СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ НЕРАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ЗАПРАВЛЕННЫХ РАБОЧИМИ ТЕЛАМИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2007 года по МПК B64G1/50 G01N7/00 

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам технической диагностики нерастворенных газовых включений в заправленных рабочими телами гидравлических, преимущественно, системах терморегулирования пилотируемых космических аппаратов в ходе орбитального полета.

Изобретение может быть использовано на предприятиях, разрабатывающих и эксплуатирующих ракетно-космическую технику, имеющую в своем составе гидравлические системы, критичные к содержанию нерастворенных газовых включений в заправленных рабочих телах.

Как известно (см., например, описание к патенту РФ №2191147), рабочее давление в гидравлических магистралях систем терморегулирования отечественных космических аппаратов, расположенных внутри обитаемых отсеков, поддерживается ниже давления их атмосферы. Это обеспечивает безопасность экипажа в случае аварийной разгерметизации систем внутрь отсеков. Однако наличие перепада давлений между окружающим воздухом и рабочим телом системы приводит к постепенному натеканию воздуха в систему из-за конечной герметичности разъемных соединений трубопроводов и других агрегатов системы. Сначала этот воздух растворяется в деаэрированном рабочем теле, а после его насыщения распределяется по гидравлическим магистралям в виде свободных (нерастворенных) газовых включений. Циркулируя вместе с рабочим телом по системе, эти газовые включения постепенно объединяются в более крупные пузыри воздуха, которые в дальнейшем легко сепарируются на рабочем колесе центробежного насоса системы. Отсепарированный воздух постепенно скапливается внутри насоса, вытесняя жидкость из его внутренней полости на периферию рабочего колеса. Со временем воздух полностью вытесняет жидкость из насоса, циркуляция рабочего тела в системе останавливается и она выходит из строя. Такие случаи многократно наблюдались при длительной эксплуатации систем терморегулирования модулей орбитального комплекса "Мир".

Восстановление работоспособности системы терморегулирования при блокировании воздухом гидравлического насоса производят либо путем замены насыщенного воздухом рабочего тела, либо путем подключения к системе специального сепаратора, который удаляет воздух из гидравлических магистралей и насоса. Так как замена рабочего тела или его сепарирование являются достаточно длительными и сложными операциями, связанными, в том числе, с доставкой материальной части и рабочего тела на грузовом корабле, своевременная диагностики газовых включений на ранней стадии их появления является важным фактором рациональной и безопасной эксплуатации системы, позволяя планировать грузопоток на космический аппарат и время проведения указанных работ.

Известен способ функциональной диагностики пневмогидравлических систем жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с использованием математической модели двигателя (см. Лихачев В.Я., Васин А.С., Гликман Б.Ф. Техническая диагностика пневмогидравлических систем ЖРД. М.: Машиностроение, 1983 г.).

Способ предусматривает создание комплекта математических моделей разбитой на отдельные участки пневмогидравлической системы двигателя с последующей интеграцией его в общую математическую модель двигателя.

Одновременно создаются математические модели процессов, происходящих в газовых трактах двигателя, и модели неисправностей.

Далее проводится имитационное моделирование с применением современных ЭВМ, что позволяет осуществлять диагностику ЖРД в режиме реального масштаба времени (от нескольких секунд до сотых долей секунды).

Так как процесс насыщения рабочего тела воздухом и образование свободных газовых включений является достаточно медленным (десятки и даже сотни суток), то применять этот способ для диагностики газовых включений нецелесообразно из-за его достаточной сложности и больших трудозатрат на его реализацию.

Известны способы диагностирования неисправностей холодильного оборудования (см. А.И.Кулаковский, В.И.Новиков, С.С.Червяков. Ремонт и эксплуатация холодильных установок. М.: Высшая школа, 1992 г. стр.90-98). Способы предусматривают в том числе ультразвуковую, рентгеновскую и радиоизотопную дефектоскопию. Применительно к использованию этих способов на космических аппаратах, они обладают рядом существенных недостатков (сложность аппаратуры, необходимость набора специальных радиоактивных изотопов и т.п.), что делает их применение на борту космических аппаратов также нецелесообразным.

Известен способ контроля посторонних примесей в рабочих жидкостях гидравлических систем летательных аппаратов (см. В.И.Сапожников. Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах. М.: Машиностроение, 1972 г., стр.166-194).

Способ предусматривает взятие пробы рабочей жидкости и проведение физико-химического анализа состава пробы с помощью соответствующей аппаратуры в лабораторных условиях.

Применительно к использованию этого способа на борту космического аппарата, он обладает следующими недостатками:

- анализ взятой пробы рабочего тела может быть произведен только на Земле, т.к. лаборатория по определению физико-химических свойств рабочих тел на борту космического аппарата не предусмотрена;

- способ обладает низкой оперативностью, т.к. возвращение взятых проб рабочего тела на Землю может быть организовано 1 раз в полгода или в год при спуске транспортного пилотируемого корабля;

- способ требует создания специальных герметичных возвращаемых пробоотборников;

- для своего осуществления способ требует определенных материальных затрат, связанных с возвращением пробоотборников с рабочим телом на Землю.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа диагностики нерастворенных газовых включений в рабочих телах гидравлических систем космических аппаратов, который может быть реализован экипажем в полете с немедленным получением практических результатов, включая определение объема газовых включений, при этом способ не должен требовать отбора проб рабочего тела из системы, т.к. это значительно увеличивает длительность технологического процесса и снижает степень безопасности его для экипажа.

Учитывая недостатки вышеперечисленных технических решений и тот факт, что прототип изобретения не найден, поставленная задача решается тем, что в способе диагностики нерастворенных газовых включений в заправленных рабочими телами гидравлических системах космических аппаратов предварительно разгружают рабочее тело от внешнего давления, после чего измеряют давление рабочего тела P₁ и определяют его среднемассовую температуру t₁, а затем понижают эту температуру на величину, превышающую точность ее измерения до значения t₂, после чего вновь измеряют давление рабочего тела Р₂, сравнивают его с давлением насыщенных паров рабочего тела Р_н.п, соответствующего среднемассовой температуре t₂, и при выполнении равенства Р₂=Р_н.п. делают заключение об отсутствии в рабочем теле нерастворенных газовых включений, а при выполнении неравенства Р₂>Р_н.п. делают заключение о наличии в рабочем теле нерастворенных газовых включений и определяют объем включений из соотношения:

, где

v_г - суммарный объем нерастворенных газовых включений в рабочем теле системы;

V_c - объем заправленного в систему рабочего тела;

β - коэффициент объемного расширения рабочего тела;

t₁ - среднемассовая температура рабочего тела после разгрузки системы от внешнего давления;

t₂ - среднемассовая температура рабочего тела после ее понижения;

Р₁ - давление рабочего тела после разгрузки системы от внешнего давления;

Р₂ - давление рабочего тела после понижения его температуры.

Технический результат при использовании предложенного способа диагностики нерастворенных газовых включений в заправленных рабочими телами гидравлических системах космических аппаратов достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время аналогичных способов он обеспечивает:

- оперативное получение заключения о наличии (отсутствии) нерастворенных газовых включений в гидравлических системах непосредственно в процессе проведения работ на борту космического аппарата путем измерения давления и температуры рабочего тела существующими средствами;

- определение объема нерастворенных газовых включений в системе на основании проведенных измерений непосредственно на борту космического аппарата с учетом объема заправленного в систему рабочего тела и его теплофизических характеристик.

Кроме того, способ не требует взятия проб рабочего тела, возвращения их на Землю и проведения физико-химического анализа в лабораторных условиях. Способ является полностью безопасным для экипажа, т.к. исключает возможность попадания рабочего тела в обитаемый отсек и непосредственного воздействия на экипаж. Способ не требует создания дополнительных технических средств и использует стандартную материальную часть, являющуюся принадлежностью любой гидравлической системы космического аппарата.

Практическую реализацию предложенного способа рассмотрим на примере диагностики свободных газовых включений в рабочем теле одного из гидравлических контуров системы терморегулирования служебного модуля Российского сегмента Международной космической станции, т.к. способ разработан, в первую очередь, для этой системы.

Упомянутый контур объединяет теплообменные агрегаты различного назначения, расположенные как в обитаемых жилых, так и в необитаемых приборных отсеках служебного модуля. Контур снабжен гидропневматическим компенсатором объемного расширения рабочего тела, системой температурных датчиков, высокоточными датчиками абсолютного давления, измеряющими давление как в гидравлической магистрали контура, так и в газовой полости упомянутого компенсатора. Показания всех датчиков через телеметрическую систему передаются на Землю, а также транслируются в бортовую вычислительную систему и отображаются на мониторах бортового и наземного компьютеров. Циркуляцию теплоносителя в контуре обеспечивает центробежный насос, газовая полость гидропневматического компенсатора связана трубопроводом с дренажным клапаном, расположенным в обитаемом отсеке.

Диагностика проводится следующим образом. Экипаж выключает насос гидравлического контура и приступает к разгрузке системы от внешнего давления. Для этой цели он подключает к дренажному клапану, связанному с газовой полостью гидропневматического компенсатора системы, бортовой вакуумный насос (ручной или электрический) и высокоточный манометр абсолютного давления, после чего начинает вакуумирование газовой полости гидропневматического компенсатора. В процессе вакуумирования газовой полости компенсатора нерастворенный газ, находящийся в гидромагистралях системы, начинает расширяться, перемещая эластичный разделитель сред гидропневматического компенсатора в сторону его газовой полости. Такое перемещение разделителя сред будет происходить до тех пор, пока давление рабочего тела в гидромагистралях системы не станет равно его собственной жесткости (обычно 50-60 мм рт.ст.). Поэтому экипажу заранее сообщают паспортную жесткость разделителя сред конкретного компенсатора и он вакуумирует газовую полость компенсатора до давления на ˜10 мм рт.ст. меньше сообщенной величины (для надежного вакуумирования). Таким образом, после завершения вакуумирования газовой полости компенсатора давление рабочего тела в системе будет определяться только собственной жесткостью разделителя сред компенсатора.

После окончания вакуумирования газовой полости компенсатора (разгрузки системы от внешнего давления) экипаж определяет среднемассовую температуру теплоносителя в системе, вызывая в компьютер показания датчиков температуры и проводя обработку результатов измерений по заданному алгоритму. Затем экипаж измеряет давление рабочего тела в гидромагистрали системы с помощью датчика давления (индикация на мониторе бортового компьютера) и приступает к снижению температуры рабочего тела в гидромагистрали системы на 2-3°С (с учетом точности измерения температуры 1°С) путем понижения на эту величину температуры воздуха в отсеке, где расположено большинство гидравлических магистралей системы. Это достигается за счет изменения режима работы бортового кондиционера воздуха (снижение температуры рабочего тела в гидромагистрали необходимо для того, чтобы исключить влияние жесткости разделителя сред компенсатора на давление).

После определенной выдержки системы при пониженной температуре воздуха экипаж измеряет конечную температуру и давление рабочего тела в гидромагистрали. Если измеренное давление рабочего тела будет соответствовать давлению насыщенных паров при измеренной температуре, то это означает, что нерастворенные газовые включения в рабочем теле отсутствуют. Если же измеренное давление будет превышать давление насыщенных паров рабочего тела, соответствующее измеренной температуре, то это означает, что в системе присутствуют нерастворенные газовые включения.

Действительно, после вакуумирования газовой полости компенсатора давление рабочего тела в системе будет определяться только жесткостью разделителя сред компенсатора, которая заранее известна. При этом значения не имеет, если ли нерастворенные газовые включения в системе или нет. После понижения температуры рабочего тела на 2-3°С его объем уменьшиться на величину ΔV_Р.Т.=β·V_c·(Δt=2-3°С), где β - коэффициент объемного расширения рабочего тела, V_c - объем заправленного в систему рабочего тела. При отсутствии в системе нерастворенных газовых включений освободившийся объем будет заполнен насыщенными парами рабочего тела, давление которых будет определяться только среднемассовой температурой рабочего тела.

При наличии в системе нерастворенных газовых включений освободившийся объем будет заполнен расширившимся газом (если его конечное давление будет превышать давление насыщенных паров рабочего тела) или смесью расширившегося газа и насыщенного пара рабочего тела. В любом случае измеренное давление рабочего тела будет выше давления насыщенных паров рабочего тела, но меньше жесткости разделителя сред компенсатора. Так как все остальные характеристики системы известны можно легко определить объем нерастворенных газовых включений по приведенному в формуле изобретения соотношению. Для этого экипаж вводит в бортовой компьютер следующие результаты измерений:

t₁ - среднемассовая температура рабочего тела после разгрузки системы от внешнего давления;

t₂ - среднемассовая температура рабочего тела после ее понижения;

P₁ - давление рабочего тела после разгрузки системы от внешнего давления;

P₂ - давление рабочего тела после понижения его температуры.

Коэффициент объемного расширения рабочего тела и объем заправленного в систему рабочего тела сообщаются экипажу и вводятся в бортовой компьютер заранее, как и программа расчета объема нерастворенных газовых включений.

В результате расчета по установленной программе экипаж получает на мониторе бортового компьютера информацию об объеме нерастворенных газовых включений в рабочем теле, приведенном к номинальному рабочему давлению в системе. Такой же результат получают и специалисты Центра управления полетом на своем компьютере, используя соответствующие данные телеметрического контроля параметров системы. После этого принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации диагностированного контура или сепарации нерастворенного газа.

После получения результатов диагностики экипаж устанавливает номинальное рабочее давление в системе и приводит в исходное состояние средства, использованные в процессе диагностики.

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

- создать оперативный способ технической диагностики нерастворенных газовых включений в заправленных рабочими телами гидравлических системах пилотируемых космических аппаратов, не требующий отбора проб рабочего тела и возвращения их на Землю для лабораторного анализа;

- помимо качественного заключения о наличии (имеются нерастворенные газовые включения в системе или нет) определить объем таких включений;

- обеспечить безопасность экипажа при реализации этого способа на борту космического аппарата так как:

1) диагностика проводится при достаточно низких давлениях рабочего тела, близких давлению его насыщенных паров;

2) исключается возможность попадания рабочего тела и его паров в атмосферу обитаемого отсека, поскольку экипаж работает только с газовой полостью компенсатора системы, при этом давление в атмосфере отсека всегда больше испытательного давления в газовой полости компенсатора.

Изобретение относится к космической технике и предназначено для использования, преимущественно, в гидравлических системах терморегулирования пилотируемых космических аппаратов в ходе орбитального полета. Предлагаемый способ включает предварительную разгрузку рабочего тела (РТ) системы от внешнего давления. После этого измеряют давление РТ и определяют его среднемассовую температуру. Затем понижают эту температуру на величину, превышающую точность ее измерения, и измеряют давление РТ при этой пониженной температуре. Сравнивают данное давление с давлением насыщенных паров РТ при пониженном значении среднемассовой температуры. При равенстве обоих давлений делают заключение об отсутствии в РТ нерастворенных газовых включений. При превышении давлением в системе давления насыщенных паров РТ заключают о наличии в РТ нерастворенных газовых включений, объем которых определяют по соответствующей простой зависимости. Технический результат изобретения состоит в оперативном получении заключения о наличии или отсутствии газовых включений в гидравлической системе, для чего не требуется создания специальных технических средств. Способ использует стандартную материальную часть на борту космического аппарата и является полностью безопасным для экипажа, т.к. исключает возможность попадания рабочего тела в обитаемый отсек.

Способ диагностики нерастворенных газовых включений в заправленных рабочими телами гидравлических системах космических аппаратов, включающий предварительную разгрузку рабочего тела системы от внешнего давления, после чего измеряют давление рабочего тела P₁ и определяют его среднемассовую температуру t₁, a затем понижают эту температуру на величину, превышающую точность ее измерения, до значения t₂, после чего вновь измеряют давление рабочего тела P₂, сравнивают его с давлением насыщенных паров рабочего тела Р_н.п. при среднемассовой температуре t₂, и при выполнении равенства P₂=Р_н.п. делают заключение об отсутствии в рабочем теле нерастворенных газовых включений, а при выполнении неравенства Р₂>Р_н.п. делают заключение о наличии в рабочем теле нерастворенных газовых включений, причем определяют объем этих включений из соотношения

где V_г - суммарный объем нерастворенных газовых включений в рабочем теле системы;

V_с - объем заправленного в систему рабочего тела;

β - коэффициент объемного расширения рабочего тела;

t₁ - среднемассовая температура рабочего тела после разгрузки системы от внешнего давления;

t₂ - среднемассовая температура рабочего тела после ее понижения;

P₁ - давление рабочего тела после разгрузки системы от внешнего давления;

P₂ - давление рабочего тела после понижения его температуры.