СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОГО ТОПЛИВА В БАКЕ Российский патент 1994 года по МПК G01F17/00 

Изобретение относится к авиакосмической технике и может быть использовано в системах хранения и подачи (СХП) жидкого топлива двигательных установок (ДУ) космических аппаратов (КА).

Известны способы определения количества топлива в баках в схемах ДУ КА, в которых применяются вытеснительные системы подачи топлива с дополнительной подачей газа и регулированием давления газа в баках [1,2] . Ориентировочное количество топлива в баках определялось как разность между количеством заправленного в баки и количеством израсходованного через двигатели топлива, которое рассчитывалось как произведение среднего расхода топлива через двигатели и суммарного времени включения всех двигателей.

Недостатками аналогов являются: невозможность точного определения количества оставшегося в баке топлива вследствие накапливания ошибки, что не позволяет в конце ресурса КА оценить возможность маневра, для проведения которого требуется большое количество топлива; при наличии на борту КА двух и более баков отсутствие контроля за количеством топлива в баке может привести к смещению центра тяжести КА за счет неодинаковой выработки топлива из баков, что приводит к снижению эффективности использования ДУ в составе КА.

Известен способ определения количества топлива в баке, выбранный в качестве прототипа, основанный на контролировании динамики изменения величины давления наддува при известном значении расхода топлива из бака и неизменном количестве газа в полости наддува [3] .

Недостатками выбранного прототипа применительно к ДУ КА являются: невозможность определения количества топлива при отсутствии расхода топлива из бака; трудности фиксации изменения по времени давления в системе вследствие медленного изменения этого давления при характерных для ДУ КА расходах топлива и объемах емкостей СХП, особенно при большой выработке топлива и, соответственно, большом объеме полости наддува; большие погрешности, связанные с температурным влиянием, а также возможным присутствием в объеме жидкого топлива газовых пузырей, при выходе которых происходит относительно резкое уменьшение давления в системе и получается искаженное (завышенное) представление относительно остатка топлива.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно достижение более высокой точности определения количества топлива в баке с повышением точности по мере выработки топлива.

Цель достигается тем, что определение количества топлива в баке совмещают с процессом наддува, причем подачу газа для наддува осуществляют путем подачи серий одинаковых порций газа известного состава с одновременным измерением давления в системе, параметров газа и количества порций газа в серии. Процесс наддува заканчивают при достижении верхнего значения давления в диапазоне наддува. Принимая во внимание, что изменение давления в процессе наддува равно парциальному давлению поданного газа, и считая, что теплообмен газа с жидкостью и окружающей средой во время наддува пренебрежимо мал, легко рассчитать объем бака, занимаемый газом
V_r= = где М - масса порции газа;
n - количество порций газа, подаваемых в бак в ходе сеанса наддува;
R - газовая постоянная;
Т - температура газа на входе в бак;
Р_макс, Р_мин - давление в баке в конце и начале сеанса наддува, после чего определение количества жидкого топлива V сводится к вычитанию полученного объема газа V_r из суммарного объема бака V_б
V = V_б - V_r.

При этом наличие в объеме жидкости газовых пузырей не сказывается на точности определения количества топлива, так как объем и давление газовых пузырей в ходе наддува изменяются в той же степени, что и объем и давление газа в свободной от жидкого топлива плоскости бака (в полости наддува).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что определение количества топлива в баке совмещают с подпиткой наддува, осуществляемой путем подачи серий равных порций газа известного состава, массы и параметров.

Таким образом, заявленный способ определения количества топлива в баке соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом способе, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 приведен график наддува бака для поддержания давления в требующемся диапазоне.

Устройство содержит бак 1 с жидкостью, дозирующее устройство 2, устройство 3 подачи жидкости к потребителю, датчик 4 давления, датчик 5 температуры и вычислительное устройство 6.

Измерение производят следующим способом.

С помощью устройства 2 производят подачу равных порций газа в бак в течение сеанса наддува и определяют количество порций газа в сеансе, одновременно датчиком 4 измеряют давление в начале и конце выдачи серии порций газа, а датчиком 5 - температуру газа на входе в бак. По полученным данным вычисляют с помощью вычислительного устройства 6 количество жидкости в баке 1.

По мере выработки жидкого топлива и, соответственно, увеличения объема полости наддува для восстановления наддува от нижнего до верхнего значения в диапазоне допустимого давления наддува требуется все большее число порций газа в серии. В свою очередь, это приводит к тому, что случайная погрешность усредненной по серии величины порции газа уменьшается по мере выработки топлива:
ΔM_Σ = ΔM
= = где Δ М - случайная погрешность порции газа;
ΔM_Σ - случайная погрешность суммы порций газа в серии;
n - число порций газа в серии;
- средняя величина погрешности порции газа.

Уменьшение средней величины погрешности порции газа приводит к уменьшению погрешности определения объема бака, занимаемого газом.

ΔV_r= · и, соответственно, к уменьшению абсолютной величины погрешности определения количества топлива в баке.

Таким образом, совмещение процесса определения количества топлива в баке с процессом подпитки наддува, осуществляемым подачей серий равных порций газа известного состава и параметров, позволяет в сравнении с прототипом повысить точность определения количества топлива, причем точность возрастает по мере выработки топлива, т. е. по мере того, как информация о количестве остатка топлива приобретает все большую ценность для планирования возможных маневров КА в конце ресурса, а при наличии на борту КА нескольких топливных баков - и для повышения точности центровки КА. Кроме того, данный способ позволяет проводить измерение количества жидкости в баке как при отсутствии расхода жидкости, так и при расходе жидкости из бака. (56) 1. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Учебник для студентов вузов по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки"/Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др. Под общ. ред. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989, с. 32-35.

2. Основы техники ракетного полета. Феодосьев В. И. М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. с. 109.

3. Авторское свидетельство СССР N 302616, кл. G 01 F 17/00, 1971.

Использование: изобретение относится к авиакосмической технике и может найти применение в системах хранения и подачи жидкого топлива двигательных установок космических аппаратов. Сущность изобретения: с помощью дозирующего устройства 2 производят подачу равных порций газа в бак в течение сеанса наддува и определяют количество порций газа в сеансе, одновременно датчиком 4 измеряют давление в начале и конце выдачи серии порций газа, а датчиком - температуру газа на входе в бак. По полученным данным вычисляют с помощью вычислительного устройства количество жидкости в баке 1. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОГО ТОПЛИВА В БАКЕ , заключающийся в опpеделении pазности полного и свободного объемов бака, отличающийся тем, что, с целью повышения точности опpеделения, в бак подают сеpию поpций газа с пpедваpительно опpеделенными составом и паpаметpами, измеpяют изменение давления в баке и количество поpций газа в каждой сеpии, а о количестве топлива судят по величине пpиpоста давления в pасчете на одну поpцию газа по фоpмуле
V = V_δ- R·T,
где V_б - полный объем бака;
M - масса порции газа;
n - количество порций газа, подаваемых в бак;
R - газовая постоянная;
T - температура газа на входе в бак;
P_max, P_min - давление в баке в конце и начале измерения.