СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD TO CONTROL SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEM QUALITY

Изобретение, созданное авторами в порядке выполнения служебного задания, относится к космической технике, в частности к способам контроля качества систем терморегулирования (СТР) телекоммуникационных спутников.
3
3
Известны способы контроля качества СТР космического аппарата (КА) по патенту Российской Федерации №2209750 (заявка №2001111913 от 27.04.2001) [1] и КА на базе патента №2151722 (заявка №99102571 от 08.02.1999) [2], на основе которых в процессе изготовления, испытаний и эксплуатации СТР (включающих в себя гидроаккумуляторы - компенсаторы объема, имеющие жидкостную полость с теплоносителем, соединенную с жидкостным трактом, где осуществляется циркуляция теплоносителя (однофазного или двухфазного) по замкнутому контуру с помощью электронасосного агрегата (ЭНА), и газовую полость, частично заполненную двухфазной рабочей жидкостью (не более 0,2 дм) - двухфазным рабочим телом, имеющим при выбранных рабочих температурах жидкую и паровую фазы), например, на этапе заправки из полностью заправленного теплоносителем жидкостного контура (включающего в себя замкнутый жидкостный тракт для циркуляции теплоносителя плюс жидкостную полость гидроаккумулятора) сливают (должны) требуемую согласно технической документации дозу (например, 2 дм) теплоносителя через концевой вентиль жидкостного контура СТР, соединенного через наземные отсечные вентили линиями с заправочным и сливным баками, вакуумным насосом и источником сжатого газа, и после слива дозы теплоносителя из жидкостного контура с помощью съемного технологического устройства, устанавливаемого на гидроаккумуляторе, содержащего герконы, проверяют (например, с целью исключения возможной ошибки операторов при сливе дозы теплоносителя) образовавшуюся величину объема газовой полости гидроаккумулятора и сравнивают с требуемой слитой дозой - в случае качественно проведенного слива дозы теплоносителя и, следовательно, в случае наличия требуемой массы теплоносителя в жидкостном контуре СТР, величина требуемой слитой дозы теплоносителя должна совпадать с объемом газовой полости за вычетом ее конструктивно минимально возможного объема газовой полости, определенного автономно на этапе изготовления гидроаккумулятора. Как видно из изложенного, для обеспечения контроля газовой полости гидроаккумулятора с помощью вышеуказанного технологического устройства гидроаккумулятор на КА должен быть установлен таким образом, чтобы к нему был свободный доступ и свободное пространство вокруг него для установки вышеуказанного съемного устройства, т.е. вокруг гидроаккумулятора необходимо предусмотреть свободный объем за счет выделенного рабочего объема, предназначенного для установки приборов КА.
Кроме того, для обеспечения периодического контроля качества СТР в условиях орбитального функционирования по параметру: «Наличие требуемой массы теплоносителя в жидкостном контуре СТР» (означающее, что жидкостный контур герметичен) в составе СТР необходимо предусмотреть штатное устройство, содержащее герконы, и блок контроля его работы, что потребует увеличения массы СТР и, следовательно, потребует, например, уменьшения количества устанавливаемых приборов на борту КА.
Таким образом, существенным недостатком известных способов контроля качества СТР является то, что при использовании их обеспечивается снижение коэффициента заполнения приборами КА выделенного рабочего объема и для размещения всей предусмотренной массы приборов потребуются увеличенные габариты КА с соответствующим увеличением массы его конструкции.
Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является способ контроля качества СТР КА по [1].
Известный способ контроля качества СТР включает в себя следующие основные последовательно выполняемые операции (см. фиг.2):
- изготавливают комплектующие элементы СТР (в том числе гидроаккумулятор 1.1.2: в процессе изготовления его измеряют конструктивно минимально возможный объем газовой полости) и осуществляют монтаж (сборку) СТР на конструкции космического аппарата (1 - космический аппарат; 1.1 - система терморегулирования; 1.1.1 - жидкостный тракт; 1.1.2 - гидроаккумулятор (компенсатор объема) (1.1.2.1 - жидкостная полость с теплоносителем; 1.1.2.2 - газовая полость с двухфазной рабочей жидкостью; 1.1.2.3 - сильфон); 1.1.3 - электронасосный агрегат (ЭНА); 1.1.4 - панель, на которой установлены приборы КА; 1.1.5 - радиатор; 1.1.6 - вентиль заправочный; 1.1.7 - датчик давления; 1.1.8 - датчик температуры);
- производят проверку степени герметичности жидкостного контура на соответствие требуемой норме и осуществляют полную заправку предварительно отвакуумированного жидкостного контура отдеаэрированным теплоносителем;
- устанавливают на гидроаккумулятор 1.1.2 (газовая полость 1.1.2.2 гидроаккумулятора частично заполнена двухфазной рабочей жидкостью и разделена от его жидкостной полости 1.1.2.1 сильфоном 1.1.2.3; жидкостная полость соединена с жидкостным трактом 1.1.1 контура) технологическое устройство с герконами 2 и соединяют его с пультом 3 контроля работы устройства;
- измеряют температуры заправленного теплоносителя по нескольким датчикам температуры 1.1.8 (например, по пяти датчикам, установленным на жидкостном тракте на различных уровнях) и определяют среднюю температуру теплоносителя в жидкостном контуре;
- сливают требуемую дозу теплоносителя в емкость заправщика (величина требуемой сливаемой дозы зависит от количества заправленного теплоносителя, его средней температуры, рабочего диапазона температур и требуемого запаса теплоносителя в условиях эксплуатации СТР);
- контролируют с помощью устройства с герконами 2 образовавшуюся действительную величину объема газовой полости 1.1.2.2 гидроаккумулятора 1.1.2 после слива дозы теплоносителя, которая при качественном изготовлении должна соответствовать требуемой величине, определенной (например, в случае, когда слили такую величину дозы теплоносителя, что один из номеров геркона замкнулся) по следующему соотношению:
Г.П.
Г.П.мин
Ж.К.
макс
V=V+V·β·(t-t),
Г.П.
3
где V - требуемый объем газовой полости, дм;
Г.П.мин
3
V - минимальный объем газовой полости, измеренный при изготовлении гидроаккумулятора, дм;
Ж.К.
3
V - максимальный заполняемый теплоносителем объем жидкостного контура, измеренный при изготовлении его, дм;
β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/°С;
макс
t - максимальная температура теплоносителя, при которой объем теплоносителя в жидкостном контуре максимальный, °С;
t - измеренная температура теплоносителя, °С;
- проверяют нормальное функционирование жидкостного контура СТР, для чего включают в работу электронасосный агрегат (ЭНА) и контролируют соответствия требуемым нормам измеренных величин расхода, давления и температур в жидкостном контуре и параметров ЭНА.
Если на всех вышеуказанных этапах изготовления и испытаний контролируемые параметры СТР соответствовали требуемым нормам, то считается, что СТР изготовлена качественно и допускается к дальнейшим комплексным испытаниям ее совместно с другими системами в составе КА.
Как было указано выше, существенным недостатком известного способа контроля качества СТР является то, что при использовании его обеспечивается снижение коэффициента заполнения приборами КА выделенного рабочего объема из-за ограничительных требований по компоновке гидроаккумулятора на борту КА и повышение массы его (гидроаккумулятор необходимо разметить на КА так, чтобы к нему был свободный доступ и вокруг него было достаточное свободное пространство для установки съемного технологического устройства или штатного бортового устройства, предназначенного для измерения объема газовой полости гидроаккумулятора).
Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.
Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля качества СТР КА, включающем периодический контроль наличия требуемой массы заправленного в жидкостный контур теплоносителя путем определения величины действительного объема герметизированной газовой полости гидроаккумулятора, частично заполненной двухфазной рабочей жидкостью, разделенной имеющим днище сильфоном от его жидкостной полости, соединенной с жидкостным трактом контура, измерением температуры заправленного в контур теплоносителя и минимально возможного объема газовой полости гидроаккумулятора при его изготовлении и сравнения упомянутого действительного объема газовой полости с требуемым объемом газовой полости гидроаккумулятора, перед определением действительного объема газовой полости гидроаккумулятора измеряют температуру газовой полости и величину давления теплоносителя в жидкостном тракте контура в месте установки датчика давления и действительный объем газовой полости определяют согласно
следующему соотношению:
Г.П.действ
3
где V - действительный объем газовой полости гидроаккумулятора, дм;
Г.П.мин
Г.П.макс
3
V, V - минимально и максимально возможные объемы газовой полости, измеренные при изготовлении гидроаккумулятора, дм;
К - коэффициент, характеризующий нейтральное положение сильфона, когда перепад давлений между газовой и жидкостной полостями равен нулю, по данным изготовления гидроаккумулятора;
Г.П.-Ж.П.
Г.П.макс
Г.П.-Ж.П.
Г.П.мин
Г.П.макс
Г.П.мин
Δp V , Δр V  - минимально возможные значения перепадов давлений (между давлениями пара рабочей жидкости и теплоносителя) между газовой и жидкостной полостями гидроаккумулятора при измерении V (сильфон растянут полностью) и V (сильфон сжат полностью) соответственно по данным изготовления гидроаккумулятора, Па;
St
P - упругость насыщенного пара рабочей жидкости согласно данным технических условий на нее при измеренной выше температуре газовой полости гидроаккумулятора, Па;
ДД
Р - измеренное давление теплоносителя в жидкостном тракте в месте установки датчика давления, Па;
гидр
Δр - разность давлений - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта от точки соединения жидкостной полости гидроаккумулятора с жидкостным трактом до места соединения датчика давления, Па;
ДД
сильф
ΔН -  - разность высот относительно уровня Земли между уровнем теплоносителя в датчике давления и положением днища сильфона гидроаккумулятора, м;
t
3
ρ - плотность теплоносителя, кг/м;
2
g=9,80665 м/с - нормальное ускорение силы тяжести при наземных испытаниях и g=0 при эксплуатации в условиях орбитального функционирования, что и является по мнению авторов существенными признаками предлагаемого авторами технического решения.
В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе контроля качества СТР КА.
Предложенный способ контроля качества СТР КА включает в себя следующую последовательность выполняемых операций (см. фиг.1):
- изготавливают комплектующие элементы СТР (в том числе гидроаккумулятор 1.1.2 - в процессе изготовления его измеряют:
Г.П.мин
Г.П.макс
3
3
3
3
V, V - минимально и максимально возможные объемы газовой полости (например, ≈ 1 дм и 5 дм (без учета объема рабочей жидкости, равной не более 0,2 дм)), дм;
К - коэффициент, характеризующий нейтральное положение сильфона, когда перепад давлений между газовой и жидкостной полостями равен нулю (например, К=2);
Г.П.-Ж.П.
Г.П.макс
Г.П.-Ж.П.
Г.П.мин
Г.П.макс
Г.П.мин
Δр V , Δр V  - минимально возможные значения перепадов давлений (между давлениями пара рабочей жидкости и теплоносителя) между газовой и жидкостной полостями гидроаккумулятора при измерении V (сильфон растянут полностью) и V (сильфон сжат полностью) соответственно (например, по данным изготовления ≈ 10000 Па и ≈ минус 10000 Па) и осуществляют монтаж (сборку) СТР на конструкции космического аппарата (1 - космический аппарат; 1.1 - система терморегулирования; 1.1.1 - жидкостный тракт; 1.1.2 - гидроаккумулятор (компенсатор объема) (1.1.2.1 - жидкостная полость с теплоносителем; 1.1.2.2 - газовая полость с двухфазной рабочей жидкостью; 1.1.2.3 - сильфон; 1.1.2.3.1 - днище сильфона); 1.1.3 - электронасосный агрегат (ЭНА); 1.1.4 - панель, на которой установлены приборы КА; 1.1.5 - радиатор; 1.1.6 - вентиль заправочный; 1.1.7 - датчик давления; 1.1.8 - датчики температуры);
- производят проверку степени герметичности жидкостного контура (поз.1.1.1 + поз.1.1.2.1) на соответствие требуемой норме и осуществляют полную заправку предварительно отвакуумированного жидкостного контура отдеаэрированным теплоносителем;
- измеряют температуры заправленного теплоносителя по нескольким датчикам температуры 1.1.8 (например, по пяти датчикам, установленным на жидкостном тракте на различных уровнях) и определяют среднюю температуру теплоносителя в жидкостном контуре;
cд.дозы
3
- сливают требуемую дозу (например, V=2 дм) теплоносителя в емкость заправщика (величина требуемой сливаемой дозы зависит от количества заправленного теплоносителя, его средней температуры, рабочего диапазона температур и требуемого запаса теплоносителя в условиях эксплуатации СТР);
- контролируют образовавшуюся действительную величину объема газовой полости 1.1.2.2 компенсатора объема 1.1.2 после слива дозы теплоносителя (должна быть равна сумме объемов
Г.П.мин
сл.дозы
3
3
3
(V=1 дм)+(V=2 дм)=3 дм),
а в дальнейшем периодически контролируют в условиях наземных испытаний и орбитального функционирования: перед определением действительного объема газовой полости 1.1.2.2 гидроаккумулятора 1.1.2 измеряют температуру газовой полости 1.1.8 и величину давления теплоносителя в жидкостном тракте контура в месте установки датчика давления 1.1.7 и действительный объем газовой полости 1.1.2.2 определяют согласно следующему соотношению (вышеуказанное соотношение авторами установлено в результате комплексного анализа теплофизических процессов, происходящих в СТР и гидроаккумуляторе, и экспериментальных данных, полученных авторами к настоящему времени в процессе опытных работ):
Г.П.действ
3
где V - действительный объем газовой полости 1.1.2.2 гидроаккумулятора 1.1.2, дм;
Г.П.мин
Г.П.макс
3
V, V - минимально и максимально возможные объемы газовой полости, измеренные при изготовлении гидроаккумулятора, дм;
К - коэффициент, характеризующий нейтральное положение сильфона 1.1.2.3, когда перепад давлений между газовой и жидкостной полостями равен нулю, по данным изготовления гидроаккумулятора 1.1.2;
Г.П.-Ж.П.
Г.П.макс
Г.П.-Ж.П.
Г.П.мин
Δр V , Δр V  - минимально возможные значения перепадов давлений (между давлениями пара рабочей жидкости и теплоносителя) между газовой и жидкостной полостями гидроаккумулятора 1.1.2 при измерении
Г.П.макс
Г.П.мин
V (сильфон 1.1.2.3 растянут полностью) и V (сильфон 1.1.2.3 сжат полностью) соответственно по данным изготовления гидроаккумулятора 1.1.2, Па;
St
3
3
P - упругость насыщенного пара рабочей жидкости согласно данным технических условий на нее при измеренной выше температуре газовой полости 1.1.2.2 гидроаккумулятора 1.1.2, Па (анализ опытных данных показал, что промежуток времени при сливе дозы теплоносителя между операциями слива дозы и измерением давления теплоносителя в жидкостном тракте равен не менее 5 мин и за это время величина давления в газовой полости (с величиной объема ≈ 3 дм) гидроаккумулятора устанавливается близкой (до ≈ 95%) к величине упругости пара рабочей жидкости (количество рабочей жидкости, например фреона 141в, в газовой полости равно не более 0,2 дм), а в условиях эксплуатации КА температура теплоносителя в жидкостном контуре и газовой полости гидроаккумулятора в течение 5 мин изменяются достаточно медленно и при этом также давление в газовой полости близко к значению упругости насыщенного пара рабочей жидкости в пределах погрешностей измерений параметров):
ДД
Р - измеренное давление теплоносителя в жидкостном тракте в месте установки датчика давления 1.1.7, Па;
гидр
Δр - разность давлений - гидравлическое сопротивление жидкостного тракта от точки соединения жидкостной полости 1.1.2.1 гидроаккумулятора с жидкостным трактом 1.1.1 до места соединения датчика давления 1.1.7 (согласно данным разработки СТР и опытным данным), Па;
ДД
сильф
ΔН -  - разность высот относительно уровня Земли между уровнем теплоносителя в датчике давления 1.1.7 и положением днища 1.1.2.3.1 сильфона 1.1.2.3 гидроаккумулятора (согласно данным чертежей на КА), м;
t
3
ρ - плотность теплоносителя, кг/м;
2
g=9,80665 м/с - нормальное ускорение силы тяжести при наземных испытаниях и g=0 при эксплуатации в условиях орбитального функционирования;
- определяют требуемую величину объема газовой полости 1.1.2.2 по следующему соотношению:
Г.П.
Г.П.мин
Ж.К.
макс
V=V+V·β·(t-t),
Г.П.
3
где V - требуемый объем газовой полости, дм;
Г.П.мин
3
V - минимальный объем газовой полости, измеренный при изготовлении гидроаккумулятора, дм;
Ж.К.
V - максимальный заполняемый теплоносителем объем жидкостного контура, измеренный при изготовлении его, дм;
β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/°С;
макс
t - максимальная температура теплоносителя, при которой объем теплоносителя в жидкостном контуре максимальный, °С;
t - вышеизмеренная температура теплоносителя, °С;
Г.П.дейст
Г.П.
- сравнивают вышеопределенные величины V и V между собой: если они отличаются между собой не более чем на погрешность измерений, то это подтверждает наличие требуемой массы теплоносителя в жидкостном контуре (означающее, что жидкостный контур герметичен);
- проверяют нормальное функционирование жидкостного контура СТР, для чего включают (если не включен) в работу электронасосный агрегат 1.1.3 (ЭНА) и контролируют соответствия требуемым нормам измеренных величин расхода, давления и температур в жидкостном контуре и параметров ЭНА (соответствия вышеизмеренных величин требуемым нормам реализуются только в случае наличия требуемой массы теплоносителя в жидкостном контуре).
Если на всех вышеуказанных этапах изготовления испытаний и эксплуатации контролируемые параметры СТР 1.1 соответствуют требуемым нормам, то это указывает на то, что СТР 1.1 изготовлена качественно, в частности, герметичность ее жидкостного контура соответствует требуемой норме, и допускается к дальнейшим испытаниям и эксплуатации в составе КА 1.
Как видно из вышеизложенного, согласно предложенному авторами техническому решению при изготовлении, испытаниях и эксплуатации СТР 1.1 КА 1 без ухудшения результатов контроля качества ее гидроаккумулятор 1.1.2 возможно установить в наиболее функционально целесообразной для него зоне КА 1 - вблизи оси Х-ов и в наиболее удаленной от центра масс КА 1 зоне и при этом нет необходимости выполнения требований по обеспечению свободного доступа к гидроаккумулятору 1.1.2 и наличия дополнительного свободного объема вокруг гидроаккумулятора 1.1.2 (т.к. исключено устройство с герконами из состава СТР на борту КА), что обеспечивает повышение коэффициента заполнения приборами КА выделенного рабочего объема и, следовательно, устраняет существенный недостаток известных технических решений, т.е. тем самым достигается цель изобретения.