СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕНАЖНЫХ УСТРОЙСТВ ОТСЕКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01M9/00 G01F5/00 B64G7/00 

Изобретение относится к области аэродинамических испытаний летательного аппарата (ЛА) и может быть использовано в ракетостроении и авиации при определении и регулировании аэродинамических нагрузок, действующих на отсек ЛА, его элементы (оболочку, технологические люки и др. элементы) и объекты (полезные грузы (ПГ), блоки автоматики системы управления (СУ) и др. объекты), размещенные в отсеке ЛА.

Изобретение предназначено для определения расходных характеристик (РХ) дренажных устройств (ДрУ) натурных (штатных) отсеков, например РН, а также космических головных частей (КГЧ) РН, выполненных в виде отсеков с объектами, подлежащими термостатированию непосредственно в предстартовый период подготовки РН.

Известен способ определения РХ ДрУ отсека ЛА, например РН, на модели отсека с ДрУ [1], а также при автономных испытаниях ДрУ [2] с перетеканием рабочей среды через ДрУ в атмосферу [2] или в замкнутый объем барокамеры с различными давлениями в объеме барокамеры [3].

Способ включает вдув рабочей среды (воздуха) в замкнутый объем модели отсека или фрагмент отсека с заданным расходом с перетеканием рабочей среды через ДрУ, измерение давлений внутри и вне отсека с определением перепада давлений в результате вдува, по величинам которых оценивают РХ ДрУ.

По техническим решениям [1], [2], [3] РХ ДрУ определяют с пониженной точностью, поскольку на модели отсека РН в аэродинамических трубах либо на фрагменте РН на стенде не представляется возможным в полном объеме смоделировать геометрические характеристики отсека с ДрУ. К тому же не моделируется эффективная суммарная площадь негерметичности (далее - негерметичность) отсека РН, необходимая для определения РХ ДрУ.

По техническому решению [1] при сравнении различных форм ДрУ выявляют качественное влияние аэродинамического потока на РХ ДрУ и выбирают форму ДрУ.

По техническому решению [2], в отличие от [1], при автономных испытаниях натурных ДрУ с фрагментом отсека с перетеканием рабочей среды через ДрУ в атмосферу уточняют влияние некоторых конструктивных элементов ДрУ, но РХ ДрУ получают в ограниченном диапазоне перепадов давлений на отсеке, поскольку истечение рабочей среды осуществляют в атмосферу.

По техническому решению [3], в отличие от [2], также при автономных испытаниях ДрУ с фрагментом отсека в барокамере увеличивают диапазон изменения перепадов давлений, действующих на ДрУ, за счет истечения рабочей среды в объем барокамеры с различными давлениями.

Техническое решение [3] принято авторами за прототип способа определения РХ ДрУ отсека ЛА.

Недостатком этого технического решения и аналогов является низкая точность определения РХ ДрУ, так как РХ ДрУ получают в условиях ограниченного газодинамического моделирования, поскольку в качестве рабочей среды используют воздух высокого давления, параметры которого (газовая постоянная R и температура Т) отличаются от параметров собственной атмосферы натурного отсека в полете. Это приводит к неточности определения расхода через ДрУ. Кроме того, на фрагменте отсека с ДрУ не моделируются газодинамические параметры на входе в ДрУ, поскольку не учитывается перетекание рабочей среды в отсеке, что приводит к неточности определения перепадов давлений, действующих на отсек по траектории полета.

Известно устройство для определения РХ ДрУ отсека РН на фрагменте отсека с ДрУ на стенде, содержащее источник формирования и регулирования рабочей среды, систему подачи рабочей среды в предкамеру, в которой смонтировано ДрУ, с возможностью вдува в нее рабочей среды с перетеканием через ДрУ и истечением в атмосферу.

Устройство содержит также средства измерения перепада давлений рабочей среды на фрагменте отсека перед и после ДрУ, по которому с учетом измеренного расхода рабочей среды определяют РХ отдельного ДрУ [2].

Известно также устройство для определения РХ ДрУ отсека РН на фрагменте отсека с ДрУ в барокамере, содержащее источник формирования и регулирования параметров рабочей среды, систему подачи рабочей среды в предкамеру, в которой смонтировано ДрУ. Вдув в предкамеру рабочей среды осуществляют с перетеканием через ДрУ и истечением ее в барокамеру. Устройство содержит также средства измерения перепада давлений рабочей среды на фрагменте отсека перед и после ДрУ, по которому с учетом измеренного расхода определяют РХ отдельного ДрУ [3].

Техническое решение [3] принято авторами за прототип устройства.

Недостатками этого технического решения являются:

- низкая точность определения РХ ДрУ, поскольку РХ ДрУ получают в условиях ограниченного геометрического моделирования отсека и объектов, размещенных в отсеке (геометрические характеристики ДрУ, негерметичность отсека, канала перетекания среды и т.п.);

- использование сложных систем и оборудования стендов и аэродинамических установок, привлекаемых для определения РХ ДрУ;

- существенные эксплуатационные затраты на подготовку и проведение работ.

Задачей изобретения является определение РХ ДрУ отсека ЛА с повышенной точностью для регулирования аэродинамических нагрузок, действующих на элементы отсека ЛА и объекты, размещенные в отсеке, по траектории полета ЛА.

Задача решается таким образом, что в способе определения РХ ДрУ отсека ЛА, включающем вдув рабочей среды в отсек с перетеканием через ДрУ, измерение перепада давлений внутри и вне отсека при вдуве, согласно изобретению, в качестве рабочей среды используют ТС с температурой на входе в отсек, соответствующей температуре термостатирования отсека в предстартовый период подготовки ЛА, а вдув ТС осуществляют в полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, как при поочередном ее перетекании через каждое ДрУ, так и с герметично закрытыми ДрУ на этом же отсеке с расходами, обеспечивающими перепады давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений внутри и вне отсека по траектории полета, при этом по замеренньм перепадам давлений при вдуве и соответствующим им расходам при перетекании ТС через каждое ДрУ определяют РХ данного ДрУ, включающую негерметичность отсека, а с герметично закрытыми ДрУ - негерметичность отсека, и по разности полученной РХ каждого ДрУ и негерметичности отсека при одних и тех же перепадах давления определяют истинную РХ данного ДрУ.

Задача решается также таким образом, что в систему для определения РХ ДрУ отсека ЛА, содержащую источник формирования и регулирования параметров рабочей среды, трубопровод подачи рабочей среды в отсек, датчик перепада давлений внутри и вне отсека, согласно изобретению, введен полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, установленные на отсеке датчики перепада давлений внутри и вне отсека, по крайней мере один, и температуры среды в отсеке, а источник формирования и регулирования параметров рабочей среды выполнен в виде воздушной системы обеспечения теплового режима (ВСОТР) объектов ЛА, при этом на отсеке установлены съемные средства обеспечения локальной герметичности ДрУ, выполненные в виде крышек с прижимными элементами, причем по крайней мере одна крышка выполнена полой с отверстием, сообщенным пневмотрассой с датчиком перепада давлений внутри и вне отсека ЛА.

Таким образом, обеспечение требуемых перепадов давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующих перепадам давлений по траектории полета, наряду с исключением влияния негерметичности на РХ ДрУ приводит к определению истинных РХ ДрУ отсека.

При этом обеспечивается полное геометрическое моделирование отсека с установленными на нем ДрУ за счет использования в качестве объекта исследования собранного и предназначенного для полета натурного отсека с размещенными в нем объектами функционирования ЛА, а также полное газодинамическое моделирование течения рабочей среды за счет использования в качестве рабочего тела ТС.

Кроме того, уменьшаются экплуатационные затраты на проведение работ за счет:

- расширения функциональных возможностей ВСОТР применительно к аэродинамическим исследованиям;

- исключения специальных стендов с системой подачи и регулирования рабочей среды с измерительными средствами, стендового оборудования и моделей отсека ЛА для определения РХ ДрУ.

Сущность изобретения иллюстрируется на примере решения поставленной задачи применительно к КГЧ РН, выполненной в виде отсека с ДрУ, снабженного отверстиями вдува и истечения с клапанами ТС. В объеме КГЧ размещены объекты функционирования КГЧ.

На фиг.1 иллюстрируется система с основными ее элементами для определения РХ ДрУ отсека, на фиг.2 - суммарной негерметичности КГЧ. На этих же чертежах иллюстрируется схема перетекания ТС в объеме КГЧ.

На фиг.3 приведена расчетная зависимость негерметичности μS КГЧ от перепада давлений ΔР внутри и вне КГЧ и расхода Q, вдуваемой в объем КГЧ ТС.

На фиг.4 и 5 приведены экспериментальные зависимости РХ μSι, ι-ого ДрУ и негерметичности μS_н КГЧ РН от перепада давлений ΔР, действующих на КГЧ, полученные в предполетный период подготовки КГЧ с использованием ТС ВСОТР.

На этих фигурах:

1 - космическая головная часть;

2 - отверстие дренажного устройства;

3 - клапан дренажного устройства;

4 - средство локального отрыва аэродинамического потока;

5 - источник формирования и регулирования параметров рабочей среды;

6 - трубопровод;

7 - отверстие вдува;

8 - датчик перепада давлений;

9 - средства обеспечения локальной герметичности дренажных устройств;

10 - отверстие в крышке;

11 - пневмотрасса;

12 - отверстие истечения;

13 - клапан отверстия вдува;

14 - клапан отверстия истечения;

15 - объекты (показаны условно в габаритах);

16 - датчик температуры.

17, 18 - экспериментальные зависимости;

19, 20 - допустимые значения.

Определение РХ μSι ДрУ натурной КГЧ 1 и суммарной ее негерметичности μS_н осуществляют на собранной и готовой к полету КГЧ 1 с ДрУ, выполненными на ее боковой поверхности (фиг.1, 2). ДрУ могут быть выполнены в виде отверстий ДрУ 2, либо отверстий ДрУ 2 с клапанами ДрУ 3, либо со средствами локального отрыва аэродинамического потока 4.

Система содержит источник формирования и регулирования параметров рабочей среды 5 (показан условно), выполненной в виде ВСОТР (см., например, [4]) объектов 15, подлежащих термостатированию в предстартовый период подготовки КГЧ, с трубопроводом 6 подачи ТС в КГЧ к отверстию вдува 7 ТС, выполненным на боковой поверхности КГЧ. Система содержит также датчик перепада давлений 8, съемные средства обеспечения локальной герметичности ДрУ 9, выполненные в виде крышек с прижимными элементами. Отверстия истечения 12 ТС снабжены клапанами отверстий истечения ТС 14. Причем одна из этих крышек выполнена с отверстием в крышке 10, сообщенным пневмотрассой 11 с датчиком перепада давлений 8. В объеме КГЧ установлен также датчик температуры 16.

Определение РХ μSι, ι-го ДрУ осуществляют на КГЧ следующим образом (фиг.1).

Предварительно трубопровод 6 подачи ТС ВСОТР сообщают с отверстием вдува 7 ТС, открыв клапан отверстия вдува 13 ТС. Перекрывают также отверстие истечения 12 ТС, выполненное в КГЧ, клапаном отверстия истечения 14 ТС. Все ДрУ, кроме исследуемого (узел I), перекрывают съемными средствами обеспечения локальной герметичности ДрУ 9, например, по техническому решению [5].

В объем КГЧ через отверстие вдува 7 вдувают ТС, которая перетекает через отверстие ДрУ 2 с клапаном ДрУ 3 исследуемого ДрУ в атмосферу (направление течения ТС показано стрелками). Одновременно происходит перетекание ТС через элементы негерметичности КГЧ (условно показано малыми стрелками).

Вдув рабочей среды осуществляют с расходами Q, соответствующими перепадам давлений ΔР внутри и вне КГЧ в наземных условиях, лежащих в диапазоне перепадов давлений ΔР внутри и вне КГЧ (ΔР=Рвн.-Рнар.) по траектории полета РН. В качестве модельной среды используют штатную ТС ВСОТР, которая является рабочей средой для термостатирования объектов в предстартовый период подготовки КГЧ. Это повышает точность определения РХ ДрУ, поскольку используется одна и та же физическая среда при функционировании объектов КГЧ в наземных и полетных условиях, и, следовательно, однозначное соответствие расхода Q и перепада давления ΔР.

При установившемся режиме ТС, соответствующем фиксированному расходу ТС, измеряют перепад давлений ΔР датчиком перепада давлений 8 и температуру в КГЧ датчиком температуры 16. Повторяют эксперимент при различных расходах ТС.

Для исследуемого ДрУ по измеренным перепадам давлений ΔР, температуре Т в КГЧ и соответствующим им расходам Q с использованием расчетной сетки (фиг.3), полученой с учетом влияния параметров ТС, отпределяют зависимость суммарной РХ (μS) ДрУ негерметичной КГЧ от перепада давлений ΔР, которая включает суммарную негерметичность КГЧ (μS)_н.

Указанную процедуру повторяют для всех ДрУ КГЧ.

Определение суммарной негерметичности μS_н осуществляют на этом же КГЧ (фиг.2), но с герметично закрытыми всеми ДрУ средствами обеспечения локальной герметичности ДрУ 9 (см. узел I ). При этом в качестве рабочей среды также используют ТС ВСОТР с параметрами, соответствующими параметрам термостатирования объектов КГЧ в предстартовый период их подготовки, а вдув ТС осуществляют с расходами, соответствующими перепадам давлений ΔР внутри и вне КГЧ в наземных условиях, лежащих в диапазоне перепадов давлений по траектории полета, по величинам которых определяют негерметичность КГЧ μSн, которую сравнивают с допустимой (фиг.5).

Искомую расходную характеристику μS_i i-го ДрУ (фиг.4) определяют по разности РХ ДрУ μS негерметичной КГЧ (фиг.3) и соответственно суммарной негерметичности μS_н КГЧ (фиг.3), которую также сравнивают с допустимой, заданной в документации характеристикой. В случае аномальных отклонений значений μS_i от допустимых принимают решение о допустимости к эксплуатации системы дренирования КГЧ или о возможном открытии или закрытии дополнительных ДрУ к полету.

По окончании работы средства обеспечения локальной герметичности ДрУ 9 снимают с КГЧ. Закрывают клапан отверстия вдува 13 ТС. Освобождают также клапан отверстия истечения 14 ТС.

С использованием технического решения для отсека КГЧ с объемом газовой среды V=155 м³ на фиг.4 и 5 приведены экспериментальные зависимости μS_i (поз. 17) и μS_н (поз. 18) от перепада давлений ДР по сравнению с допустимыми (поз. 19, 20), из которых следует, что полученные величины в данном случае являются допустимыми для КГЧ. В случае отклонения значений μS_i и μS_н от допустимых принимают решение о доработке КГЧ или об изменении количества работающих в полете ДрУ.

Таким образом, поскольку решение задачи осуществляют на натурной КГЧ РН, предназначенной к полету с присущей ей негерметичностью конструкции, а вдув рабочей среды осуществляют с расходами, соответствующими перепадам давлений внутри и вне КГЧ в наземных условиях, лежащих в диапазоне таких же перепадов по траектории полета и, кроме того, с использованием в качестве рабочей среды ТС, которая является рабочей средой при функционировании объектов, размещенных в КГЧ РН, повышают точность определения РХ каждого ДрУ. Определяют также негерметичность натурного, предназначенного к полету КГЧ, что в совокупности приводит к решению поставленной задачи. Тем самым повышают надежность эксплуатации РН.

Вместе с тем, использование ВСОТР, работа с которой входит в предстартовый цикл проверки работоспособности объектов РН, расширяет функциональные возможности ВСОТР за счет ее применения для аэродинамических исследований. Кроме того, исключение работ на специальных аэродинамических стендах с использованием рабочей среды, отличной от среды термостатирования объектов, приводит к существенному сокращению эксплуатационных затрат на заключительном этапе отработки аэродинамических характеристик КГЧ РН.

Изобретение может быть использовано для определения РХ ДрУ, кроме КГЧ, также штатных переходных (межблочных, межбаковых) отсеков и двигательных отсеков РН, отсеки которых выполнены по каркасной схеме. Причем из-за значительных габаритов некоторых отсеков РН, а также невозможности обеспечения полного геометрического моделирования ДрУ, в настоящее время не существует альтернативного решения поставленной задачи.

В космонавтике и авиации изобретение может быть использовано при проведении работ на натурных отсеках, например грузового отсека космического аппарата или отсека самолета.

В настоящее время предлагаемое техническое решение апробировано на одном из вариантов КГЧ РН, внедряется на разрабатываемых предприятием ЛА и является составной частью технологического цикла работ в период предполетной подготовки натурных отсеков ЛА.

Литература

1. НТО №43-2220-99-178. Определение влияния внешнего потока на расходные характеристики дренажных устройств блока ДМ-SL. ЦНИИМаш. 1998 г.

2. Технический отчет N 2/314 ГК по результатам испытаний дренажных устройств по программе П32683-143. НПО "Энергия", 1997 г.

3. НТО N 1-2-04/98. Экспериментальное определение расходных характеристик дренажных устройств приборного отсека РКН "Зенит-3 SL". МИП "Аэродинамика инвест", 1998 г.

4. Космодром. Под ред. проф. А.П.Вольского. М.: ВИ МО СССР. 1977. стр.208-213.

5. Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов. Под ред. акад. В.П.Мишина и проф. В.К.Карраска. М.: Машиностроение. 1991. стр.204.

Изобретение относится к аэродинамическим испытаниям и может быть использовано в ракетостроении и авиации для определения и регулирования полетных аэродинамических нагрузок на отсеки летательных аппаратов и их элементы. Предлагаемый способ включает вдув в отсек термостатирующей среды, используемой в качестве рабочей. Расход этой среды выбирают так, чтобы перепады давлений снаружи и внутри отсека в наземных условиях соответствовали перепадам давлений, действующих на отсек по траектории полета. Интересующие характеристики дренажных устройств определяют по измеренным расходам при перетекании термостатирующей среды через каждое дренажное устройство, перепадам давлений и температуре среды в отсеке. При этом учитывается негерметичность отсека. По результатам испытаний может быть принято решение о доработке отсека либо изменении количества работающих в полете дренажных устройств. Технический результат изобретения состоит в повышении точности определения расходных характеристик дренажных устройств, надежности эксплуатации отсека и сокращении эксплуатационных затрат на проведение работ. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения расходных характеристик дренажных устройств отсека летательного аппарата, включающий вдув рабочей среды в отсек с перетеканием через дренажные устройства, измерение перепада давлений внутри и вне отсека при вдуве, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют термостатирующую среду с температурой на входе в отсек, соответствующей температуре термостатирования отсека в предстартовый период подготовки летательного аппарата, а вдув термостатирующей среды осуществляют в полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, как при поочередном ее перетекании через каждое дренажное устройство, так и с герметично закрытыми дренажными устройствами на этом же отсеке с расходами, обеспечивающими перепады давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений внутри и вне отсека по траектории полета, при этом по замеренным перепадам давлений при вдуве и соответствующим им расходам при перетекании термостатирующей среды через каждое дренажное устройство определяют расходную характеристику данного дренажного устройства, включающую негерметичность отсека, а с герметично закрытыми дренажными устройствами - негерметичность отсека, и по разности полученной расходной характеристики каждого дренажного устройства и негерметичности отсека при одних и тех же перепадах давления определяют истинную расходную характеристику данного дренажного устройства.2. Система для определения расходных характеристик дренажных устройств отсека летательного аппарата, содержащая источник формирования и регулирования параметров рабочей среды, трубопровод подачи рабочей среды в отсек, датчик перепада давлений внутри и вне отсека, отличающаяся тем, что в нее введен полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, установленные на отсеке датчики перепада давлений внутри и вне отсека, по крайней мере один датчик температуры среды в отсеке, а источник формирования и регулирования параметров рабочей среды выполнен в виде воздушной системы обеспечения теплового режима отсека летательного аппарата, при этом на отсеке установлены съемные средства обеспечения локальной герметичности дренажных устройств, выполненные в виде крышек с прижимными элементами, причем по крайней мере одна крышка выполнена полой с отверстием, сообщенным пневмотрассой с датчиком перепада давлений внутри и вне отсека летательного аппарата.