СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НА ОРБИТЕ МЕСТА ТЕЧИ В КОРПУСЕ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК G01M3/04 

Изобретение относится к области техники, преимущественно космической и может быть использовано для поиска мест повреждений герметичной оболочки космического аппарата (КА), приводящих в условиях полета к утечке атмосферы КА в вакуум окружающего космического пространства.

Известен способ обнаружения негерметичности (течи) образующего замкнутый объем корпуса изделия, который в том числе мог бы быть применен и для космического аппарата, заключающийся в том, что на контролируемые участки корпуса накладывают волоконный чувствительный элемент, создают давление среды внутри корпуса и суждение о негерметичности выносят с использованием чувствительного элемента (см., например, а.с.1497471, МПК: G01M 3/04, 11.12.1987 г.).

К недостаткам данного способа можно отнести ограниченность его применения в космическом полете - способ может быть применен в первую очередь для тех частей космического аппарата, корпус которых граничит с жидкостью, т.к. применяемые в способе акустические волны, возбуждаемые в волоконных элементах, в значительной степени демпфируются именно жидкостью и, кроме того, этот способ достаточно сложен в применении, т.к. требует использования довольно сложной аппаратуры с высоким уровнем чувствительности.

Известен способ контроля герметичности крупногабаритных полых изделий по а.с. N 1610353, МПК: G01M 3/26, опубликованный 30.11.1990 г., согласно которому в изделии путем наддува его пробным газом создают избыточное давление и постоянно в течение всего времени контроля осуществляют в нем измерение температуры и давления. Негерметичность определяют по полученным кривым изменения температуры и давления методом идентификации. Для определения локальных зон негерметичности на поверхности изделия устанавливают несколько измерителей температуры, а измеритель давления устанавливают в геометрическом центре изделия. По полученным кривым изменения температуры и давления путем выполнения расчетов определяют зону негерметичности.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что он является по существу теоретическим методом определения зон нарушения герметичности (зон негерметичности) по результатам составления и анализа большого количества дифференциальных уравнений 2-го и более порядка. При этом выбранные для локальных измерений температурные датчики у поверхности изделия не обязательно свидетельствуют о течи, а могут изменять свои показания и по другим причинам (например, из-за нагрева поверхности КА солнечным излучением или ее охлаждения за счет затенения элементами конструкции, а также при полете в тени Земли).

Известен способ определения мест течи из отсека космического аппарата (патент RU 2160438, МПК: G01M 3/00 (2000.01), Бюл. №34 от 10.12.2000), согласно которому при определении места течи осуществляют панорамный контроль герметичности отсека КА путем индикации пробного газа по его свечению на внешней поверхности КА под воздействием ионизирующих и возбуждающих это свечение факторов окружающего космического пространства и определяют прогнозируемые зоны нарушения герметичности для локальной индикации по превышению в этих зонах яркости свечения пробного газа над фоновым уровнем свечения, а при локальной индикации пробного газа в ряде точек прогнозируемой зоны на внешней поверхности отсека КА возбуждают скрещенные электрические и магнитные поля, измеряют в этих точках давление, свечение пробного газа и параметры электрического поля и определяют место течи по максимальному изменению давления, яркости свечения и параметров электрического поля, зарегистрированных в процессе наддува отсека КА пробным газом.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что для его реализации необходимо наличие на КА технических средств осуществления внешнего панорамного контроля всей поверхности КА - в целях выявления свечения на внешней поверхности КА в месте негерметичности - что, в общем случае, существенно усложняет конструкцию КА и не на всех КА может быть реализовано. Другим принципиальным ограничением для применения указанного способа является необходимость демонтажа теплозащитной экранно-вакуумной изоляции с тех частей корпуса, где потенциально может находится место течи, что в условиях реального космического полета выполнить крайне затруднительно и не всегда целесообразно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ обнаружения на орбите негерметичности корпуса космического аппарата (патент RU 2152015, МПК: G01M 3/04 (2000.01), Бюл. №18 от 27.06.2000 - прототип), согласно которому изолируют отдельные участки корпуса КА, формируя вспомогательные контрольные полости на этих участках, с образованием в каждой из них одного проходного сечения для выхода воздуха из корпуса, накапливающегося во вспомогательных полостях в результате негерметичности корпуса в этих участках, и с образованием воротничков из волокнистого чувствительного элемента в виде ворсинок по периметру этих участков, распространенных в сторону от внешнего обвода этих участков, и перекрывающих указанные проходные сечения, создают давление среды (воздуха) внутри корпуса КА и о наличии негерметичности судят по началу и характеру движения ворсинок под воздействием выходящего воздуха из корпуса, ведя киносъемку движения ворсинок.

Способ-прототип позволяет упростить диагностику герметичности корпуса КА и расширяет арсенал технических средств.

К недостаткам способа-прототипа можно отнести то, что для его реализации необходима предварительная точная идентификация потенциальных мест утечки - для наклейки в данных областях волокнистого чувствительного элемента в виде ворсинок, и создание давления воздуха внутри корпуса КА - в объеме, примыкающем к негерметичному участку корпуса КА, - что требует наличия на КА предусмотренных для этого технических средств, и, в то же время, ведет к дополнительному расходу дефицитного (особенно в условиях разгерметизации КА) воздуха.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, в котором при выявлении в процессе космического полета негерметичного отсека в составе пилотируемого КА техническим результатом будет упрощение обнаружения на орбите мест повреждения корпуса пилотируемого КА, сопровождающихся нарушением его герметичности.

Технический результат достигается тем, что в способе определения на орбите места течи в корпусе пилотируемого космического аппарата, включающем изолирование отсека космического аппарата и регистрацию покадровой съемкой положений элементов визуализации движения воздуха, в отличие от прототипа, отключив двигатели управления ориентацией космического аппарата и средства вентиляции воздуха в отсеке космического аппарата, изолируют отсек путем закрытия его переходных люков, посредством покадровой регистрации съемочной аппаратурой, жестко закрепленной внутри отсека, измеряют во времени координаты местоположений относительно корпуса отсека элементов визуализации движения воздуха, выполненных из диэлектрического материала и имеющих массу и размер, величины которых определяют с учетом условия захвата элементов визуализации движения воздуха воздушным потоком, направленным к месту течи, и их идентификации на кадрах съемки, по измеренным во времени координатам местоположений элементов визуализации движения воздуха определяют скорость и ускорение элементов визуализации движения воздуха относительно корпуса отсека и фиксируют моменты их осаждения на внутреннюю поверхность отсека, выделяют элемент визуализации движения воздуха, среднее ускорение которого на определяемом временном интервале, оканчивающимся моментом его осаждения, на порядок превышает его среднее ускорение до данного временного интервала и скорость которого в момент осаждения на порядок превышает его среднюю скорость до данного временного интервала, при этом место течи в корпусе пилотируемого космического аппарата определяют местоположением точки осаждения выделенного элемента визуализации движения воздуха.

Поясним предложенные в способе действия на примере определения места негерметичности вследствие повреждения корпуса пилотируемого космического аппарата типа модульной орбитальной космической станции.

Нарушение герметичности пилотируемой космической станции обнаруживается путем регистрации падения давления воздуха внутри ее герметичного объема с точностью до отдельного отсека или модуля (в случае, если он содержит только один жилой отсек). Согласно предлагаемому способу мероприятия по обнаружению места негерметичности корпуса включают следующие операции.

Обеспечивают выполнение режима управления станцией, при котором для управления ее ориентацией не используются двигатели управления ориентацией - например, управление ориентацией обеспечивается системой силовых гироскопов.

Обеспечивают выключение средств вентиляции воздуха в проверяемом на герметичность отсеке станции (при их наличии в отсеке).

Размещают и жестко закрепляют внутри отсека, признанного негерметичным, устройства фото-видео аппаратуры с функцией привязки по времени каждого из кадров изображения.

Размещают во взвешенном состоянии внутри объема проверяемого на герметичность отсека элементы визуализации движения воздуха, выполненные из диэлектрического материала и имеющие массу и размер, величины которых определяются условием захвата элементов визуализации движения воздуха воздушным потоком, направленным к месту течи, и их идентификации на кадрах съемки.

В качестве таких элементов визуализации движения воздуха могут выступать, например, электростатически нейтральные и окрашенные в различные цвета фрагменты бумаги или ткани, геометрические размеры и площадь которых достаточны для их идентификации на кадрах фотовидеосъемки используемой фото-видео аппаратуры.

Отметим, что при размещении во взвешенном состоянии внутри объема отсека указанных элементов визуализации движения воздуха их размещают на определенном расстоянии один от другого, обеспечивающем исходную идентификацию положения каждого конкретного элемента визуализации движения воздуха на начальных кадрах. Далее указанные элементы визуализации движения воздуха будут свободно перемещаться внутри отсека в период фото-видео съемки, при этом частота регистрации кадров выбирается из условия, что величина возможного изменения положения элементов визуализации движения воздуха в процессе их свободного перемещения внутри отсека за время между кадрами такова, что обеспечивается гарантированная возможность отслеживания изменения положения - т.е. перемещения - каждого конкретного элемента визуализации движения воздуха. Возможное различие в форме и окраске различных элементов визуализации движения воздуха позволяет упростить и/или повысить быстродействие работы алгоритмов идентификации элементов визуализации движения воздуха на кадрах фото-видеосъемки в части идентификации на последовательных кадрах положений индивидуально каждого конкретного элемента визуализации движения воздуха.

Выполняют включение используемых устройств фото-видео аппаратуры в режиме съемки (с функцией записи результатов съемки на носители информации или непосредственной передачи результатов съемки в режиме реального времени в бортовой блок обработки) в течение определенного, достаточно длительного временного интервала, продолжительность которого определяется динамикой перемещения элементов визуализации движения воздуха, - до их осаждения на внутреннюю поверхность корпуса отсека.

На период работы фото-видео аппаратуры изолируют объем негерметичного отсека путем закрытия его переходных люков для исключения воздухообмена со смежными с ним отсеками.

По результатам обработки полученных кадров фото-видеосъемки:

- измеряют во времени координаты местоположений (данные координаты составляют пространственную траекторию) и параметры движения элементов визуализации движения воздуха относительно корпуса отсека;

- определяют и фиксируют (запоминают) моменты осаждения элементов визуализации движения воздуха на внутреннюю поверхность корпуса отсека.

На основе полученных данных из числа осевших на корпус элементов визуализации движения воздуха выделяют (и запоминают) элемент визуализации движения воздуха, для которого существует расчетное значение момента времени t_*, предшествующее моменту t₀ осаждения элемента визуализации движения воздуха на поверхность корпуса отсека (t_*<t₀), удовлетворяющее следующим двум условиям:

- среднее ускорение данного элемента визуализации движения воздуха на интервале времени от момента t_* до момента t₀ осаждения элемента визуализации движения воздуха на поверхность корпуса отсека на порядок (не менее чем в несколько, как правило в 10 раз) превышает среднее ускорение данного элемента визуализации движения воздуха до момента t_*,

- скорость элемента визуализации движения воздуха на момент его осаждения на поверхность корпуса отсека на порядок (не менее чем в несколько, как правило в 10 раз) превышает среднюю скорость элемента визуализации движения воздуха до момента t_*,

что формализуется соотношениями:

где а₀ - абсолютная величина (модуль) среднего ускорения элемента визуализации движения воздуха на временном интервале [t_*,t₀], оканчивающимся моментом t₀ осаждения элемента визуализации движения воздуха на поверхность корпуса отсека,

ν₀ - абсолютная величина (модуль) скорости элемента визуализации движения воздуха на момент времени t₀ осаждения элемента визуализации движения воздуха на поверхность корпуса отсека,

а*, ν_* - абсолютная величина (модуль) среднего ускорения и абсолютная величина (модуль) средней скорости элемента визуализации движения воздуха до момента t_*.

Указанный эффект вначале равномерного, а затем и ускоренного движения элемента визуализации движения воздуха наблюдается у того элемента визуализации движения воздуха, который в процессе своего свободного перемещения внутри отсека попадает в зону влияния тех струйных течений, в которых за счет разницы давлений преобладает направленное движение потока воздуха в вакуум открытого космического пространства через повреждение герметичного корпуса (микротрещина, микроотверстие).

Место негерметичности корпуса отсека КА определяют по месту осаждения указанного выделенного элемента визуализации движения воздуха на внутреннюю поверхность корпуса отсека КА.

В предложенном техническом решении решение поставленной задачи выполняется на фоне штатного полета КА с условием выполнения следующих полетных операций:

- при отключенных двигателях управления ориентацией КА;

- при выключенных средствах вентиляции воздуха в отсеке КА, признанном негерметичным;

- при изолированном объеме проверяемого на герметичность отсека путем закрытия переходных люков данного отсека.

Выполнение данных полетных операций обеспечивает отсутствие влияния на движение в отсеке элементов визуализации движения воздуха вследствие возмущений, вызванных изменением ориентации КА в моменты срабатываний двигателей; возмущений, вызванных работой средств вентиляции (как собственных, так и смежных отсеков), а также от воздействия на воздушную среду отсека находящихся на борту КА космонавтов.

Обработка полученных кадров фото-видеосъемки, в процессе и в результате которой:

- измеряют/определяют координаты местоположений и параметры движения используемых элементов визуализации движения воздуха;

- определяют и фиксируют (запоминают) моменты осаждения элементов визуализации движения воздуха на внутреннюю поверхность корпуса отсека;

- выделяют (определяют и запоминают) элемент визуализации движения воздуха, для которого выполняются условия (1), (2);

- идентифицируют место негерметичности корпуса отсека КА как место осаждения выделенного элемента визуализации движения воздуха на внутреннюю поверхность корпуса отсека КА,

может быть реализована как в бортовом, так и в наземном вычислителе -программно-аппаратном комплексе обработки фото-видеоданных.

В случае, когда при обработке данных используется наземный вычислитель, полученные результаты фото-видеосъемки данные передаются на Земли по предусмотренным каналам передачи информации.

Возможность измерения во времени координат местоположений элементов визуализации движения воздуха на основе регистрации покадровой съемкой положений элементов визуализации движения воздуха как объектов съемки определяется ракурсом съемки, а именно расположением съемочной аппаратуры относительно траектории перемещения объекта съемки.

Для обеспечения гарантированной регистрации любого пространственного перемещения снимаемого объекта во внутреннем пространстве отсека используются несколько - не менее двух - съемочных камер, размещенных в разных точках внутри отсека на необходимом расстоянии одна от другой. При этом выбор мест расположения съемочных камер - устройств фото-видео аппаратуры - определяется как технической возможностью их установки и закрепления (с учетом необходимого подсоединения к кабельной сети КА), так и возможными/ожидаемыми прогнозируемыми траекториями свободного перемещения (дрейфа) элементов визуализации движения воздуха (такое прогнозирование может быть выполнено с учетом планового изменения ориентации КА и с учетом возможных потенциальных мест негерметичности корпуса отсека КА).

Отметим, что наряду с использованием нескольких съемочных камер, для определения пространственных координат местоположений элементов визуализации движения воздуха могут дополнительно использоваться алгоритмы обработки изображений, обеспечивающие определение расстояния от съемочной камеры до снимаемого объекта по заданным/известным размерам объекта съемки - размерам каждого конкретного элемента визуализации движения воздуха. Использование таких алгоритмов обработки позволяет измерить/определить пространственные координаты местоположений объектов съемки - используемых элементов визуализации движения воздуха - даже при задействовании только одной (единственной) съемочной камеры.

Отметим также, что если/когда условия (1), (2) выполняются для нескольких элементов визуализации движения воздуха, осевших на внутреннюю поверхность корпуса отсека, то действия предлагаемого способа распространяются на все указанные элементы визуализации движения воздуха, а именно: выделяют те элементы визуализации движения воздуха, для каждого из которых среднее ускорение на определяемом временном интервале, оканчивающимся моментом его осаждения, на порядок превышает его среднее ускорение до данного временного интервала и скорость которого в момент осаждения на порядок превышает его среднюю скорость до данного временного интервала, при этом места течи в корпусе пилотируемого космического аппарата определяют местоположением точек осаждения выделенных элементов визуализации движения воздуха.

С учетом того, что указанный анализ выполняется для элементов визуализации движения воздуха, которые осели на внутреннюю поверхность корпуса отсека, в алгоритме обработки может быть использована следующая последовательность операций:

- сначала определяют осевшие на внутреннюю поверхность корпуса отсека элементы визуализации движения воздуха и фиксируют (запоминают) моменты их осаждения;

- и далее только для указанных, - осевших на внутреннюю поверхность корпуса отсека, - элементов визуализации движения воздуха по кадрам фотовидеосъемки, предшествующим моменту осаждения, измеряют/определяют координаты местоположений и параметры движения элементов визуализации движения воздуха относительно корпуса отсека с последующей проверкой выполнения условий (1), (2).

Такая последовательность операций позволяет сократить объем выполняемых вычислений, но при этом увеличивается время до получения итогового результата - обнаружения места негерметичности корпуса отсека.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое техническое решение повышает точность и упрощает обнаружение мест повреждения герметичного корпуса пилотируемого КА в условиях его эксплуатации в космосе.

Использование предлагаемого технического решения позволяет максимально, а именно, абсолютно точно определить место повреждения герметичного корпуса КА: место негерметичности расположено в точке осаждения на поверхность корпуса КА указанного элемента визуализации движения воздуха.

Такими элементами визуализации движения воздуха могут выступать как специально предусмотренные объекты, так и разнообразные объекты, оперативно изготовленные космонавтом из подручных средств, предметов, материалов.

При этом определение места негерметичности выполняется по технически несложной методике, не требующей наличия на КА специальных технических средств, диагностической аппаратуры и приборов, кроме штатной фото-видеоаппаратуры, как правило, всегда имеющейся в наличии на пилотируемом КА.

Предлагаемое техническое решение позволяет обнаруживать места расположения микроповреждений корпуса пилотируемого КА -микротрещин, микроотверстий - нахождение которых иными техническими средствами и без использования предложенной методики не представляется возможным.

При этом длительность выполнения режима фото-видеосъемки внутреннего объема отсека - покадровой регистрации перемещения элементов визуализации движения воздуха, выполненных предложенным образом, -зависит/определяется размером отсека, признанного негерметичным, в сочетании с величиной выявляемых микроповреждений корпуса и может составлять несколько часов полета КА.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.

Способ определения на орбите места течи в корпусе пилотируемого космического аппарата (КА) относится к космическим средствам обнаружения неисправностей. Способ определения на орбите места течи в корпусе пилотируемого КА включает изолирование отсека КА и регистрацию покадровой съемкой положений элементов визуализации движения воздуха (ЭВДВ). Дополнительно, отключив двигатели управления ориентацией КА и средства вентиляции воздуха в отсеке КА, изолируют отсек путем закрытия его переходных люков. Посредством покадровой регистрации жестко закрепленной съемочной аппаратурой измеряют во времени координаты местоположений относительно корпуса отсека ЭВДВ, выполненных из диэлектрического материала и имеющих массу и размер, величины которых определяют с учетом условия захвата ЭВДВ воздушным потоком, направленным к месту течи, и их идентификации на кадрах съемки. По измеренным координатам определяют скорость и ускорение ЭВДВ относительно корпуса отсека и фиксируют моменты их осаждения на внутреннюю поверхность отсека. Выделяют ЭВДВ, среднее ускорение которого на определяемом временном интервале, оканчивающимся моментом его осаждения, на порядок превышает его среднее ускорение до данного временного интервала и скорость которого в момент осаждения на порядок превышает его среднюю скорость до данного временного интервала. Место течи определяют местоположением точки осаждения выделенного ЭВДВ. Технический результат - повышение точности и упрощении обнаружения места повреждения герметичного корпуса пилотируемого КА в полете.

Способ определения на орбите места течи в корпусе пилотируемого космического аппарата, включающий изолирование отсека космического аппарата и регистрацию покадровой съемкой положений элементов визуализации движения воздуха, отличающийся тем, что, отключив двигатели управления ориентацией космического аппарата и средства вентиляции воздуха в отсеке космического аппарата, изолируют отсек путем закрытия его переходных люков, посредством покадровой регистрации съемочной аппаратурой, жестко закрепленной внутри отсека, измеряют во времени координаты местоположений относительно корпуса отсека элементов визуализации движения воздуха, выполненных из диэлектрического материала и имеющих массу и размер, величины которых определяют с учетом условия захвата элементов визуализации движения воздуха воздушным потоком, направленным к месту течи, и их идентификации на кадрах съемки, по измеренным во времени координатам местоположений элементов визуализации движения воздуха определяют скорость и ускорение элементов визуализации движения воздуха относительно корпуса отсека и фиксируют моменты их осаждения на внутреннюю поверхность отсека, выделяют элемент визуализации движения воздуха, среднее ускорение которого на определяемом временном интервале, оканчивающимся моментом его осаждения, на порядок превышает его среднее ускорение до данного временного интервала и скорость которого в момент осаждения на порядок превышает его среднюю скорость до данного временного интервала, при этом место течи в корпусе пилотируемого космического аппарата определяют местоположением точки осаждения выделенного элемента визуализации движения воздуха.