СПОСОБ ЗАПРАВКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, СНАБЖЕННЫХ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА Российский патент 2007 года по МПК B64G1/50 B67D5/00 

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов различного назначения, преимущественно снабженных гидропневматическим компенсатором объемного расширения жидкого рабочего тела, при их наземной подготовке.

Изобретение может быть использовано на предприятиях, занимающихся производством и эксплуатацией космической техники или в других отраслях промышленности, где предъявляются повышенные требования к качеству заправки рабочими телами гидравлических систем.

В течение последних десятилетий в отечественной космической практике созданы и успешно эксплуатируются гидравлические системы терморегулирования. Основу таких систем составляет замкнутый гидравлический контур, заправленный жидким теплоносителем и снабженный гидропневматическим компенсатором объемного расширения рабочего тела. Компенсатор представляет собой сферическую или цилиндрическую емкость соответствующего объема, герметично разделенную на две полости - жидкостную и газовую - подвижным разделителем сред. Обычно в качестве таких разделителей используют эластичную резиновую мембрану или объемный металлический сильфон. Жидкостная полость такого компенсатора подключается к гидравлической магистрали системы, а газовая полость заправляется азотом или воздухом под необходимым давлением, которое определяет рабочее давление в системе. Компенсация температурного изменения объема теплоносителя обеспечивается за счет сжатия (расширения) газа в газовой полости компенсатора, которое сопровождается соответствующим изменением давления в гидравлической магистрали системы (см., например, «Космические аппараты», М.: Военное издательство, 1983, стр.213-215).

Заправка таких систем теплоносителем производится, как правило, на техническом комплексе космодрома в период заключительного этапа наземной подготовки космического аппарата за 2-3 недели до его старта, поэтому сокращение длительности этого технологического процесса является актуальной задачей, так как позволяет создать определенный резерв времени, который может быть использован для устранения задержек при подготовке других систем космического аппарата.

Известны способы заправки гидравлических систем теплоносителем или рабочими жидкостями (см. «Агрегаты технического обслуживания самолетов и вертолетов», Егорычев А.Б., Осокин Е.П., Хачикян А.Д. М.: Машиностроение, 1973 г., стр.101-103).

Способы предусматривают заполнение гидравлической магистрали системы рабочими жидкостями и установку рабочего давления на уровне, обеспечивающем выполнение системами своих силовых функций, например на уровне 150-210 кгс/см², необходимом для выпуска шасси. При этом специальная операция растворения остатков воздуха в рабочих жидкостях отсутствует, т.к. установленное давление в системе автоматически обеспечивает сжатие и быстрое растворение воздуха. Для систем терморегулирования космических аппаратов этот способ применяться не может, т.к. абсолютное статическое рабочее давление в этих системах не превышает ˜0,8-1,2 кгс/см², при котором процесс растворения воздуха может продолжаться несколько недель.

Известен также способ заправки гидравлических систем терморегулирования космических обитаемых аппаратов, охраняемый патентом Российской Федерации № 2191147.

Способ предусматривает предварительное определение гидравлических характеристик системы на ее наземном гидравлическом аналоге, заполнение системы теплоносителем с измерением его среднемассовой температуры и установку рабочего давления в системе, величина которого выбирается по приведенному в формуле изобретения соотношению в зависимости от измеренных гидравлических характеристик. Способ обеспечивает безопасность экипажа космического корабля в случае аварийной разгерметизации гидравлических магистралей системы внутри жилых и обитаемых отсеков за счет того, что давление теплоносителя на этих участках поддерживается ниже давления атмосферы отсеков.

К недостатку способа следует отнести отсутствие операции растворения в теплоносителе воздуха, оставшегося в гидравлической магистрали при вакуумировании системы и выделившегося из теплоносителя в процессе подачи его в гидравлическую магистраль. Это приводит к изменению (снижению) рабочего давления в системе в ходе ее эксплуатации за счет постепенного растворения остатков воздуха в теплоносителе, что затрудняет контроль герметичности системы.

Известен способ заправки гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, охраняемый патентом Российской Федерации № 2196711, принятый автором за прототип.

Способ включает операции вакуумирования системы, снабженной гидропневматическим компенсатором, заполнения ее деаэрированным теплоносителем, предварительного слива теплоносителя, растворения остатков воздуха в теплоносителе, измерения среднемассовой температуры заправленного теплоносителя, измерения установившегося объема газовой полости компенсатора, окончательного тарированного слива теплоносителя из гидравлической магистрали и установки рабочего давления в системе. При этом растворение остатков воздуха в теплоносителе проводится путем нагружения системы максимально допустимым по условиям прочности технологическим давлением и созданием циркуляции теплоносителя. Длительность операции растворения воздуха определяется экспериментальным путем на наземном гидравлическом аналоге системы для условий максимально возможного количества остатков воздуха в системе, допускаемого действующей технической документацией. При этом полученная нормативная длительность операции растворения воздуха является правомерной только для того конкретного типа теплоносителя, который заправлен в гидравлический аналог системы. Прототип обладает следующими недостатками:

- требует проведение предварительного эксперимента на гидравлическом аналоге системы по определению нормативной длительности операции растворения остатков свободного воздуха в заправленной системе, что сопряжено с определенными материальными затратами;

- длительность операции растворения воздуха в этом способе является излишне затянутой по времени, так как не учитывает реальное количество воздуха в системе, которое на практике бывает в несколько раз меньше допустимого значения;

- длительность операции растворения воздуха не является универсальной для различных типов теплоносителей, так как в технологии способа не учитывается влияние объемной растворимости воздуха (различной для разных жидкостей) на длительность операции его растворения;

- в способе не используется объективный критерий завершения операции растворения воздуха, единый для всех типов теплоносителей, что также приводит к увеличению длительности операции растворения воздуха.

Задачей настоящего изобретения является создание способа заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, снабженных гидропневматическим компенсатором объемного расширения рабочего тела, позволяющего сократить длительность технологического процесса за счет объективной оценки завершения операции растворения остатков свободного воздуха в жидких теплоносителях различных марок и не требующего предварительного проведения эксперимента на гидравлическом аналоге системы с соответствующей экономией материальных средств.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе заправки гидравлических систем терморегулирования, включающем вакуумирование системы, снабженной гидропневматическим компенсатором, заполнение ее деаэрированным теплоносителем, предварительный слив избыточного теплоносителя, растворение остатков свободного воздуха в заполненной теплоносителем системе путем нагружения ее максимально допустимым по условиям прочности технологическим давлением с созданием циркуляции теплоносителя в системе, измерение среднемассовой температуры теплоносителя и установившегося объема газовой полости компенсатора, окончательный слив теплоносителя с учетом измеренного объема газовой полости компенсатора и установку рабочего давления в системе, соответствующего измеренной температуре, при растворении остатков свободного воздуха в теплоносителе ведут постоянный контроль изменения давления в системе до стабилизации его в пределах точности измерения, после чего разгружают систему от технологического давления и продолжают поддерживать циркуляцию теплоносителя в системе до выхода на стационарный режим в переделах точности измерений его температуры в контролируемых точках системы, а затем после измерения среднемассовой температуры теплоносителя и установившегося объема газовой полости компенсатора системы производят вышеуказанный окончательный слив теплоносителя с учетом измеренного объема газовой полости компенсатора и установку рабочего давления, соответствующего измеренной среднемассовой температуре.

Технический результат от использования предложенного способа заправки по сравнению с прототипом состоит в экономии материальных средств и сокращении длительности технологического процесса заправки системы в целом. Это обусловлено тем, что предложенная технология позволяет точно определить время завершения операции растворения воздуха в различных теплоносителях, независимо от их типа, и тратить на операцию ровно столько времени, сколько необходимо на растворение того реального количества воздуха, который находится в системе. Так как реальное количество остатков воздуха в заправленной системе обычно в несколько раз меньше допускаемой величины, то в целом затраты времени на операцию растворения воздуха и измерения среднемассовой температуры теплоносителя могут быть уменьшены, следовательно, на эту же величину может быть уменьшена длительность всего процесса заправки.

Кроме того, предложенный способ не требует проведения экспериментальных работ на гидравлическом аналоге системы, так как фактически необходимая длительность процесса растворения воздуха определяется автоматически на каждом заправляемом космическом аппарате, благодаря использованию объективного критерия завершения операции растворения - стабилизации давления на каком-либо установившемся уровне (в зависимости от конкретного количества воздуха, находившегося в системе).

Действительно, растворение воздуха в деаэрированном теплоносителе проходит без увеличения объема жидкости до полного ее насыщения, так как молекулы воздуха занимают свое место внутри молекулярной решетки (структуры) жидкости. Поэтому растворение воздуха в теплоносителе будет сопровождаться снижением установленного технологического давления в системе. При полном же растворении воздуха снижение давления в системе прекращается и оно стабилизируется на уровне, который будет определяться общим исходным количеством воздуха в системе (воздух, оставшийся в системе после ее вакуумирования, и воздух, выделившийся из теплоносителя при заполнении системы), объемной растворимостью воздуха в конкретном типе жидкости, давлением в системе и общей поверхностью контакта воздуха с жидкостью. Это и является объективным критерием окончания процесса растворения воздуха.

По предложенному способу заправка теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, снабженных гидропневматическим компенсатором, проводится следующим образом.

Как и в способе-прототипе, гидравлическая магистраль системы перед заправкой вакуумируется до достижения устойчивого вакуума на уровне 0,1-0,2 мм рт.ст. До начала этой операции в заправочном баке заправщика закончена деаэрация теплоносителя. Степень деаэрации в каждом случае определяется применяемой технологией, техническими характеристиками наземного оборудования, располагаемым временем на проведение этой операции.

Далее производят заполнение системы теплоносителем путем вытеснения его из заправщика за счет создания избыточного давления технологического газа (обычно азота) над зеркалом теплоносителя в заправочном баке. При подаче теплоносителя в отвакуумированную систему из жидкости выделяется определенное количество растворенного в ней воздуха, часть которого будет затем обратно растворена в жидкости после заполнения системы и выдержки системы под давлением вытеснения, а часть останется в свободном виде. Эту часть свободного воздуха совместно с остатком воздуха после вакуумирования системы и предстоит полностью растворить в теплоносителе в ходе дальнейшей операции.

Перед началом операции растворения воздуха производится предварительный технологический слив теплоносителя из системы в объеме ˜0,5 литра. Предварительный слив выполняется из соображения безопасности на случай прекращения и длительной задержки операции растворения сразу после ее начала в связи с возникновением каких-либо чрезвычайных обстоятельств (выход из строя системы кондиционирования воздуха помещения, где находится космический аппарат; общее отключение электропитания здания и т.п.). Затем систему нагружают максимально-допустимым по условиям прочности технологическим давлением путем наддува газовой полости компенсатора системы азотом до соответствующего давления и включают гидравлический насос системы для создания циркуляции теплоносителя. Цель создания циркуляции теплоносителя - интенсивное перемешивание остаточного воздуха в теплоносителе (увеличение площади соприкосновения жидкости и воздуха), а также выравнивание его температуры по гидравлическому тракту системы.

В ходе операции растворения воздуха ведут постоянный контроль давления азота в газовой полости компенсатора системы с помощью образцового манометра и температуры теплоносителя с помощью датчиков, установленных на трубопроводах в различных точках гидравлической магистрали системы. При растворении воздуха в теплоносителе объем смеси жидкости и газа в системе уменьшается, при этом происходит автоматическая компенсация растворенного воздуха жидкостью, вытесняемой из компенсатора системы. В результате этого объем газовой полости компенсатора увеличивается (за счет уменьшения объема жидкости в компенсаторе), и, следовательно, снижается давление азота в газовой полости компенсатора. При полном растворении остаточного воздуха компенсация занимаемого им объема жидкостью из компенсатора прекращается, объем газовой полости компенсатора и давление в ней азота стабилизируются на установившихся уровнях, что является объективным критерием завершения операции. Однако за время проведения этой операции температура теплоносителя в различных точках системы иногда не успевает выйти на стационарный режим из-за большой инерционности тепловых процессов.

Поэтому, после стабилизации давления в газовой полости компенсатора, разгружают систему от избыточного технологического давления путем стравливания азота из газовой полости компенсатора системы до атмосферного давления, но гидравлический насос в системе не выключают, обеспечивая еще некоторое время циркуляцию теплоносителя, и продолжают контроль температуры в различных точках гидравлического тракта системы.

При достижении температурой теплоносителя в контролируемых точках стационарного режима измеряют среднемассовую температуру теплоносителя и выключают гидравлический насос системы. Далее измеряют установившийся объем газовой полости компенсатора, производят окончательный слив теплоносителя с учетом измеренного объема газовой полости компенсатора и устанавливают рабочее давление в системе, соответствующее измеренной среднемассовой температуре теплоносителя. На этом процесс заправки системы теплоносителем считается законченным.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в прототипе, позволяет достичь нового технического результата: дополнительно сократить общее время заправки гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов еще на ˜1,5-2 часа за счет сокращения операции растворения воздуха при сохранении достигнутого уровня качества, надежности и безопасности процесса. При этом обеспечивается объективный контроль завершения операции растворения воздуха в системе. Применение предложенного способа не требует серьезной доработки существующего заправочного и другого наземного оборудования и дополнительного повышения квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, предложенный способ не требует проведения экспериментальных работ на гидравлическом аналоге системы по определению времени, необходимого на операции растворения воздуха, так как время растворения конкретного количества свободного воздуха объективно определяется непосредственно в процессе заправки каждого космического аппарата. Это предполагает определенную экономию материальных средств.

Изобретение относится к терморегулированию объектов космической техники и может быть использовано при их производстве и наземной подготовке. Предлагаемый способ включает вакуумирование системы, заполнение ее деаэрированным теплоносителем, предварительный слив избыточного теплоносителя и растворение остатков свободного воздуха в заполненной теплоносителем системе. При растворении остатков свободного воздуха нагружают систему максимально допустимым технологическим давлением, ведут постоянный контроль изменения давления в системе до его стабилизации, создавая циркуляцию теплоносителя в системе. Измеряют среднемассовую температуру теплоносителя и установившегося объема газовой полости компенсатора. Затем разгружают систему от технологического давления, продолжая поддерживать циркуляцию теплоносителя до выхода на стационарный режим температуры в контролируемых точках системы. После измерения указанной среднемассовой температуры производят окончательный слив теплоносителя с учетом измеренного установившегося объема газовой полости компенсатора и установку рабочего давления, отвечающего измеренной среднемассовой температуре. Техническим результатом изобретения является сокращение длительности технологического процесса за счет объективной оценки завершения операции растворения остатков свободного воздуха в жидких теплоносителях различных марок, а также экономия материальных средств ввиду отсутствия необходимости проведения эксперимента на гидравлическом аналоге системы.

Способ заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, снабженных гидропневматическим компенсатором объемного расширения рабочего тела, включающий вакуумирование системы, заполнение ее деаэрированным теплоносителем, предварительный слив избыточного теплоносителя, растворение остатков свободного воздуха в заполненной теплоносителем системе путем нагружения ее максимально допустимым по условиям прочности технологическим давлением с созданием циркуляции теплоносителя в системе, измерение среднемассовой температуры теплоносителя и установившегося объема газовой полости компенсатора, окончательный слив теплоносителя с учетом измеренного установившегося объема газовой полости компенсатора и установку рабочего давления в системе, соответствующего измеренной температуре, отличающийся тем, что при растворении остатков свободного воздуха в теплоносителе ведут постоянный контроль изменения давления в системе до стабилизации его в пределах точности измерения, после чего разгружают систему от технологического давления и продолжают поддерживать циркуляцию теплоносителя в системе до выхода на стационарный режим в пределах точности измерений его температуры в контролируемых точках системы, а затем после измерения среднемассовой температуры теплоносителя и установившегося объема газовой полости компенсатора системы производят вышеуказанный окончательный слив теплоносителя с учетом измеренного установившегося объема газовой полости компенсатора и установку рабочего давления, соответствующего измеренной среднемассовой температуре.