого модуля также входит ЭНА центробежного типа с БДПТ и гидродинамическими опорами (на рис. 4 в составе модуля), разработанный SNECMA. Этот насос способен работать на скорости вращения до 14500 об/мин, так что вероятно его конструкция по сравнению с первым вариантом изменилась незначительно.

Рис. 4. ЭНА модернизированного насосного модуля для «Коламбус»

На МКС функционирует на данный момент магнитный альфа-спектрометр (AMS-02), предназначенный для изучения космических лучей и поиска темной материи. Этот научный прибор был запущен 16 мая 2011 года и продолжает функционировать. В составе спектрометра функционирует активная двухфазная СТР с жидким CO 2 в качестве теплоносителя [19], она обеспечивает разброс значений температуры меньше 3 К и отводит 144 Вт тепловой энергии. В составе СТР применяется центробежный ЭНА (рис. 5), разработанный Pacific Design Technologies на основе опыта проектирования насоса для марсохода.

Рис. 5. ЭНА активной СТР спектрометра AMS-02

В конструкции марсоходов NASA применяется активная однофазная СТР с рабочей жидкостью трихлорфторметан (Фреон-11, CFC-11, R-11). В составе применяется центробежный ЭНА с БДПТ и гидродинамическими опорами [6] (рис. 6).

ЭНА применялся в конструкции СТР марсоходов миссий Mars Pathfinder (MPF, «Марсопроходец», марсоход «Соджорнер»), Mars Exploration Rover (MER, марсоходы «Спирит» и «Оппортьюнити»), Mars Science Laboratory

(MSL, «Марсианская научная лаборатория», марсоход «Кьюриосити») [20]. Для миссии «Марс-2020» в конструкции марсохода «Персеверанс» применяется та же СТР, что и для марсохода «Кьюриосити» [21].

Рис. 6. ЭНА активной СТР марсоходов

ЭНА для СТР марсоходов разработки Pacific Design Technologies представляет собой центробежный электронасос, имеющий в составе БДПТ и гидродинамические опоры. Его номинальная частота вращения – 18000 об/мин, обеспечивает перепад давления 0,41 бар и расход 12,5 см3/с.

В итоге на зарубежные КА устанавливается центробежный ЭНА с БДПТ и гидродинамическими опорами. Несмотря на отказы, большинство аппаратов с агрегатами указанной компоновки функционировали свыше заявленного срока.

Обзор отечественного опыта эксплуатации ЭНА в составе СТР КА, особенностей конструкции, оказывается затруднителен – отечественная литература освещает вопросы проектирования, либо рассматривает подробно опыт эксплуатации, до 1990 - начала 1990-х годов. Встречается упоминание [14] о центробежном электронасосе с радиальными гидростатическими опорами и магнитным подпятником (рис. 7). Гидростатические опоры представляют собой подшипники скольжения, жидкостной режим трения которых реализуется за счет подачи смазывающей жидкости в рабочий зазор с определенным давлением.

Единственным источником информации о компоновке ЭНА ведущих организаций ракетно-космической отрасли остаются патенты на изобретения. Обзор доступных патентов дает информацию о разработках ПАО «РКК «Энергия» им. С. П. Королёва» (РКК «Энергия») и АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» (АО «ИСС») в данной тематике.

Известны несколько конструктивных исполнений ЭНА от РКК «Энергия» [22-24], которые построены на центробежном электронасосе (рис. 8). В изобретении центробежного ЭНА применяется БДПТ [25] (рис. 9).

Том 5

Рис. 7. Центробежный ЭНА с гидростатическими опорами (расшифровка нумерации приведена в литературе)

Рис. 8. Технические решения центробежного электронасоса РКК «Энергия» (расшифровка нумерации приведена в патентах)

Рис. 9. Центробежный ЭНА с БДПТ (расшифровка нумерации приведена в патентах)

Обзор же действующих патентов АО «ИСС» указывает на то, что распространенным техническим решением является центробежный электронасос с корпусным электродвигателем [26; 27] (рис. 10). Существует также техническое решение центробежного ЭНА с встраиваемым БДПТ и подшипниками качения [28] (рис. 11).

Рис. 10. Центробежные электронасосы АО «ИСС» с корпусным электродвигателем (расшифровка нумерации приведена в патентах)

В итоге наиболее актуальным отечественным техническим решением является центробежный ЭНА. Общий вывод о типе электродвигателя

Рис. 11. Центробежный ЭНА «ИСС» с встраиваемым электродвигателем и подшипниками качения (расшифровка нумерации приведена в патентах)

и подвижных опорных узлов сделать сложно из-за ограниченной информации. Остается только отметить, что имеет распространение БДПТ и подшипники качения, существует опыт разработки подшипников скольжения с высоким ресурсом работы.

Заключение

В результате выполненного обзора было определено, что:

• •    наиболее распространенным типом насоса является центробежный. Это обусловлено его высокой энергоэффективностью, надежностью и хорошо наработанной теоретической базой для проектирования;

• •    бесколлекторный двигатель постоянного тока является распространенным электродвигателем в составе электронасосных агрегатов. Данный выбор обусловлен высокой энергоэффективностью на номинальных режимах работы и высокой надежностью;

• •    гидродинамические опоры (подшипники скольжения в режиме жидкостного трения) являются распространенным типом подвижных опорных узлов в составе иностранных ЭНА. Общий вывод по поводу отечественных образцов сделать затруднительно, но однозначно находят свое применение гидростатические опоры и подшипники качения.

Совокупность обозначенных технических решений в компоновке ЭНА указывает на огромный накопленный опыт проектирования. Данный опыт позволяет разрабатывать отказоустойчивые образцы с большим ресурсом работы. Возможный их отказ ставит сложную задачу по контролю технического состояния на длительном сроке эксплуатации в условиях малоинтенсивной деградации изделия.

(оСМИЧЕскиЕ

АППАРАТЫ И

Том 5

Данная работа выполнена в рамках НИОКТР комплексного проекта «Создание высокотехнологичного импортозамещающего производства высокоресурсных элементов систем исполнительной автоматики транспортной и авиационно-космической техники, обеспечивающей освоение и исполь- зование Мирового Океана, Арктики и Антарктики» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-11-2019-077 от 13.12.2019) в соответствии с постановлением Правительства РФ от 09.04.2010 № 218. Работа выполнена в организации Головного исполнителя НИОКТР ФГБОУ ВО БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова.