Изобретение относится к измерительной космической технике и может быть использовано для контроля герметичности и поиска места течи из отсеков космического аппарата (КА) в условиях воздействия на его поверхность факторов окружающего космического пространства (ОКП). Особенно целесообразно использование изобретения на долговременных обитаемых орбитальных космических станциях (ОС "Мир", МКС и др.), для которых обеспечение герметичности является жизненно важным вопросом.
Известны способы и устройства поиска течей в металлических откачиваемых отсеках вакуумных систем и в стеклянных баллонах электровакуумных приборов (ЭВП) на Земле (см., например, Карпов В.И., Левина Л.Е. "Методы и аппаратура течеискания" в научно-техническом сборнике "Вакуумная техника", Казань, 1970 [1] ), которые решают техническую задачу определения герметичности вакуумных объемов. При этом места нарушения герметичности называются течами, которые определяются манометрическими и другими течеискателями и индикаторами в процессе испытания объемов на вакуумную герметичность.
Герметизации подлежат не только вакуумные системы, а и системы, предназначенные для содержания газов под высоким давлением, например, жилые отсеки КА. Вакуумные методы испытания на герметичность для таких объектов не всегда пригодны, особенно в натурных условиях их эксплуатации. Однако в аварийных ситуациях разгерметизации отсеков КА давление в них быстро падает до 0 атмосфер (космический вакуум), поэтому вакуумно-технические определения течи, натекания и др. целесообразно распространить и на эти объекты. Тогда способы и устройства поиска течей в [1] можно рассматривать как аналоги предлагаемых технических решений.
Наиболее общая характеристика различных современных течеискателей заключается в их способности избирательно реагировать на то или иное вещество, называемое пробным. Процесс поиска течи осуществляется путем улавливания течеискателем пробного вещества, проникающего через течь в ограничивающей объем стенке на ее поверхность, благодаря его реакции на это вещество. Чем резче реакция течеискателя на пробное вещество, тем больше оказывается его чувствительность и способность выделить это вещество на фоне других веществ.
При испытании объектов на вакуумную герметичность решается техническая задача определения общего натекания объема через все имеющиеся течи и нахождение отдельных локальных течей путем контроля герметичности объема в процессе испытания и индикации пробного газа в случае нарушения герметичности на поверхности объекта различными индикаторами течи.
Известен способ контроля герметичности изделий больших объемов по а. с. N 724958, опубликованный 30.03.80 г. по классу M. Кл. G 01 M 3/26, по которому изделие заполняют газовой смесью, измеряют с помощью датчика давления давление внутри изделия и через определенные промежутки времени фиксируют скорость изменения плотности с помощью анализатора (индикатора) пробного газа и по этой величине судят о герметичности изделия.
Однако этот способ не позволяет определить локальные места негерметичности изделий, а указан в качестве аналога.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ контроля герметичности крупногабаритных полых изделий по а.с. N 1610353, опубликованный 30.11.90 г. по классу G 01 M 3/26 [2], который может быть указан в качестве прототипа.
Согласно прототипу в изделии путем наддува его пробным газом создают избыточное давление и постоянно в течение всего времени контроля осуществляют измерение температуры и давления в изделии. Негерметичность определяют по полученным кривым изменения температуры и давления методом идентификации. Для определения локальных зон негерметичности на поверхности изделия устанавливают несколько измерителей температуры, а измеритель давления устанавливают в геометрическом центре изделия. По полученным кривым определяют зону негерметичности, используя коэффициенты усиления моделей при идентификации. Этот способ в настоящее время реализуется для определения негерметичности в модуле "Спектр" на борту орбитальной станции "Мир".
Недостатком прототипа - способа является по существу теоретический метод определения зон нарушения герметичности (зон негерметичности) по результатам составления и анализа большого количества дифференциальных уравнений 2-го и более порядка. При этом выбранные для локальных измерений температурные датчики у поверхности изделия не обязательно свидетельствуют о течи, а могут изменять свои показания и по другим причинам (в КА, например, из-за солнечного нагрева и охлаждения в тени поверхности отсека).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для определения места течи из отсека КА является дренажный стенд по а.с. N 1259124 (см. Бюл. Изобретений N 35 от 23.09.86 [3]). Стенд содержит несколько отсеков, включающих датчики контроля давления в отсеках, трубопроводы с запорно-вентильной арматурой для напуска пробного газа в отсеки и установленные вне отсека локальные индикаторы пробного газа на основе манометров, присоединяемых к отсекам с помощью дренажных трубопроводов. Техническое решение по а.с. N 1259124 может быть указано в качестве прототипа заявляемого устройства.
Недостатком устройства - прототипа является невысокая точность определения места течи из отсеков в реальных условиях эксплуатации КА.
Задачей изобретения является повышение точности определения места утечки газов из отсеков КА.
Для решения задачи способ определения места течи из отсека КА включает контроль давления в отсеке, наддув отсека пробным газом в случае падения давления и локальную индикацию пробного газа на внешней поверхности отсека в окружающем космическом пространстве (ОКП).
При определении места течи дополнительно осуществляют панорамный контроль герметичности отсека путем индикации пробного газа по его свечению на внешней поверхности КА под воздействием ионизирующих и возбуждающих свечение факторов окружающего космического пространства и определяют прогнозируемые зоны нарушения герметичности отсека для локальной индикации по превышению в этих зонах яркости свечения пробного газа над фоновым уровнем свечения.
А при локальной индикации пробного газа в ряде точек прогнозируемой зоны на внешней поверхности отсека КА возбуждают скрещенные электрические и магнитные поля, измеряют в этих точках давление, свечение пробного газа и параметры электрического поля и определяют место течи по максимальному изменению давления, яркости свечения и параметров электрического поля, зарегистрированных в процессе наддува отсека КА пробным газом.
Устройство для определения места течи из отсека КА включает датчик контроля давления в отсеке, баллон с пробным газом, трубопроводы с запорно-вентильной арматурой для пуска газа в отсек и связанные через дренажные трубопроводы с контролируемым элементом поверхности отсека манометрические индикаторы пробного газа.
В устройство дополнительно введены многоканальная телевизионная система регистрации свечения пробного газа, датчики электрического поля, коммутаторы и регистраторы. При этом датчики электрического поля, манометрические индикаторы пробного газа и телевизионные каналы регистрации свечения пробного газа размещены на поверхности отсека в прогнозируемых зонах нарушения его герметичности, выходы датчиков электрического поля, манометрических датчиков и телевизионных каналов через коммутаторы подключены на общий регистратор, а манометрические индикаторы выполнены на основе магнитных электроразрядных преобразователей давления, которые оптически по потоку свечения пробного газа в рабочих камерах преобразователей связаны со входами телевизионных каналов регистрации свечения пробного газа на поверхности КА.
Дополнительно в устройстве для определения места течи в качестве телевизионной системы регистрации свечения пробного газа использован телевизионный визир.
Панорамный контроль осуществляют телевизионной системой регистрации свечения с электронно-оптическими преобразователями. Аналогичные регистраторы свечения давно и с успехом используются в авиации для наблюдения и визирования объектов в дневное и ночное время, когда визуальная видимость ограничена недостаточной освещенностью контролируемых объектов. Например, в справочнике под редакцией Л.З. Криксунова "Авиационные системы информации оптического диапазона" [4] ) описан телевизионный визир, который может при поиске объекта свечения обеспечить круговой обзор в азимутальной плоскости и обзор в плоскости цели (объекта) в секторе от ≈30o до 85o, перпендикулярной азимутальной плоскости, что нужно для панорамного обзора герметичности на поверхности КА с целью поиска объекта свечения - течи на поверхности отсека. Поэтому телевизионный визир предложен в качестве телевизионной системы регистрации свечения пробного газа в дополнительном пункте формулы изобретения.
Предлагаемый способ определения места течи из отсека КА в качестве одного из признаков предполагает локальную индикацию пробного газа на внешней поверхности отсека КА. Датчики для локальной индикации течи размещаются непосредственно в окрестности исследуемых точек на герметичность, поэтому их естественно называть локальными датчиками индикации течи или локальными индикаторами течи. Таким образом, термин локальный индикатор течи является родовым понятием для отдельных видов индикаторов течи: манометрического индикатора течи и датчика электрического поля, который резко реагирует на течь преимущественно вблизи точек нарушения герметичности на поверхности отсека КА и потому тоже относится к локальным индикаторам течи. Из аналогии функции локальных индикаторов следует аналогия схемного решения. В частности, их выходы аналогично через коммутаторы подключаются на общий регистратор в устройстве для осуществления способа определения мест течи, что видно из описания функциональной схемы устройства.
Предлагаемый способ определения места течи из отсека КА иллюстрируют функциональная схема устройства для определения места течи из отсека КА на фиг. 1а и 1б и блок схема оптически связанных телевизионного канала регистрации свечения пробного газа и манометрического индикатора течи на основе магнитного электроразрядного преобразователя давления на фиг.2.
Функциональная схема устройства контроля герметичности отсека КА и определения места течи в случаях нарушения герметичности отсека представлена на фиг. 1а, на котором показано место течи 1 из отсека 2, покрытого на внешней поверхности, обращенной в открытое космическое пространство, экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ) 3.
В соседнем отсеке размещены баллон 4 с пробным газом, который через запорно-вентильную арматуру 5 и крышку люка A поступает в отсек 2 для его наддува при производстве аварийных работ в случаях разгерметизации отсека 2. При испытаниях на герметичность давление в аварийном отсеке 2, изолированном от соседних отсеков крышками люков А и Б, контролируется датчиком давления 6.
На поверхности отсека 2 для локальной индикации пробного газа размещены датчики электрического поля 7 и манометрические индикаторы 8. Дренажные трубки 9 связывают рабочую камеру манометрического индикатора на основе магнитного электроразрядного преобразователя давления с объемом ЭВТИ 3, прилегающим к металлической поверхности отсека 2.
В зоне течи 1 штриховыми линиями 10, 11 показаны изоконцентрали (изобары) пробного газа при свободном истечении в космический вакуум (10) и при затрудненном истечении через ЭВТИ (11). При этом вызывающие свечение пробного газа факторы окружающего космического пространства 12 условно показаны потоком стрелок, а именно: набегающий ионосферный поток - стрелками 12', поток солнечной радиации - стрелками 12'', поток компонентов космического излучения 12''', где γ - жесткое рентгеновское излучение, e - высокоэнергетические электроны, ρ - высокоэнергетические протоны.
На поверхности отсека на фиг. 1а размещены телевизионные каналы регистрации свечения пробного газа 13, которые через коммутатор 14 связаны с установленным в базовом отсеке (на фиг. 1а не показан) общим монитором 15, бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ) 16 и системой ориентации и управления движением (СОУД) 17. Для простоты и наглядности связей штатные системы 15, 16 и 17 условно размещены в отсеке 2, а входы БЦВМ 16 через коммутатор 14' связаны с датчиками электрического поля 7 и манометрическими индикаторами 8. Таким образом, БЦВМ 16 выступает в роли общего регистратора сигналов всех датчиков электрического поля 7, манометрических индикаторов 8 и всех телевизионных каналов регистрации свечения пробного газа 13 на поверхности КА.
В сечении А - А блок-схемы на фиг. 1б показано размещение датчиков на поверхности отсека по окружности в предположении, что сечение отсека по А-А круг. Более подробно оптическая связь манометрического индикатора 8 с телевизионным каналом регистрации свечения пробного газа 13 представлена на блок-схеме на фиг.2.
Согласно фиг. 2 манометрический индикатор 8 состоит из магнитного электроразрядного преобразователя давления 18 и его блока электроники 19. В рабочей камере 20 преобразователя давления размещены анод 21 и катод 22, а сама камера охвачена тороидальным анизотропным постоянным магнитом 23. Блок электроники преобразователя давления состоит из первичного низковольтного источника электропитания 24 (АБ1), высоковольтного выпрямителя 25 (В/В, 2,5 кВ) и измерительного устройства 26. Рабочая камера 20 преобразователя давления связана через дренажную трубку 9 с местом течи 1 в стенке отсека 2 и с пробным газом в объеме ЭВТИ 3.
Выходное отверстие рабочей камеры 20 ориентировано на вход телевизионного канала регистрации свечения пробного газа 13.
Входное отверстие телевизионного канала 13 представлено объективом 27, формирующим изображение свечения пробного газа на фотокатоде 28 ЭОПа 29, в котором с помощью фокусирующего устройства 30 осуществляется электронно-оптическое преобразование изображения и его воспроизведение на люминофоре анода-экрана 31. К аноду-экрану с помощью схемы оптического переноса изображения 32 пристыкована ПЗС-матрица 33 и связанная с ней схема построчного и кадрового считывания 34, электрические сигналы которого поступают на вход видеоусилителя 35 и далее по высокочастотному кабелю через коммутатор 14 на монитор 15.
Видеоусилитель подключен к низковольтному источнику электропитания 36 (АБ2), к которому подключен также высоковольтный блок (В/В) 37 электропитания ЭОП. Штриховой линией 38 показана оптическая связь рабочей камеры преобразователя давления с входным отверстием телевизионного канала 13, которая реализуется во время функционирования устройства.
Устройство для определения места течи из отсека КА на фиг. 1а работает следующим образом.
Если в отсеке 2 произошла разгерметизация из-за течи 1 в стенке отсека, покрытой ЭВТИ 3, то давление в отсеке начнет снижаться, что зафиксирует датчик давления 6 внутри отсека и автоматически включит аварийную сигнализацию (на схеме не показано), по сигналам которой отсек будет изолирован путем перекрытия переходных люков А и Б. Практика показывает, что давление в отсеке быстро упадет до 0 атмосфер из-за связи отсека через течь 1 с космическим вакуумом. Это свидетельствует о необходимости проведения аварийных работ по поиску и устранению места течи и восстановлению герметичности отсека 2.
На подготовительном этапе этих работ в одном из соседних отсеков размещается баллон 4 с пробным газом, от которого через трубопроводы, запорно-вентельную арматуру 5 и крышку люка А подводят для наддува отсека 2 пробный газ.
Предварительно включают манометрические индикаторы 8 с дренажными трубками 9 и датчики электрического поля 7 для контроля и регистрации фоновых электрофизических условий на поверхности и в приповерхностном слое собственной внешней атмосферы (СВА) при воздействии на поверхность КА факторов окружающего пространства (ОКП) 12. На этом этапе включают также каналы 13 многоканальной телевизионной системы для фиксации фонового уровня свечения приповерхностного слоя СВА при воздействии на него ионизирующих и возбуждающих свечение факторов ОКП 12.
Показания телевизионных каналов 13 через коммутатор 14 выводятся для просмотра на общий монитор 15 и регистрируются на БЦВМ 16. По результатам анализа всех измерений на БЦВМ 16 в отсутствие наддува отсека 2 пробным газом выдается команда на СОУД 17 на корректировку ориентации просматриваемой поверхности КА с целью повышения чувствительности измерений, например, преимущественно навстречу набегающему ионосферному потоку 12'.
После проведения подготовительных работ приступают к основному этапу определения места течи из отсека КА. При этом с помощью запорно-вентильной арматуры 5 осуществляют наддув пробного газа из баллона 4 в отсек 2. Давление в отсеке повышается, что контролируется по показаниям датчика давления 6. Из места течи 1 формируется струя пробного газа 10 с поверхности отсека в окружающее космическое пространство (ОКП), которая в космическом вакууме практически не деформируется и долго без искажений сопровождает КА во время его полета, что облегчает ее контроль и диагностику. Если поверхность отсека покрыта экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ) 3, то струя пробного газа менее выражена и принимает форму, показанную на поз. 11 фиг. 1а. Это затрудняет локализацию места течи и требует проведения комплексной диагностики как панорамными телевизионными каналами регистрации свечения (13), так и локальными (7, 8) индикаторами течи с регистрацией временной диаграммы показаний всех телевизионных каналов и регистрации свечения индикаторов в процессе наддува отсека 2 пробным газом.
Активные испытания отсека 2 на герметичность с наддувом его пробным газом начинают с определения прогнозируемых зон негерметичности путем просмотра во время наддува поверхности отсека КА с помощью многоканальной телевизионной системы регистрации свечения пробного газа. При этом последовательно подключают телевизионные каналы 13 с помощью коммутатора 14 к общему монитору 15 и оценивают уровни свечения пробного газа в каждом из шести направлений на поверхности отсека 2, которые условно показаны в сечении А-А на фиг. 1б направлениями 0-b, 0-c, 0-d, 0-е, 0-f и 0-g, на которой каждое направление проходит между сопряженной парой локальных датчиков 7 и 8 в секторах обзора многоканальной телевизионной системы.
В предположении, что течь одна и максимальное свечение будет в одном из указанных направлений, эту ситуацию можно представить на фиг. 1а, где показаны та же течь 1 и струя пробного газа 10 (11), которая под воздействием факторов ОКП 12 обеспечивает во время наддува отсека пробным газом визуализацию течи преимущественно в месте нарушения герметичности отсека путем превышения свечения пробного газа над фоновым уровнем свечения, зарегистрированным при пассивных подготовительных испытаниях в отсутствие наддува отсека.
Положение места течи 1 в выбранном направлении определяют, последовательно переключая коммутатором 14' сопряженные пары около каждой исследуемой точки локальных датчиков 7 и 8 и фиксируя максимальное изменение регистрируемого параметра на общем регистраторе - БЦВМ 16. В результате определяют прогнозируемую зону нарушения герметичности на поверхности отсека космического аппарата.
После определения прогнозируемой зоны нарушения герметичности осуществляют локальную индикацию пробного газа в этой зоне, дополнительно используя локальные индикаторы течи 7, 8. Применение локальных индикаторов основано на экспериментальных результатах измерения фонового свечения над различными поверхностями разных КА при разнообразных режимах их полетов в верхней атмосфере (ионосфере) Земли. В статье Х.Б.Гаррета и др. "Свечение над поверхностью КЛА и его влияние на работу бортовых систем" в журнале "Аэрокосмическая техника", 1989 г., N 10, с. 64-90 [5] дан обзор экспериментов и приведен перечень возможных механизмов свечения, возбуждаемых различными ионизирующими факторами ОКП. При этом выявлены следующие закономерности (см. [5], с. 86-87), которые помогают правильно выбрать локальные индикаторы и использовать их оптимальным образом:
1. Интенсивность свечения над КА максимальна над поверхностями, направлении против набегающего потока, то есть в области повышенного давления. Она пропорциональна Cos3 (ϕ), где ϕ - угол атаки. Следовательно, можно увеличить чувствительность локальных индикаторов путем соответствующей ориентации прогнозируемой зоны негерметичности навстречу набегающему ионосферному потоку.
2. Интенсивность свечения уменьшается с увеличением высоты по экспоненциальному закону, то есть по закону падения давления с высотой. В местах течи на поверхности КА можно ожидать увеличения давления, которое можно обнаружить датчиком давления. Кроме того, в рабочей камере магнитного электроразрядного датчика давления можно ожидать увеличения интенсивности свечения разряда. Таким образом, такие датчики давления будут характеризовать место течи по двум параметрам: по росту разрядного тока и по росту давления.
3. Отмечено достаточно интенсивное свечение в следе КА, на поверхностях, ориентированных в область аэродинамической тени от набегающего ионосферного потока. Как показано в работах одного из авторов данного изобретения (см., например, Н.М. Пушкин и др. "Измерение фоновых электрических полей на внешней поверхности модуля "Квант" орбитальной станции (ОС) "Мир" в журнале "Космические исследования", 1994 г., т.32, N 3, с. 140-142 [6]). Причиной этого свечения являются измеренные датчиками электрического поля электростатические поля большой напряженности. В [6] по существу впервые опубликованы результаты космических исследований процессов разгерметизации на борту КА. Согласно п.2.4 в [6] при отстыковке от станции от станции "Мир" кораблей "Прогресс" и "Союз" имеет место выпуск в окружающую плазменную среду остатков воздуха из полостей стыковочных узлов. При этом происходит процесс интенсивной ионизации выпущенного воздуха. Этот процесс сопровождается возникновением вокруг станции плазменных неустойчивостей, наиболее интенсивных вблизи места истечения воздуха. Датчики пристеночного электрического поля в этот период регистрируют переменные электрические сигналы повышенной амплитуды - до 1 кВ/м. Длительность ионизационного процесса на освещенной поверхности КА в пристеночной области составляет 1 - 2 минуты. На неосвещенной поверхности КА длительность этого процесса в 2 раза меньше, что свидетельствует о существенном влиянии солнечной радиации на обнаружение течи на поверхности КА.
Аналогичные нестационарные процессы наблюдаются при работе газореактивных двигателей ориентации, когда происходит ионизация газов реактивных струй. При этом длительность процессов увеличивается до 10 минут на освещенной поверхности и до 2-3 минут на неосвещенной. Газодинамическое расширение в окружающей среде порций испускаемых двигателями газов, а также сопутствующие этому нестационарные ионизационные процессы возбуждают в окружающей КА ионосферной плазме интенсивные колебательные процессы. Датчики переменного электрического поля, установленные на модуле "Квант", регистрируют эти процессы в виде интенсивных флуктуаций электрического поля. Амплитуда флуктуаций вблизи двигателя (вблизи места истечения) превышает величину 2 кВ/м и снижается по мере удаления от места истечения газа.
Таким образом, применимость датчика электрического поля для индикации течи на поверхности КА опробована в натурных условиях на ОС "Мир", а предложение этого датчика в качестве локального индикатора в формуле предлагаемого изобретения обосновано в [6]. Кроме того, в [6] дана исчерпывающая информация об этом датчике со ссылкой на авторское свидетельство, по которому датчик изготовлен. Поэтому в дальнейшем дано подробное описание другого локального индикатора течи на основе магнитного электроразрядного преобразователя давления, блок-схема которого представлена на фиг.2 и описание которого в статике дано выше.
Манометрический индикатор течи 8 на фиг.2 работает следующим образом.
На подготовительном этапе включаются блоки 14, 14', 15, 16 и низковольтные источники электропитания 24 (АБ1) и 36 (АБ2), подключенные соответственно к блокам электроники 26 и 35 и к высоковольтным выпрямителям 25 (В/В 2.5 кВ) и 37 (В/В). На фиг.2 показано, что манометрический индикатор 8 связан через дренажную трубку 9 с поверхностью отсека 2 в зоне течи 1, покрытой ЭВТИ 3, и состоит из магнитного электроразрядного преобразователя давления 18 и его блока электроники 19. При включении низковольтного источника электропитания 24 от высоковольтного выпрямителя 25 напряжение 2.5 кВ подается в рабочую камеру 20 преобразователя между анодом 21 и катодом 22. В результате в камере формируется поперечное электрическое поле, которое вместе с продольным оси рабочей камеры магнитным полем, создаваемым анизотропным постоянным магнитом 23, формирует в камере 20 скрещенные электрическое и магнитное поля. Например, в преобразователе ПММ-32-1 магнитная индукция В в центре зазора магнитной системы составляет 0.11 Тл, а напряженность электрического поля составляет 2,5 кВ/м. В этих условиях преобразователь преобразует сигнал давления в электрический сигнал в диапазоне давления от 7.5•10-10 до 1•10-2 мм. рт. ст., который с выхода усилителя 26 через коммутатор 14 поступает на общий регистратор (БЦВМ) 16. В случае наддува отсека 2 пробным газом, когда дренажная трубка 9 оказалась над местом течи 1, давление в рабочей камере 20 превысит 1•10-2 мм. рт. ст. и на время превышения давления между анодом 21 и катодом 22 зажигается электрический разряд с интенсивным свечением в видимом, УФ и ИК диапазонах длин волн. При этом по линии 38 замыкается оптическая связь на телевизионный канал 13 регистрации свечения пробного газа. Входное отверстие телевизионного канала 13, представленное объективом 27, формирует изображение свечения выходного отверстия рабочей камеры 20 преобразователя давления на фотокатоде 28 ЭОПа 29, в котором с помощью фокусирующего устройства 30 осуществляется электронно-оптическое преобразование изображения и его воспроизведение на люминофоре анода-экрана 31. Схема оптического переноса изображения 32 осуществляет перенос изображения с анода экрана 31 на ПЗС-матрицу 33, с которой устройством 34 осуществляется построчное и покадровое считывание электрических сигналов, которые через видеоусилитель 35 по высокочастотному кабелю поступают на монитор 15 и общий регистратор-(БЦВМ) 16 через коммутатор 14. При этом на выходах остальных датчиков 7, 8 и телевизионных каналов 13, находящихся вдали от места течи 1 и приведенных на фиг. 1, будет наблюдаться минимальный сигнал, что позволит установить сопоставительный анализ всех сигналов на общем регистраторе (БЦВМ) 16.
Примером использования телевизионного визира в устройстве для определения места течи в качестве телевизионной системы регистрации свечения пробного газа может служить система РО-300, разработанная шведской фирмой SAAB-Скания по патенту США кл. 244 - 3.15 N 372483, опубл. 3.04.73. (см. [4] на с. 187). Она состоит из стабилизированной платформы, электронного блока и пульта управления. На платформе смонтированы телевизионная камера и лазерный дальномер. При панорамном обзоре платформа может поворачиваться, обеспечивая круговой обзор. Ориентация платформы и смонтированного на ней телевизионного визира на обнаруженное место течи может осуществляться вручную или с помощью электропривода. Изображение места течи, фиксируемое телевизионной камерой, отображается на экране пульта управления.
На с. 165 [4] приведена структурная схема телевизионного визира, используемого для определения координат светящегося объекта (манометрического индикатора течи), основанного на использовании светового контраста между объектом и окружающим его фоном, на которой изображение объекта с помощью объектива проецируется на фотокатоде телевизионной камеры. Аналогично на фиг. 1а предварительный выбор объекта свечения в прогнозируемой зоне нарушения герметичности осуществляется оператором по экрану монитора 15 видеоконтрольного устройства (ВКУ) и потом уточняется с помощью сопряженных локальных индикаторов течи 7 и 8.
В качестве примера осуществления и доказательства реализуемого способа контроля герметичности отсека КА и определения места течи по свечению истекающего из него пробного газа под воздействием ионизирующих и возбуждающих свечение атомов пробного газа факторов окружающего космического пространства (ОКП) рассмотрим раздел "Свечение собственной атмосферы КА" в статье А.И.Акишина, Н.М.Дунаева и др. "Собственная атмосфера КА и ее влияние на бортовые приборы и технологию в космосе" в сборнике "Космическое материаловедение и технология", издательство "Наука", М., 1997 г., с. 65 -78 [7], в котором даны оценки влияния свечения струи газа (молекулярный азот N2) на бортовые оптические системы. При этом в качестве пробного газа можно принять молекулярный азот, а в качестве индикаторов свечения пробного газа считать упомянутые в [5] оптические системы, учитывая, что в устройстве для осуществления способа предложены высокочувствительные индикаторы на основе электронно-оптического преобразования свечения пробного газа с телевизионной системой регистрации свечения.
Согласно [7] оптические системы способны зарегистрировать свечение собственной атмосферы КА, возникающей при срабатывании реактивных двигателей ориентации и стабилизации, работающих на сжатом газе (азоте), который, выходя из сопла двигателя, расширяется в вакуум. Аналогично, пробный газ, выходя из места течи отсека, также расширяется в вакуум. При этом могут возникнуть условия, когда часть газа сконденсируется в капельки жидкости или даже кристаллики. Но все же большая часть расширяющегося газа обычно остается в газообразном состоянии и представляет собой конус, плотность газа в котором уменьшается от оси к его периферии и от вершины конуса вдоль его оси.
Даже при наличии аэродинамического торможения, которое в ионосфере ничтожно, значительная часть газового облака будет сопровождать КА в течение некоторого времени на большие расстояния. При этом на распределение плотности собственной атмосферы непосредственно вблизи поверхности КА основное влияние оказывает место истечения струи (место течи). Так как яркость свечения пробного газа пропорциональна плотности или квадрату (кубу) плотности, то место течи может быть указано точно. При воздействии факторов ОКП молекулы газа в струе возбуждаются, а поскольку плотность газа в струе мала и столкновения редки, то это возбуждение снимается в основном при переизлучении возбужденных молекул в виде света. Причем этот переизлученный свет распространяется во все стороны с почти равной интенсивностью. Таким образом может быть так, что хотя прямой свет Солнца и не попадает на объектив какого-либо оптического прибора, но переизлученный молекулами газовой струи свет может попасть на него. Точно так свет струи пробного газа с места течи попадет в объектив индикатора пробного газа и будет надежно зарегистрирован, если индикатор селективно настроен на этот газ.
В виде примера в [7] приведена оценка свечения струи азота от реактивного двигателя для случая, когда ось зрения телескопа и ось газовой струи параллельны, расстояния между соплом и объективом телескопа равно 1 м, а расход газа в двигателе равен 10-2 кг/с. Получены следующие величины относительной яркости В/Во свечения струи газообразного азота под углом 90o в спектральном диапазоне 300 - 600 нм:
от молекулярного рассеяния света струей азота под углом 90o - 8•10-16;
от флуоресценции азота струи - 5•10-13;
от свечения азота под воздействием протонов - 5•10-14;
от свечения азота под воздействием электронов - 5•10-13.
Здесь В0 - средняя яркость солнечного диска, воздействие протонов и электронов взято для солнечного ветра. Свечение под воздействием ионосферного потока на поверхность КА приведено ниже. Поэтому общая относительная яркость свечения газообразного азота при выбранных параметрах его расположения на КА относительно телескопа (индикатора) будет В/В0 = 10-12.
В предположении, что 10% азота при адиабатическом расширении в вакуум сконденсируется в капельки жидкости, проведена оценка размеров капелек и средней относительной яркости рассеянного солнечного света на сконденсировавшихся каплях азота в спектральном диапазоне 300-600 нм с углом рассеяния 90o, которая равна В/В0 = 4•10-12.
Суммируя относительные яркости молекулярного свечения азота и свечения сконденсировавшихся капель, получаем в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце: В/В0 = 5•10-12.
В [5] приведена также оценка светимости струи азота в линии Lα при воздействии протонов солнечного ветра, когда происходит не только возбуждение молекул и атомов расширяющегося в вакуум газа, но также перезарядка с возникновением возбужденных атомов водорода (p + N2--->N2 ++H*), некоторая часть которых спонтанно высвечивается в линии Lα : H*_→ H + hν (ν = 1216 A). При потоке протонов солнечного ветра jp = 4•108 протон/см2•с и их скорости около 400 км/с яркость свечения струи газа в линии Lα составит BLα =3/3•10-4 эрг/см2•с•ср. , что превышает яркость Lα - излучения (В=7•10-5 эрг/см2•с•ср. ) резонансно рассеянного на атомах нейтрального межпланетного газа (водорода) и позволяет использовать этот фактор ОКП для индикации пробного газа (азота) по свечению в линии Lα.
Полученные в [7] теоретические оценки яркости свечения азота (пробного газа) из сопла рулевого двигателя (из места течи через поверхность КА) находят многочисленные экспериментальные подтверждения при регистрации свечения над поверхностью КА при работе рулевых двигателей в натурных условиях (см. , например, обзор [5], раздел "Свечение, связанное с работой двигателей", с. 78 - 79), где подчеркнуто повышение яркости свечения при взаимодействии струи с набегающим ионосферным потоком, особенно при ее поперечном вектору скорости набегающего потока истечении.
Наблюдения показали, что на высотах вплоть до 450 км поддающийся регистрации уровень яркости обнаруживается в ближних ультрафиолетовых каналах прибора (337 
). Было обнаружено также предсказанное в [4] свечение в линиях Lα в ходе полетов спутников STS 78 и S3-4 (см. [5], раздел "Спутники ВВС STS 78 и S3-4", с.70). Было установлено, что это свечение зависит от высоты полета и в диапазоне длин волн 1400 - 1700 
изменяется с высотой пропорционально [N2]3 [O] или [N2]3, где [N2]3 плотность молекулярного азота в кубе, а [O] - плотность молекулярного, кислорода в первой степени. Кроме того, наблюдения с помощью наземного телескопа показали, что даже на высоте 400 км, где плотность [N2] небольшая, ИК-фон излучения над поверхностью КА в 200 раз превышает свечение астрономического фона. Следовательно, при искусственном добавлении [N2] вследствие течи яркость свечения будет возрастать как [N2]3, что будет способствовать обнаружению места течи также и в ИК-диапазоне.
Таким образом, из полученных экспериментальных результатов следует, что при наддуве отсека КА молекулярным азотом N2 при последующем его истечении в местах течи на поверхности КА будет возрастать плотность [N2] по сравнению с фоновым уровнем и, соответственно, яркость свечения над местом течи пропорционально кубу плотности [N2]3 в ультрафиолетовом, видимом и ИК-диапазонах, в том числе и в линиях Lα.
С учетом типа КА и конкретных условий его полета можно предвидеть возможное естественное свечение над поверхностью КА, и подбором селективности и разрешающей способности индикаторов пробного газа еще больше увеличить превышение контрольного свечения над фоновым уровнем. В изобретении предложено в качестве пробного газа использовать также инертные газы и газы в рабочих отсеках КА, которые в нормальных условиях отсутствия течи из отсеков практически не могут быть обнаружены на поверхности КА, что существенно повышает эффективность и качество контроля течи на поверхности КА, а также повышает эффективность определения места течи в аварийных ситуациях.
Литература
1. В. И. Карпов, Л.Е. Левина. "Методы и аппаратура течеискания" в научно-техническом сборнике "Вакуумная техника", Казань, 1970 г.
2. Г.М. Гурвич. "Способ контроля герметичности полых изделий", А.С.СССР N 1610353 от 30.11.90 г. по заявке N 4478874/25-28 от 02.09.88 г.
3. В. Н. Болотин. "Дренажный стенд Болотина для испытания на герметичность", А. С. СССР N 1259124 от 23.03.86 г. по заявке N 3893850/25-28 от 13.05.85 г.
4. Ю. В. Байбородин и др. "Авиационные системы информации оптического диапазона". Справочник под ред. Л.З. Криксунова. М., Машиностроение, 1985 г. 256 с.
5. Х. Б. Гаррет и др. "Свечение над поверхностью КА и его влияние на работу бортовых систем" в журнале "Аэрокосмическая техника", 1989 г., N 10, с. 64-90.
6. Н. М. Пушкин и др. "Измерение фоновых электрических полей на внешней поверхности модуля "Квант" орбитальной станции "Мир"" в журнале "Космические исследования", 1994 г., т. 32, N 3, с. 140 - 142.
7. А.И. Акишин и др. "Собственная атмосфера КА и ее влияние на бортовые приборы и технологию в космосе" в сборнике "Космическое материаловедение и технология", изд. "Наука", М., 1977 г., с. 65 - 78.
Изобретение относится к измерительной и космической технике. Техническим результатом изобретения является повышение контроля течи и определение места течи на поверхности космического аппарата. Это достигается за счет того, что при определении места течи дополнительно осуществляют панорамный контроль герметичности отсека космического аппарата путем индикации пробного газа по его свечению на внешней поверхности космического аппарата под воздействием ионизирующих и возбуждающих это свечение факторов окружающего космического пространства и определяют прогнозируемые зоны нарушения герметичности для локальной индикации по превышению в этих зонах яркости свечения пробного газа над фоновым уровнем свечения, а при локальной индикации пробного газа в ряде точек прогнозируемой зоны на внешней поверхности отсека космического аппарата возбуждают скрещенные электрические и магнитные поля, измеряют в этих точках давление, свечение пробного газа и параметры электрического поля и определяют место течи по максимальному изменению давления, яркости свечения и параметров электрического поля, зарегистрированных в процессе наддува отсека космического аппарата пробным газом. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
| Дренажный стенд Болотина для испытания на герметичность | 1985 |
|
SU1259124A1 |
| Способ контроля герметичности полых изделий | 1988 |
|
SU1610353A1 |
