СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЗАПРАВЛЕННОЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, СНАБЖЕННОЙ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ Российский патент 2005 года по МПК G01M3/00 B64G1/50 

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам контроля герметичности заправленных теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, снабженных гидропневматическим компенсатором. Предлагаемый способ может быть применен как в полете, так и во время наземной подготовки и в процессе хранения космических аппаратов.

Изобретение может быть использовано на предприятиях ракетно-космической промышленности, а также в других отраслях производства, где традиционные методы контроля герметичности заправленных рабочими телами гидравлических систем различного назначения, снабженных гидропневматическим компенсатором или их аналогом, такие как гидростатический, люминесцентный и другие, не могут быть использованы по тем или иным причинам.

Герметичность гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов самого широкого назначения является основным техническим параметром, позволяющим давать прогноз на дальнейшую работоспособность таких систем как в полете, так и в период длительного хранения их в наземных условиях. Поэтому способы (методы) объективного контроля герметичности гидравлических систем, позволяющие определять фактические потери теплоносителя или степень их соответствия установленным нормативам, имеют важное значение, так как во многом могут определить дальнейшую судьбу конкретного космического аппарата.

Как известно, основу гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов составляет замкнутый контур промежуточного теплоносителя, гидромагистрали которого размещены как в обитаемых герметичных отсеках, так и в других, недоступных для экипажа местах (непосещаемые герметичные приборные отсеки, негерметичные агрегатные отсеки, наружная поверхность космического аппарата и т.п.).

Для компенсации температурного изменения объема теплоносителя такие системы обычно снабжаются гидропневматическими компенсаторами. Компенсатор представляет собой сферическую или цилиндрическую емкость, герметично разделенную на две полости - жидкостную и газовую - подвижным разделителем сред. В качестве таких разделителей используют эластичную резиновую мембрану или объемный металлический сильфон. Жидкостная полость компенсатора подключается к гидромагистрали системы, а газовая - заправляется азотом или воздухом с определенным давлением. Компенсация температурного изменения объема теплоносителя обеспечивается за счет сжатия (расширения) газа в газовой полости компенсатора, которое сопровождается соответствующим изменением давления в гидромагистрали.

Условия плотной компоновки таких систем и их размещения на космических аппаратах практически исключают возможность применения гидростатического и люминесцентного методов контроля герметичности (они могут применяться лишь в обитаемых отсеках в очень ограниченном объеме и давать представление о местной негерметичности какой-либо гидромагистрали). Подробно о методах испытаний на герметичность заправленных рабочими телами гидравлических систем см. [1], стр.195-233.

Поэтому до настоящего времени манометрический метод контроля суммарной герметичности заправленных теплоносителем гидравлических систем космических аппаратов является единственным методом, широко применяемым в отечественной ракетно-космической промышленности. Этот метод, предусматривающий периодический контроль давления в заправленной системе, имеет целый ряд разновидностей, отличающихся только технической реализацией средств измерения давления (механические манометры, механические и электрические сигнализаторы предельных давлений, дистанционные электрические и телеметрические датчики давления и т.п.).

Известен манометрический метод контроля герметичности заправленных рабочими телами гидравлических систем, приведенный в [1], стр.205. Метод предусматривает измерение давления рабочих тел с помощью механических манометров и определение темпа его снижения за определенное время. Эта величина является нормативной и косвенно подтверждает заданную герметичность системы. Метод широко применяется в авиационной и ракетно-космической промышленности. Методу присущи следующие недостатки:

- метод не позволяет напрямую определять конкретную величину потери рабочего тела из системы (весовую или объемную), а дает возможность лишь косвенно судить о ней по скорости снижения давления за контролируемое время;

- метод не учитывает изменение давления в системе за счет изменения среднемассовой температуры рабочего тела, которое может быть значительным при работе системы в широком диапазоне температур. Это, во-первых, снижает чувствительность метода, а, во-вторых, не дает возможность точно осуществлять временную привязку момента начала нештатного изменения давления в случае разгерметизации системы;

- чувствительность (точность) метода зависит от объема системы и рабочего диапазона манометра, поэтому, чем больше объем системы и чем выше рабочее давление в системе, тем хуже чувствительность метода.

Задачей настоящего изобретения является создание простого и надежного способа контроля герметичности заправленной теплоносителем гидравлической системы терморегулирования, снабженной гидропневматическим компенсатором, позволяющего:

- во-первых, после проведения каждой контрольной операции делать достоверное заключение о соответствии фактической герметичности системы нормативному значению;

- во-вторых, на любом этапе эксплуатации космического аппарата, включая его длительное хранение с заправленной системой в наземных условиях, с высокой точностью определять потери теплоносителя из системы;

- в-третьих, минимизировать материальные затраты на его реализацию.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе контроля гидравлических характеристик заправленной теплоносителем системы терморегулирования, основанном на измерении текущих параметров системы и сравнении их с результатами предшествующих измерений, периодически измеряют свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора при одной и той же контрольной среднемассовой температуре теплоносителя и при выполнении соотношения:

Vi≤(V_i+1+nϕ)1),

где Vi - объем газовой полости гидропневматического компенсатора при i-том измерении;

V_i+1 - объем газовой полости гидропневматического компенсатора при следующем измерении;

n - временной интервал между i-тым и i+1 измерениями;

ϕ - нормативная величина объемной потери теплоносителя из системы в единицу времени,

делают заключение о соответствии герметичности системы нормативному значению, а по разнице объемов, полученных при (i+1)-м и i-тым измерениями, отнесенной к временному интервалу между этими измерениями, определяют фактические потери теплоносителя из системы в единицу времени.

Технический результат при использовании предложенного способа контроля герметичности заправленной теплоносителем гидравлический системы терморегулирования космического аппарата достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время аналогичных способов, в процессе эксплуатации (или хранения в наземных условиях) системы периодически измеряют не рабочее давление в системе, а непосредственно текущее значение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора системы при одной и той же среднемассовой температуре теплоносителя. При этом разница между измеренными объемами, отнесенная к временному интервалу между измерениями, является величиной фактической потери теплоносителя из гидромагистрали системы в единицу времени, т.е. непосредственно и в полной мере характеризует герметичность системы (свойство конструкции системы терять во внешнюю среду в единицу времени не более заданного объема рабочего тела).

Действительно, все потери теплоносителя из гидромагистрали системы во внешнюю среду автоматически восполняются вытеснением соответствующего объема теплоносителя из жидкостной полости компенсатора. При этом объем газовой полости компенсатора увеличивается на величину вытесненного объема теплоносителя, т.е. на величину потерь теплоносителя из гидромагистрали системы. Таким образом, герметичность заправленной теплоносителем системы можно контролировать путем периодического измерения свободного объема газовой полости компенсатора системы.

Практическую реализацию предложенного способа контроля герметичности заправленной теплоносителем гидравлической системы терморегулирования с гидропневматическим компенсатором рассмотрим на примере одного из перспективных обитаемых модулей Российского сегмента Международной космической станции, предназначенного для длительной эксплуатации в условиях космического пространства.

На этом модуле для измерения свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора системы терморегулирования принят метод эталонной емкости. При измерении объема по этому методу в газовой полости гидропневматического компенсатора устанавливается избыточное давление воздуха (по отношении к давлению атмосферы обитаемого отсека), например, на уровне 0,1-0,2 кгс/см², которое с достаточно высокой точностью контролируется с помощью манометра абсолютного давления. В эталонной емкости, объем которой с заданной точностью измерен при ее изготовлении, обычно устанавливается давление атмосферы отсека. После этого газовая полость гидропневматического компенсатора системы сообщается с эталонной емкостью и измеряется абсолютное давление воздуха в объединенном объеме. Так как исходные давления и объем эталонной емкости известны, то свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора легко определить из соотношения:

где V_ГПК - свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора;

v_эе - объем эталонной емкости;

Р_об - давление воздуха в объединенном объеме - газовая полость гидропневматического компенсатора плюс эталонная емкость;

P_эе - исходное давление воздуха в эталонной емкости;

P_гпк - исходное давление воздуха в газовой полости гидропневматического компенсатора.

Описание этого метода и схема устройства для его осуществления приведены, например, в [2] и [3].

Для возможности реализации метода эталонной емкости для измерения свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора в процессе изготовления модуля его система терморегулирования конструктивно выполняется таким образом, чтобы газовая полость гидропневматического компенсатора была связана трубопроводом с дренажным клапаном, расположенным в доступном месте обитаемого отсека. Одновременно изготавливается устройство для измерения объема.

Устройство выполняется в виде съемного переносного блока, который содержит: дренажное приспособление, предназначенное для подключения блока к дренажному клапану газовой полости гидропневматического компенсатора; высокоточный прибор для измерения абсолютного давления (например, манометр абсолютного давления типа ВК-316М), эталонную емкость, группу запорных клапанов и штуцер для подключения бортового источника давления.

Для измерения среднемассовой температуры теплоносителя на поверхности гидромагистралей системы, расположенных в различных частях модуля, устанавливаются температурные датчики. Часть датчиков (8-10 штук) подключается к бортовой телеметрической системе и используется в процессе измерений при наземной подготовке модуля и в полете, вторая часть датчиков подключается к наземной (технологической) системе контроля параметров заправленных систем модуля и используется для измерения температуры теплоносителя при длительном хранении модуля (чтобы при измерении температуры не подавать электропитание на борт модуля и не включать бортовые системы).

На этапе наземной подготовки модуля (как правило, после заправки системы терморегулирования теплоносителем до установки штатного рабочего давления в системе) проводят контрольное измерение среднемассовой температуры теплоносителя, заправленного в гидромагистрали системы, и соответствующий ей свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора.

С целью снижения энергозатрат в полете, связанных с наведением контрольной среднемассовой температуры теплоносителя, измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора при наземной подготовке системы проводят при номинальной среднемассовой рабочей температуре теплоносителя, определяемой основным номиналом настройки канала автоматического регулирования температуры.

Например, если номинальная среднемассовая рабочая температура теплоносителя системы в полете составляет 15±2°С (основной номинал настройки канала автоматического регулирования) при имеющейся возможности ее изменения (за счет перенастройки канала) в диапазоне 10-25°С, то при наземной подготовке системы измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора проводят именно при этой (15±2°С) температуре.

Так как в зале монтажно-испытательного корпуса, где проводится наземная подготовка модуля, температура окружающего воздуха поддерживается в диапазоне 22±3°С, то на время проведения этой операции к системе терморегулирования через штатный бортовой теплообменник подключаются средства наземного термостатирования и с их помощью среднемассовая температура теплоносителя системы снижается до необходимого уровня (15±2°С). Для равномерного распределения температуры теплоносителя по гидромагистрали одновременно включается гидронасос системы.

Контроль температуры теплоносителя во время этой операции производится с помощью бортовой телеметрической системы, при этом показания температурных датчиков с целью получения заданной точности в достижении необходимой среднемассовой температуры теплоносителя обрабатываются наземным компьютером по специальному алгоритму.

После того, как среднемассовая температура теплоносителя в системе достигла необходимого значения, к дренажному клапану газовой полости гидропневматического компенсатора подключают устройство для измерения объема и измеряют этот объем. Измеренные значения среднемассовой температуры теплоносителя и соответствующего ей свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора являются контрольными (реперными) значениями для последующих операций контроля герметичности заправленной теплоносителем системы.

Эти значения заносятся в формуляры системы терморегулирования и модуля и используются в дальнейшем при эксплуатации системы в полете.

После измерения свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора системы устройство для измерения объема отключается от дренажного клапана и укладывается на место хранения в обитаемом отсеке.

В течение полета в соответствии с инструкцией по эксплуатации модуля экипаж проводит периодический контроль герметичности системы терморегулирования. В планируемое Центром управления полетом время экипаж контролирует текущую настройку канала автоматического регулирования температуры теплоносителя и при необходимости выбирает номинал настройки, обеспечивающий заданную контрольную среднемассовую температуру теплоносителя (в рассматриваемом случае 15±2°С). Контроль этой температуры осуществляется на дисплее системного Laptop’а с помощью датчиков системы телеметрических измерений, показания которых во время этой операции транслируется в бортовой вычислительный комплекс, где они обрабатываются по специальному алгоритму с выдачей результата на Laptop. После достижения среднемассовой температурой контрольного значения экипаж подключает к дренажному клапану газовой полости гидропневматического компенсатора устройство для измерения объема и проводит это измерение. При этом необходимое избыточное давление в газовой полости гидропневматического компенсатора создается с помощью бортового источника давления, подключаемого к устройству на время этой операции.

Затем с помощью Laptop’а экипаж вводит полученные данные (исходное давление газа в газовой полости гидропневматического компенсатора, исходное давление в эталонной емкости устройства, установившееся давление газа в объединенном объеме, текущее время полета) в бортовой вычислительный комплекс, где по программе, составленной на основании формул 1, 2 и заложенных констант (объем эталонной емкости, нормативная величина объемной потери теплоносителя), проводится вычисление текущего свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора.

В результате вычислений бортового комплекса экипаж на дисплее Laptop’a получает следующую информацию:

- время проведения операции (календарная дата, текущее время, время с начала полета);

- временной интервал между последним и предыдущим измерениями;

- свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора, полученный во время предыдущего измерения;

- текущий свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора;

- текущую фактическую величину объемной потери теплоносителя в единицу времени;

- потери теплоносителя из системы за время эксплуатации;

- заключение о герметичности (негерметичности) системы;

- номер экспедиции, фамилии членов экипажа.

При этом полученный во время последнего измерения текущий свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора автоматически записывается в память бортового вычислительного комплекса.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата, а именно:

- создать высокоточный способ контроля герметичности заправленных теплоносителем гидравлических систем терморегулирования, точность которого определяется только классом точности манометра абсолютного давления (для прибора, например, ВК-316М - шкала от 0 до 950 мм рт.ст., - точность измерения составляет ±0,5 мм рт.ст.);

- определять величину фактической потери теплоносителя из системы с момента ее заправки во время каждой операции контроля герметичности;

- с учетом временного интервала между двумя последовательными операциями контроля герметичности определять величину фактической потери теплоносителя в единицу времени и путем сравнения ее с нормативной величиной давать однозначное заключение о герметичности (или негерметичности) системы;

- на основе анализа текущей динамики изменения величины фактических потерь теплоносителя из системы в единицу времени и количества компенсационного остатка жидкости в гидропневматическом компенсаторе давать прогноз на срок дальнейшей эксплуатации системы;

- повысить надежность эксплуатации системы терморегулирования (и модуля в целом) за счет достоверной информации о ее фактических характеристиках и прогноза на срок дальнейшей эксплуатации.

Для своей реализации предложенный способ не требует создания эталонных гидравлических аналогов системы терморегулирования и проведения длительных циклов наземных гидравлических испытании, а также постоянного сопровождения полета на эталонных наземных системах.

Реализация предложенного способа требует незначительных материальных затрат.

Предложенный способ разработан в порядке выполнения служебного задания с целью дальнейшего совершенствования способов контроля герметичности систем терморегулирования модулей Российского сегмента Международной космической станции.

Список литературы:

1. В.М.Сапожников, “Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах”, Москва, 1977 г., Машиностроение.

2. ОСТ 92-9470-81 Система терморегулирования. Методика заправки теплоносителями.

3. Патент Российской федерации №2067954 (заявка №4512110 от 10.04.1989 г.).

Изобретение относится к космической технике и может быть применено как в полете, так и во время наземной подготовки и в процессе хранения космических аппаратов. Техническим результатом изобретения является создание простого, надежного и точного способа контроля герметичности заправленной теплоносителем гидравлической системы терморегулирования, снабженной гидропневматическим компенсатором. Этот технический результат обеспечивается за счет того, что периодически измеряют свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора при одной и той же контрольной среднемассовой температуре теплоносителя и при выполнении соотношения: Vi≤(V_i+1+nϕ) 1), где Vi - объем газовой полости гидропневматического компенсатора при i-том измерении;V_i+1 - объем газовой полости гидропневматического компенсатора при следующем измерении; n - временной интервал между i-тым и i+1 измерениями; ϕ - нормативная величина объемной потери теплоносителя из системы в единицу времени, делают заключение о соответствии герметичности системы нормативному значению, а по разнице объемов, полученных при (i+1)-м и i-тым измерениями, отнесенной к временному интервалу между этими измерениями, определяют фактические потери теплоносителя из системы в единицу времени. Согласно изобретению периодически измеряют не рабочее давление в системе, а непосредственно текущее значение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора системы при одной и той же среднемассовой температуре теплоносителя. При этом разница между измеренными объемами, отнесенная к временному интервалу между измерениями, является величиной фактической потери теплоносителя из гидромагистрали системы в единицу времени.

Способ контроля герметичности заправленной теплоносителем гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором, основанный на измерении текущих параметров системы и сравнении их с результатами предшествующих измерений, при этом периодически измеряют свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора при одной и той же контрольной среднемассовой температуре теплоносителя и при выполнении соотношения:

Vi≤(V_i+1+nϕ), где

Vi - объем газовой полости гидропневматического компенсатора при i-м измерении;

V_i+1 - объем газовой полости гидропневматического компенсатора при следующем измерении;

n - временной интервал между i-м и i+1 измерениями;

ϕ - нормативная величина объемной потери теплоносителя из системы в единицу времени, делают заключение о соответствии герметичности системы нормативному значению, а по разнице объемов, полученных при (i+1)-м и i-м измерениями, отнесенной к временному интервалу между этими измерениями, определяют фактические потери теплоносителя из системы в единицу времени.