СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА НОРМАЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2017 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к управлению полетом космического аппарата (КА), в частности телекоммуникационного спутника, в составе которого установлены герметичные емкости с рабочим газом, например в составе системы ориентации и стабилизации (СОС) согласно материалам книги: «Каргу Л.И. Системы угловой стабилизации космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1980, §5.1 - стр. 118-120» [1], и в составе системы терморегулирования (СТР) согласно патенту Российской Федерации (РФ) №2151721 [2] - авторами принят за прототип, в котором давление газа в герметичной емкости – гермоконтейнере - контролируется датчиком давления, а температура газа - датчиками температуры.

Для обеспечения нормального функционирования КА на орбите рабочее давление газа в герметичной емкости СОС или СТР должно изменяться таким образом, чтобы оно было не менее требуемой величины. Например, рабочее давление газа - азота в герметичной емкости - гермоконтейнере СТР [2] для обеспечения требуемого температурного режима приборов КА в течение срока эксплуатации на орбите (например, не менее 15 лет), установленного в гермоконтейнере, должно быть не менее 10 кПа. С учетом того, что реальная конструкция гермоконтейнера имеет некоторую технологическую негерметичность, гермоконтейнер СТР заправляют газом с запасом - величиной, максимально допустимой, обеспечивающей его прочность (например, заправляют газом давлением 120 кПа при температуре газа 293 К). Как показывает анализ данных длительной эксплуатации телекоммуникационных спутников (в течение более 10-15 лет), давление газа в гермоконтейнере СТР в процессе эксплуатации на орбите не снижается ниже 90 кПа при изменении рабочей температуры газа от 273 до 313 К.

В то же время анализ внешних условий эксплуатации телекоммуникационных спутников, например на геостационарной орбите, показывает, что не исключена вероятность повреждения гермоконтейнера техногенной или метеорной частицей. В этом случае степень негерметичности гермоконтейнера может быть нарушена, и утечки газа из него будут выше технологической нормы негерметичности, и давление газа в нем будет постепенно снижаться до и ниже минимально допустимой величины (10 кПа), и приборы, установленные в гермоконтейнере, выйдут из строя, то есть выйдет из строя космический аппарат.

Согласно требованиям ГОСТ Р 52.925 - 2008 неработоспособные космические аппараты не должны находиться на геостационарной орбите - до выхода их из строя они должны быть переведены на орбиту захоронения (выше геостационарной орбиты на ≈230 км).

Таким образом, в процессе эксплуатации космического аппарата, содержащего в своем составе герметичную емкость с газом, необходимо на орбите периодически контролировать давление газа, а также его температуру с целью предсказания, когда (в какой момент времени) образовалась недопустимая течь из емкости, и достоверного прогнозирования, когда в этом случае давление в емкости уменьшится до минимально допустимого значения.

Как показал анализ известной патентной и научно-технической литературы, из них неизвестен способ, решающий вышеуказанную задачу достоверного анализа и достоверного прогнозирования, в течение которого космический аппарат функционирует нормально, что является существенным недостатком.

Известный способ контроля работы СТР на основе [2], принятый за прототип, включает в себя периодические телеметрические измерения значений температуры газа в районе установки различных приборов (по показаниям датчиков температур) и давления газа в гермоконтейнере (например, по показанию датчика давления) и в случае, если измеренные значения температур и давления в допуске, то обеспечивается достоверный контроль нормального функционирования СТР только в данный момент времени измерения температур и давления газа.

Целью предлагаемого технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается тем, что в способе диагностики и прогнозирования срока нормального функционирования космического аппарата, содержащего герметичную емкость с газом, например гермоконтейнер с азотом, включающем периодические измерения значений температуры и давления газа в емкости с известным объемом ее внутренней полости, на основе данных периодических телеметрических измерений температуры и давления газа в емкости на орбите, сначала определяют значение эквивалентной площади проходного сечения течи, внезапно образовавшейся из-за повреждения емкости - гермоконтейнера, используя формулу (1)

затем, используя вышеопределенное значение эквивалентной площади выходного сечения течи, определяют период времени до момента образования течи, используя формулу (2)

и период времени, в течение которого после последнего телеметрического контроля температуры и давления газа давление в гермоконтейнере достигнет значения минимально допустимого, используя формулу (3)

где , , - измеренные телеметрические значения давления газа (в Па) в емкости – гермоконтейнере - после образования течи в текущие моменты времени (в секундах) τ_i+1, τ_i, τ_j+1, Па;

- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере перед моментом образования течи τ₀;

- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере в момент телеметрического измерения τ_j перед определением периода времени до достижения минимально допустимого давления в гермоконтейнере ;

k - показатель адиабаты (для азота k=1,4);

ω_кр - критическая скорость истечения газа в выходном сечении, равная местной скорости звука, м/с;

V_ГК - объем внутренней полости гермоконтейнера по данным изготовления, м³;

F_течи - эквивалентная площадь выходного сечения течи, м²,

что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками представленного авторами технического решения.

В результате проведенного авторами анализа известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных признаков заявляемого технического решения в известных источниках не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе диагностики и прогнозирования нормального функционирования космического аппарата.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого технического решения, где поз. 1 - гермоконтейнер (емкость с газом - азотом) СТР КА; 2 - вентилятор; 3 - приборы; 4 - датчик давления; 5 - датчики температуры; А - место внезапно образовавшейся течи; F_течи - площадь сечения течи на выходе из нее; ω_кр - критическая скорость истечения газа на выходе из течи в адиабатическом режиме истечения, равна ; ρ_кр, Р_кр - критические плотность и давление газа в выходном сечении из течи, R - газовая постоянная, для азота R=296,8 Дж/(кг⋅град); Т - температура газа в выходном сечении из течи для адиабатического режима истечения газа практически равна температуре газа в гермоконтейнере, Т_ГК (см. источник информации "A.M. Мхитарян: Гидравлика и основы газодинамики". Киев, Гостехиздат УССР - 1959: первый абзац сверху на стр. 232, формулы (11-32), (11-34) на стр. 236 и решение задачи 35 на стр. 237 [3]).

Для определения площади выходного сечения течи, момента времени внезапного образования течи, момента времени, когда давление газа из-за утечки уменьшится до минимально допустимого давления (например, до 10 кПа), используется формула, полученная авторами на основе анализа физических процессов, происходящих в гермоконтейнере и в выходном сечении течи при адиабатическом режиме истечения газа в космическое пространство, имеющая вид

Формула получена на основе теоретических данных [3], [4] в следующей последовательности:

- известно уравнение состояния газа в гермоконтейнере ;

- далее на основе теоретических данных (см. книгу «Болгарский А.В. и др. Термодинамика и теплопередача», М., 1975 г.; стр. 132-133 [4]) последовательно получим:

из (5) и (6) следует

допускаем, что до давления в гермоконтейнере, равного 10 кПа, реализуется адиабатический режим истечения с реализацией на выходе течи критической скорости потока .

Приращение dm имеет отрицательное значение:

Из уравнения адиабаты:

;

Подставив (11) в (8), получим:

Подставив (12) в (7), получим:

;

;

Интегрируем уравнение (14) и получим расчетную формулу (4):

,

где - текущее давление в гермоконтейнере (после образования течи), Па;

- давление газа в гермоконтейнере в начальный рассматриваемый момент времени (в частности, непосредственно в момент образования течи - в момент образования течи τ₀=0), Па;

F_течи - площадь проходного сечения образовавшейся течи, м²;

ω_кр - скорость потока в выходном сечении течи, м/с;

τ_i - текущее время после τ₀=0, с.

Предложенный способ диагностики и прогнозирования срока нормального функционирования космического аппарата включает в себя нижеуказанные операции, выполняемые в следующей последовательности (см. фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого авторами способа, а на фиг. 2 изображена диаграмма изменения давления газа в гермоконтейнере после внезапного образования течи в результате повреждения гермоконтейнера метеорной или техногенной частицей):

1. Изготавливают КА, в том числе гермоконтейнер 1 СТР с известным объемом внутренней полости (например, 3 м³), заполненный газом - азотом; внутри гермоконтейнера устанавливают датчики температуры и давления.

2. Заполняют герметичный внутренний объем гермоконтейнера 1 газом – азотом - давлением, например, 120 кПа при температуре 293 К.

3. В условиях орбитального функционирования КА периодически, например один раз в сутки, телеметрическими измерениями контролируют значения температуры газа и давления, которые при нормальном функционировании СТР должны находиться в расчетных допустимых диапазонах.

4. В случае обнаружения в очередном сеансе телеметрических измерений (момент времени τ_i) несоответствия измеренного значения давления газа в гермоконтейнере - ниже допустимого диапазона, означающее наличие повышенных утечек газа из гермоконтейнера в результате его повреждения, например метеорной частицей, проводят очередной сеанс (в момент времени τ_i+1) контроля величин давления и температуры газа и определяют величину эквивалентной площади - F_течи проходного сечения внезапно образовавшейся течи по формуле (1):

.

5. Затем, после выполнения пункта 4, используя вышеопределенную эквивалентную площадь проходного сечения течи F_течи, определяют период до момента образования течи по формуле (2):

.

6. После этого, используя данные телеметрических измерений, например, в момент времени τ_j, определяют период времени и, следовательно, определяют момент времени (дату, время), когда давление газа в гермоконтейнере уменьшится до минимально допустимого значения по формуле (3) ():

7. В вышеприведенных пунктах 4, 5, 6 условные обозначения физических параметров в формулах расшифровываются согласно нижеизложенному:

, , - измеренные телеметрические значения давления газа (в Па) в гермоконтейнере после образования течи в текущие моменты времени (в секундах) τ_i+1, τ_i, τ_j+1, Па;

- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере перед моментом образования течи τ₀;

- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере в момент телеметрического измерения τ_j перед определением периода времени до достижения минимально допустимого давления в гермоконтейнере ;

k - показатель адиабаты (для азота k=1,4);

ω_кр - критическая скорость истечения газа в выходном сечении, равная местной скорости звука, м/с;

V_ГК - объем внутренней полости гермоконтейнера по данным изготовления, м³;

F_течи - эквивалентная площадь проходного сечения течи, м².

8. После выполнения пункта 6 определяют крайнюю дату и время перевода КА на орбиту захоронения.

Как видно из вышеизложенного, предложенное авторами техническое решение обеспечивает достоверное определение времени внезапного повреждения гермоконтейнера в результате механического, ударного воздействия на него метеорной или техногенной частицы и достоверное определение времени, когда давление в гермоконтейнере уменьшится до минимального допустимого значения, что обеспечивает принятие своевременного решения о переводе КА со стационарной (рабочей) орбиты на орбиту захоронения.

Изобретение относится к космической технике, а именно к способу диагностики и прогнозирования срока нормального функционирования КА. В способе для КА, содержащего емкость с рабочим газом, определяют эффективную площадь выходного сечения внезапно образовавшейся течи в результате внезапного механического ударного воздействия на гермоконтейнер метеорной или техногенной частицы; момент времени образования вышеназванной течи; момент времени, когда давление газа в гермоконтейнере уменьшится до минимального допустимого значения, обеспечивающего работоспособность КА. Техническим результатом изобретения является обеспечение достоверного определения величины площади выходного сечения внезапно образовавшейся течи, диагностики и прогнозирования достоверного срока нормального функционирования КА и принятия своевременного решения о переводе КА со стационарной (рабочей) орбиты на орбиту захоронения. 2 ил.

Способ диагностики и прогнозирования срока нормального функционирования космического аппарата, содержащего емкость с газом, например гермоконтейнер с азотом, включающий периодические измерения значений температуры и давления газа в емкости с известным объемом ее внутренней полости, отличающийся тем, что на основе данных периодических телеметрических измерений температуры и давления газа в емкости на орбите сначала определяют значение эквивалентной площади проходного сечения течи, используя формулу (1)

затем, используя вышеопределенное значение эквивалентной площади проходного сечения течи, определяют период времени до момента образования течи, используя формулу (2)

и период времени, в течение которого после последнего телеметрического контроля температуры и давления газа давление в герметичном контейнере достигнет значения минимально допустимого, используя формулу (3)

где , , - измеренные телеметрические значения давления газа (в Па) в гермоконтейнере после образования течи в текущие моменты времени (в секундах) τ_i+1, τ_i, τ_j+1;

- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере перед моментом образования течи τ₀;

- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере в момент телеметрического измерения τ_j перед определением периода времени до достижения минимально допустимого давления в гермоконтейнере ;

k - показатель адиабаты (для азота k=1,4);

ω_кр - значение критической скорости истечения газа в выходном сечении, равное местной скорости звука, м/с;

V_ГК - значение объема внутренней полости гермоконтейнера по данным изготовления, м³;

- значение эквивалентной площади проходного сечения течи, м².