СПОСОБ ЗАПРАВКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2009 года по МПК B64G1/50 B67D5/00 

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам заправки низкотемпературных гидравлических контуров систем терморегулирования космических аппаратов, работающих в полете при низких отрицательных температурах, при их наземной подготовке.

Изобретение может быть использовано на предприятиях, занимающихся производством и эксплуатацией космической техники, или в других отраслях промышленности, эксплуатирующих в условиях Крайнего Севера оборудование и агрегаты, снабженные гидравлическими системами различного назначения.

Как известно (см., например, «Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа летательных аппаратов», В.И.Серебряков, М., Машиностроение, 1983 г., стр.78-79), системы терморегулирования пилотируемых космических аппаратов в настоящее время выполняются двухконтурными: в наружном (внешнем) контуре циркулирует низкозамерзающий теплоноситель, во внутреннем контуре циркулирует теплоноситель, главные требования к которому - нетоксичность и пожаровзрывобезопасность. Контуры связаны между собой через промежуточный жидкостно-жидкостный теплообменник.

В качестве теплоносителей низкотемпературных гидравлических контуров таких систем используются водонерастворимые углеводороды или кремнийорганические жидкости с температурой замерзания ниже минус 100°С. К недостатку таких жидкостей следует отнести их высокую пожаровзрывоопасность (например, температура вспышки паров углеводородного теплоносителя на основе изооктана на открытом воздухе составляет минус 9°С). Поэтому исходя из условий безопасности приемо-сдаточные испытания большинства комплектующих низкотемпературные контуры систем агрегатов (теплообменники, гидравлические насосы и т.п.) проводятся на дистиллированной воде с последующей сушкой их внутренних полостей. Такая технология имеет один существенный недостаток: в случае нарушения режимов сушки (по температуре или по времени) или другого производственного брака во внутренних полостях агрегатов может оставаться неконтролируемое количество влаги или ее высоконасыщенных паров. В процессе монтажа агрегатов эта влага (или конденсат паров) попадает во внутренние полости системы. Другим источником влаги в системе может быть конденсат атмосферной влаги, образующийся, например, в незаконсервированных трубопроводных сборках при их изготовлении из-за колебаний температуры при высокой влажности атмосферного воздуха.

Наличие неконтролируемой влаги в системе приводит к тому, что после заправки системы теплоносителем влага будет присутствовать в нем в виде свободных включений различной степени дисперсности. В ходе эксплуатации системы после снижения температуры теплоносителя ниже 0°С свободная влага замерзает и в виде ледяных частиц различного размера будет вместе с теплоносителем циркулировать в системе. Попадая на механические фильтры, такие частицы осаждаются на их фильтрующих элементах, забивают проходные сечения фильтров и могут вызвать прекращение циркуляции теплоносителя в системе, что равнозначно выходу системы из строя.

Поэтому помимо целого комплекса мероприятий, направленных на исключение возможности попадания влаги во внутренние полости систем при их изготовлении и хранении, особое значение приобретает объективный контроль отсутствия влаги в системе перед заправкой ее теплоносителем.

Известны способы заправки теплоносителями или рабочими жидкостями гидравлических систем (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 систем рабочими жидкостями и установку рабочего давления на уровне, обеспечивающем выполнение системами своих функций.

Известен способ заправки гидравлических систем (см. «Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах». Сапожников В.М., М., Машиностроение, 1972 г., стр.152-159). Способ предусматривает предварительное заполнение гидравлической магистрали системы рабочей жидкостью с последующим созданием рабочего давления, равного номинальному давлению в гидроаккумуляторе системы и позволяющего прокачивать рабочую жидкость через систему, многократно срабатывая исполнительными механизмами, до полного заполнения системы.

Известен способ заправки гидравлических систем терморегулирования космических обитаемых аппаратов, охраняемый патентом Российской Федерации №2191147. Способ включает в себя операции измерения гидравлических характеристик системы, заполнение ее гидравлической магистрали теплоносителем и установки статического рабочего давления.

Известен способ заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических обитаемых аппаратов, охраняемый патентом Российской Федерации №2196711. Способ включает в себя операции вакуумирования системы, заполнение ее деаэрированным теплоносителем, растворения остаточного воздуха и установки рабочего давления в системе.

Известен способ заправки теплоносителем гидравлической системы терморегулирования космического обитаемого аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором, охраняемый патентом Российской Федерации №2252901. Способ включает в себя заполнение отвакуумированной гидравлической магистрали системы деаэрированным теплоносителем путем вытеснения его давлением газа из бака заправщика, при этом перед вытеснением в газовой полости гидропневматического компенсатора создают давление, большее, чем давление вытесняющего газа в баке заправщика. Способ предусматривает также нагружение системы максимально допустимым технологическим давлением, измерение минимального свободного объема газовой полости компенсатора.

Все аналоги имеют один общий недостаток - отсутствие контроля влаги во внутренних полостях системы перед заправкой. Поэтому они с успехом применяются только при заправке систем, где в качестве теплоносителей используются водные растворы глицерина или этиленгликоля (антифризы), имеющие относительно высокую (минус 20°С) температуру замерзания. Для систем, где рабочая температура теплоносителя может опускаться до минус 80°С, эти способы применяться на могут, т.к. они не гарантируют нормальную работу таких систем в условиях эксплуатации.

Известен также способ заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, снабженных гидропневматическим компенсатором объемного расширения, охраняемый патентом Российской Федерации №2297372. Способ принят автором за прототип.

Способ предусматривает 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. Кроме того, способ включает измерение среднемассовой температуры теплоносителя и установившегося объема газовой полости компенсатора, окончательный слив теплоносителя и установку рабочего давления.

Прототип имеет общий с аналогами недостаток. В составе технологических операций способа не предусмотрен контроль отсутствия влаги во внутренних полостях системы в процессе заправки. Это ограничивает область его применения.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества заправки теплоносителями систем, работающих при низких отрицательных температурах, за счет введения контроля внутренних полостей системы на отсутствие жидкой фазы влаги или ее высоконасыщенных паров.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, снабженных гидропневматическим компенсатором объемного расширения рабочего тела, включающем 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, перед операцией вакуумирования системы измеряют температуру точки росы t₁ газа, заполняющего внутренние полости системы, после чего продувают систему одноименным газом с температурой точки росы t₂<t₁ в течение времени, достаточного для полной замены газа в системе, а затем вновь измеряют температуру точки росы t₃ газа на выходе из системы и при выполнении соотношения t₃<t₁ делают заключение об отсутствии жидкой фазы влаги во внутренних полостях системы и переходят к операции вакуумирования системы, а в случае соотношения t₃>t₁ продолжают продувку системы с периодическим измерением температуры «точки росы» газа на выходе из системы до тех пор, пока очередное полученное измерение t_п не будет удовлетворять соотношению t_п<t₁, после чего также переходят к операции вакуумирования системы.

Технический результат от использования предложенного способа заправки систем терморегулирования, работающих при низких отрицательных температурах (до минус 70, минус 80°С), состоит в том, что он объективно гарантирует отсутствие свободной капельной влаги и минимальное количество ее паров во внутренних полостях системы перед операцией вакуумирования системы. Это повышает качество процесса, что, в свою очередь, повышает надежность работы системы в условиях штатной эксплуатации, т.к. полностью исключается возможность забивания системных фильтров частицами льда.

Действительно, при отсутствии жидкой фазы влаги во внутренних полостях системы водяные пары в очень незначительном количестве будут присутствовать в заполняющем систему газе. При вакуумировании системы ~99,98% этих паров будут удалены вместе с газом и сконденсируются в азотной «ловушке» вакуумного насоса. Абсорбированная в поры поверхностного слоя металла трубопроводов и агрегатов влага опасности не представляет, так как ее очень мало и большая ее часть при работе системы замерзает внутри пор. Оставшаяся часть влаги, «вымытая» из пор металла теплоносителем, образует ледяные кристаллы размером не более 2-5 мкм, которые легко будут проходить через фильтрующие элементы системных фильтров (размер ячейки обычно 100-160 мкм).

Практическую реализацию предложенного способа рассмотрим на примере фрагмента технологии заправки низкотемпературного контура (далее по тексту системы) терморегулирования перспективного космического аппарата. Предполагается, что заправка системы производится в одном из помещений технического комплекса космодрома, куда космический аппарат доставлен с завода-изготовителя, при этом после завершения монтажно-сборочных работ система законсервирована сухим азотом, имеющим температуру точки росы минус 50°С (кондиция азота определена отраслевым стандартом ОСТ 92-1577). Фактическая же температура точки росы в системе после ее консервации может быть значительно выше (остатки паров воды в невентилируемых и непродуваемых тупиковых участках, выделение влаги из резино-технических и других уплотнительных элементов, наличие влаги в порах металла трубопроводов и агрегатов).

Перед заправкой системы теплоноситель (кремнийорганическая жидкость на основе полиметилсилоксана) проходит контрольное обезвоживание путем барботажа его в баке заправщика сухим азотом (температура «точки росы» не выше минус 50°С) в течение ~30 мин.

После готовности теплоносителя к заправке производят измерение влажности азота (определение температуры точки росы t₁), заполняющего внутренние полости системы. Для этой цели к дренажному клапану, установленному на выходе из системы, подключат анализатор влажности, например, типа 15Ш26. При измерении открывают дренажный клапан и часть газа из системы через упомянутый прибор дренируют в промышленную дренажную систему помещения, где проходит заправка системы.

После этого на вход системы через второй дренажный клапан подают сухой азот с температурой «точки росы» минус 50°С (температура t₂) и продувают магистрали системы в течение времени, достаточного для полной замены газа в системе, после чего повторно измеряют температуру точки росы t₃ азота на выходе из системы. Если измеренная температура точки росы t₃ азота на выходе из системы после полной замены газа в системе удовлетворяет соотношению t₃<t₁, то делают заключение об отсутствии свободной капельной влаги во внутренних полостях системы и переходят к операции вакуумирования. При этом конкретное время продувки определяют исходя из объема системы (измерен на заводе-изготовителе и записан в формуляр космического аппарата) и расхода газа при продувке, измеряемого ротаметром на линии подачи.

Действительно, после сборки и монтажа системы на заводе-изготовителе космического аппарата, во внутренних полостях агрегатов системы может оставаться какое-то количество влаги, которая после консервации системы сухим азотом интенсивно испаряется и повышает температуру точки росы азота обычно на 10-20°С градусов. Это считается нормальным давлением и не является браковочным признаком.

После испарения всей влаги в консервирующий газ его абсолютное влагосодержание будет находиться на постоянном уровне, т.к. источник влагопоступления будет отсутствовать.

Поэтому если после продувки системы газом с температурой точки росы минус 50°С (температура t₂<t₁) с полной заменой газа в системе измеренная на выходе из системы температура точки росы t₃ будет удовлетворять соотношению t₃<t₁, то это означает, что жидкой фазы влаги во внутренних полостях системы нет.

Если же измеренная температура точки росы t₃ на выходе из системы будет удовлетворять соотношению t₃>t₁, это означает, что во внутренних полостях системы имеются остатки жидкой фазы влаги. Поэтому продолжают продувку системы с измерением температуры «точки росы» газа на выходе из системы (одни раз в 30 мин) до тех пор, пока при очередном изменении измеренная температура точки росы t_п не будет удовлетворять соотношению t_п<t₁.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих у прототипа, позволяет достичь нового технического результата: повысить качество заправки низкотемпературных систем за счет создания нового технологического процесса, который гарантирует отсутствие жидкой фазы влаги во внутренних полостях систем перед заполнением их теплоносителем. Это, в свою очередь, повышает надежность работы системы терморегулирования в штатных условиях эксплуатации и эффективность космического аппарата. Применение предложенного способа не требует доработки существующего заправочного оборудования и дополнительного повышения квалификации обслуживающего персонала. Анализаторы влажности газа, используемые в технологическом процессе, серийно выпускаются отечественной промышленностью.

Изобретение относится к способам наземной заправки низкотемпературных гидравлических контуров систем терморегулирования космических аппаратов, работающих в полете при низких отрицательных температурах. Оно может быть также использовано для оборудования и агрегатов, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера. Способ заправки гидравлической системы, снабженной гидропневматическим компенсатором объемного расширения рабочего тела, согласно изобретению включает ее вакуумирование и заполнение деаэрированным теплоносителем. Затем производят слив избыточного теплоносителя и растворение остатков свободного воздуха в заполненной системе путем нагружения ее максимально допустимым давлением. Создают циркуляцию теплоносителя в системе, измеряют среднемассовую температуру теплоносителя и установившийся объем газовой полости компенсатора. После этого производят окончательный слив теплоносителя и установку рабочего давления в системе. Особенность способа заключается в том, что перед вакуумированием системы измеряют температуру точки росы t₁ заполняющего ее газа. Затем продувают систему одноименным газом с температурой точки росы t₂<t₁ в течение времени, достаточного для полной замены газа в системе, и вновь измеряют температуру точки росы t₃ газа на выходе из системы. При выполнении условия t₃<t₁ делают заключение об отсутствии жидкой фазы во внутренних полостях системы и переходят к ее вакуумированию. При невыполнении данного условия продолжают продувку системы до тех пор, пока измеренная температура не будет удовлетворять данному условию, а затем переходят к вакуумированию системы. Способ осуществим на имеющемся заправочном оборудовании обслуживающим персоналом обычной квалификации. Анализаторы влажности газа, используемые в данном способе, серийно выпускаются промышленностью. Техническим результатом изобретения является повышение качества заправки теплоносителями гидравлических систем путем контроля внутренних полостей систем на отсутствие в них жидкой фазы или ее высоконасыщенных паров.

Способ заправки теплоносителем гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, 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, отличающийся тем, что перед операцией вакуумирования системы измеряют температуру точки росы t₁ газа, заполняющего внутренние полости системы, после чего продувают систему одноименным газом с температурой точки росы t₂<t₁ в течение времени, достаточного для полной замены газа в системе, затем вновь измеряют температуру точки росы t₃ газа на выходе из системы и при выполнении соотношения t₃<t₁ делают заключение об отсутствии жидкой фазы влаги во внутренних полостях системы и переходят к операции вакуумирования системы, а в случае соотношения t₃>t₁ продолжают продувку системы с периодическим измерением температуры точки росы газа на выходе из системы до тех пор, пока очередное полученное значение t_п не будет удовлетворять соотношению t_п<t₁, после чего также переходят к операции вакуумирования.