СПОСОБ ПОИСКА МЕСТА НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ НА НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2002 года по МПК G01M3/00 

Изобретение предназначено для использования его в области космической техники при эксплуатации, обслуживании и ремонте объектов космической обитаемой станции, когда возникает потребность обнаружения негерметичного места на наружной поверхности космического объекта и его устранения.

В условиях космоса мог бы использоваться метод обнаружения негерметичного места снаружи объекта, широко применяемый в земных условиях и известный как метод шупа (В.А. Ланис и Л.Е. Левина. Техника вакуумных испытаний. Госэнергоиздат, 1963, с.235). Этот метод, выбранный в качестве аналога, основан на добавлении пробного газа, например гелия, к закачиваемому в объект газу, создающему избыточное давление в нем по отношению к давлению газовой среды окружающего объекта пространства с целью вызвать истечение смеси газов из негерметичных мест снаружи испытываемого объекта. Вакуумная система для осуществления этого способа приведена на фиг. 1.

Она включает щуп 1, выполняющий роль натекателя, вакуумный шланг 2, насос 3, вентиль 4, входной патрубок 5 в камеру 6 с расположенным в ней масс-спектрометрическим датчиком 7. Камера 6 имеет выходной патрубок 8, к которому присоединен насос 9. Щуп располагается вблизи поверхности объекта 10.

Смесь газов, содержащая пробный газ и вытекающая из негерметичного места под действием избыточного давления, идентифицируется именно как вытекающий из негерметичного места газ благодаря добавленному в него пробному газу до концентрации, значительно большей, чем фоновая концентрация этого газа в окружающей газовой среде. Для этого из района поиска негерметичного места через щуп 1 постоянно забирается в поток газ и транспортируется по гибкому вакуумному шлангу 2 на вход к насосу 3. Часть потока газа, входящего в насос 3, отводится через вентиль 4 и входной патрубок 5 в камеру 6 с установленным в ней масс-спектрометрическим датчиком 7. Из камеры 6 поступающий в нее поток газа откачивается через выходной патрубок 8 с помощью собственного насоса 9. С помощью датчика 7 определяется концентрация пробного газа в проходящем через камеру 6 газовом потоке. Обнаружение негерметичного места определяется по возрастанию показания датчика 7 относительно его фонового показания, а положение щупа в этот момент относительно поверхности испытываемого объекта 10 указывает местоположение на нем негерметичного места.

Недостатком этого метода обнаружения негерметичного места снаружи объекта в условиях космоса явилась бы его неэкономичность, связанная с необходимостью транспортировки запасов пробного газа на космическую орбиту и его хранения.

Технический результат изобретения - исключение необходимости применения пробного газа, например гелия, светящихся газов и др., а следовательно, уменьшение расходов по эксплуатации, обслуживанию и ремонту космических объектов.

Технический результат достигается за счет того, что способ поиска места негерметичности на наружной поверхности космического объекта включает предварительное создание внутри космического объекта избыточного давления газов, не содержащих пробный газ, транспортировку к поверхности космического объекта прибора для измерения давления, выполненного с входным патрубком и снабженного средством редуцирования давления газа, выполненного с выходным патрубком, перемещение прибора для измерения давления на определенном расстоянии от поверхности космического объекта для определения фонового показания от потока газа с поверхности космического объекта, перемещение прибора для измерения давления в направлении, при котором показания прибора относительно фонового значения возрастают, и определение места негерметичности на наружной поверхности космического объекта по наибольшему значению показания прибора для измерения, может использоваться гибкий шланг с раздвижной штангой со съемным сменным наконечником.

Возможность реализации изобретения подтверждается использованием в нем известного метода измерения давлений (физика и техника сверхвысокого вакуума. Сборник статей под общей редакцией Г.Л. Саксаганского, изд-во "Машиностроение", 1968 г. В.В. Кузьмин. Абсолютный метод измерения давлений в области ниже 10^-5 Торр, с. 177-183), предназначенного для градуировки манометрических преобразователей ионизационного типа ЛМ-2, в качестве метода обнаружения негерметичного места снаружи объекта в космосе, который позволяет для этой цели использовать любой непробный газ, имеющийся на космическом объекте: воздух, азот, углекислый газ и др. Обоснованием этого является практическое отсутствие атмосферы вокруг объекта в космическом пространстве, что позволяет заменить задачу обнаружения негерметичного места по идентификации вытекающего газа по возрастанию показания датчика концентрации пробного газа относительно его фонового показания на задачу обнаружения негерметичного места по идентификации вытекающего газа по возрастанию показания манометрического датчика относительно его фонового показания.

Этот известный метод, называемый также динамическим методом редукции давления, служит для градуировки датчиков давления, или манометрических преобразователей, в диапазоне от 10^-5 до 10¹² Торр.

Он основан на редукции давления и на влиянии величины создаваемого стационарного потока газа на показания датчика давления при прохождении этим потоком последовательно через два вакуумных сопротивления в виде вакуумных участков системы с известными проводимостями.

Указанный метод осуществляется с помощью градуировочной системы по методу редукции давления, которая схематично приведена на фиг. 2. Она состоит из верхней камеры 1 с патрубком 2, средней камеры 3 с манометрическим преобразователем 4 в качестве датчика давления и вакуумного насоса 5.

Верхняя камера 1 отделана от средней камеры 3 диафрагмой с вакуумным участком в виде отверстия 6, а средняя камера 3 отделена от насоса 5 диафрагмой с вакуумным участком в виде отверстия 7. Отверстия 6 и 7 играют роль вакуумных сопротивлений и имеют проводимости соответственно u₁ и u. Для создания давления p₁ в верхней камере 1 к ее патрубку 2 подключены натекатель и насос (не показаны). Давление в камере 3 обозначено р.

При условии стационарности потока газа через отверстия 6 и 7 и при условии, что давление р_е=2*10^-7 Торр, создаваемое насосом 5, значительно меньше р, из уровня непрерывности газового потока для давления р получено уравнение:
На его основе подбором проводимостей u₁ и u удается поддерживать давление р в камере 3 в удобном диапазоне от 10^-4 до 10^-6 тор при давлении от 1 до 10^-2 тор в камере 1, т.е. осуществлять редакцию давления в тысячи раз.

Измерение давлений с помощью градуировочной системы осуществляется следующим образом. С помощью натекателя и насоса, подключенных к патрубку 2, в камере 1 создается и поддерживается давление p₁, В соответствии с проводимостями отверстий 6 и 7 происходит редуцирование давления газа от p₁ в камере 1 до давления р в камере 3, которое замеряется датчиком давления 4. Поток газа в камеру 3, создаваемый за счет поддержания давления газа p₁ с помощью натекателя, величина потока газа через систему изменится и соответственно изменится давление р в камере 3, что используется при градуировке манометров.

Для применения этого метода в качестве метода обнаружения негерметичных мест снаружи объекта в космосе важно то, что датчик давления 4 в этой системе реагирует на изменение величины создаваемого и установившегося потока газа, а это изменение в условиях космоса в силу отсутствия атмосферы может являться только следствием обнаружения негерметичного места. Что касается относительной чувствительности датчика давления, например ионизационной лампы ЛМ-2, для разных газов, которые могут использоваться для создания избыточного давления в объекте в космосе, то она отличается примерно на 30 процентов при замене одного газа на другой, что не скажется на чувствительности метода обнаружения негерметичного места снаружи объекта в космосе, так как показания датчика давления могут возрастать до нескольких тысяч раз.

Правомерность применения метода измерения давления в качестве метода обнаружения негерметичного места снаружи объекта в космосе обеспечивается в соответствующем устройстве выполнением необходимых условий: молекулярный режим течения газа и возможность редуцирования давления, обеспечение стационарности потока газа, наличие откачивающего устройства для поддержания давления не ниже 2 10^-7Торр.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где:
на фиг. 1 показана известная вакуумная система для осуществления метода щупа,
на фиг. 2 показана известная градуировочная система по методу редукции давления,
на фиг. 3 показано устройство для реализации изобретения.

Для осуществления изобретения может быть применено устройство, использующее в своей основе метод измерения давлений, изображенное схематично на фиг. 3. Оно состоит из съемного конического наконечника 1, гибкого, например, гофрированного, шланга 2. На один из концов шланга 2 одет наконечник 1, а второй его конец надет на патрубок тройника 3. Второй патрубок тройника 3 имеет цилиндрическую задвижку 4, способную внутри него передвигаться и создавать вакуумное сопротивление в виде вакуумного участка с известной проводимостью, устанавливаемой с помощью задвижки 4, на входе в измерительную камеру 5, к которой тройник 3 присоединен своим третьим патрубком. Измерительная камера 5 имеет вакуумный участок с известной проводимостью в виде выходного патрубка 6, соединяющего полость камеры 5 с космическим пространством, и патрубок 7, который соединяет полость камеры 5 с полостью гнезда 8, в которой устанавливается датчик давления 9, например ионизационный манометрический преобразователь лампа ЛМ-2 с открытым входным патрубком. Таким образом полость этой лампы оказывается сообщенной с полостью камеры 5. Тройник 3, камера 5 и гнездо 8 объединены жестким корпусом 10, предохраняющим лампу ЛМ-2 от разрушения при случайном ударе.

Для перемещения наконечника 1 для обнаружения негерметичного места предусмотрена раздвижная штанга (не показана), благодаря которой космонавт-испытатель находится на удалении от места поиска негерметичного места, что ослабляет влияние газовых потоков от скафандра на фоновое показание датчика давления.

Для питания манометрического преобразователя 9 предусмотрен блок питания, размещаемый, например, внутри космического объекта, и ближайший к месту поиска негерметичного места термовывод на поверхности объекта (не показано).

Стрелочный индикатор (не показан) типа микроамперметра располагается в удобном для космонавта-испытателя месте, например на корпусе 10 устройства, в основании раздвижной штанги, на рукаве комбинезона и т.п. Предусматривается также звуковая интерпретация показаний стрелочного индикатора. На фиг. 3 обозначены также поверхность космического объекта 11, негерметичное место 12 и внутренняя полость 13 космического объекта.

Метод обнаружения негерметичного места снаружи объекта в космос осуществляется с помощью устройства на фиг. 3 следующим образом. Внутренняя полость 13 космического объекта 11 заполняется газом, создающим в ней давление, достаточное для возникновения истечения газа в космос из негерметичного места объекта. Устройство крепится на специально предусмотренном или устанавливаемом кронштейне на поверхности космического объекта 11 таким образом, чтобы выходной патрубок 6 имел ориентацию в направлении, близком к нормальному от поверхности объекта в сторону космического пространства.

Наконечник 1 с помощью раздвижной штанги перемещается по поверхности объекта или по расположенным на ней узлам и изделиям на расстоянии Н от испытываемой поверхности, которое по возможности должно быть как можно меньшим. Благодаря конической форме наконечника 1 при его наложении на поверхность объекта или перемещении по ней охватывается значительная площадь поверхности, что позволяет быстро обнаружить негерметичное место или район его местоположения. В этом случае производится уточнение местоположения самого негерметичного места. Для этого наконечник 1 снимается со шланга 2, и уточнение осуществляется концом шланга 2 по наибольшему показанию индикатора по отношению к его фоновому показателю. Фоновое показание определяется каждый раз для нового района поиска негерметичного места и расстояния Н наконечника от исследуемой поверхности, а диапазон измерения давлений для датчика давления подбирается перемещением задвижки 4, при котором изменяется проводимость вакуумного участка на входе в камеру 5, что позволяет редуцировать давление и создавать стационарный поток газа различной величины.

В самом устройстве на отдельных участках вакуумной системы имеют место следующие процессы.

При нахождении наконечника 1 на расстоянии Н от поверхности объекта поток газов с поверхности объекта, имеющий направленный характер в высоком вакууме из-за большой длины свободного пробега молекул или в силу истечения из негерметичного места, поступает в полость наконечника 1. В результате соударений молекул газа с внутренними стенками наконечника 1 движение молекул в нем становится хаотичным. Распределение молекул по скоростям приближается к равновесному.

В этих условиях величина потока газа по гибкому шлангу 2 зависит от соотношения между проводимостью, создаваемой задвижкой 4, и проводимостью через зазор Н между наконечником 1 и поверхностью объекта 11, а также от величины входящего в наконечник 1 потока газа, создающего давление в полости наконечника 1.

От задвижки 4 после редукции давления в ней поток газа входит в камеру 5, в которой создается давление газа в зависимости от соотношения проводимостей задвижки 4 и выходного патрубка 6 и в зависимости от величины давления газа в наконечнике 1, которое примерно равно давлению газа в шланге 2, давление газа в измерительной камере 5 регистрируется датчиком давления 9. Поступающий в измерительную камеру 5 поток газа удаляется из нее с помощью космического пространства, играющего роль насоса и создающего необходимое давление за патрубком 6 около 10^-7 Торр.

Фактом обнаружения негерметичного места 12 на объекте 11 является заметное изменение показания датчика давления 9 по сравнению с его фоновым показанием, а фатом отсутствия негерметичного места на объекте является неизменность фонового показания или незначительность его отклонения при выбранном положении наконечника 1 относительно поверхности объекта 11.

Стационарность потока газа через вакуумную систему устройства обеспечивается при неподвижном положении наконечника 1 в течение времени, достаточного для прохождения потока газа до измерительной камеры 5. Однако конусность наконечника 1 позволяет осуществлять безостановочное движение наконечника 1 относительно исследуемой поверхности со скоростью, обеспечивающей установление стационарности потока за время нахождения его конуса над негерметичным местом 12. Скорость такого перемещения наконечника 1 зависит в основном от длины гибкого шланга 2.

Молекулярный режим течения газа обеспечивается степенью открытия задвижки 4 для редуцирования давления газа, при котором поддерживается рабочий диапазон давлений в камере 5, а необходимое давление за патрубком 6 обеспечивается самим космическим пространством.

Таким образом, все условия правомерности применения метода измерения давлений в качестве метода обнаружения негерметичного места снаружи объекта в космосе соблюдены, что позволяет считать решение поставленной технической задачи достигнутым, так как исключено применение пробного газа и обоснована возможность применения любого газа, имеющегося на космической обитаемой станции, для обнаружения негерметичного места на объекте в космосе, что уменьшает расходы по эксплуатации, обслуживанию и ремонту космических объектов.

Изобретение используется в космической технике. Технический результат: уменьшение расходов по эксплуатации, обслуживанию и ремонту космических объектов. Результат обеспечивается за счет того, что способ поиска места негерметичности на наружной поверхности космического объекта включает предварительное создание внутри космического объекта избыточного давления газов, не содержащих пробный газ, транспортировку к поверхности космического объекта прибора для измерения давления, выполненного с входным патрубком и снабженного средством редуцирования давления газа, которое выполнено с выходным патрубком, перемещение прибора для измерения давления на определенном расстоянии от поверхности космического объекта для определения фонового показания от потока газа с поверхности космического объекта, перемещение прибора для измерения давления в направлении, при котором показания прибора относительно фонового значения возрастают, и определение места негерметичности на наружной поверхности космического объекта по наибольшему значению показания прибора для измерения давления. Способ включает использование гибкого шланга с раздвижной штангой со съемным сменным наконечником. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ поиска места негерметичности на наружной поверхности космического объекта, включающий предварительное создание внутри космического объекта избыточного давления газов, не содержащих пробный газ, транспортировку к поверхности космического объекта прибора для измерения давления, выполненного с входным патрубком и снабженного средством редуцирования давления газа, выполненного с выходным патрубком, перемещение прибора для измерения давления на определенном расстоянии от поверхности космического объекта для определения фонового показания от потока газа с поверхности космического объекта, перемещение прибора для измерения давления в направлении, при котором показания прибора относительно фонового значения возрастают, и определение места негерметичности на наружной поверхности космического объекта по наибольшему значению показания прибора для измерения давления. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что включает использование гибкого шланга с раздвижной штангой со съемным сменным наконечником.