СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ АТМОСФЕРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ТЕПЛОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ И ЕМКОСТНАЯ АСПИРАЦИОННАЯ СИСТЕМА С ЕМКОСТНЫМИ АСПИРАЦИОННЫМИ ДАТЧИКАМИ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
AUTOMATED CONTROL OVER SPACESHIP NATURAL OUTER ATMOSPHERE DUSTINESS AT HEAT-VACUUM TESTS AND CAPACITIVE ASPIRATION SYSTEM WITH CAPACITIVE ASPIRATION TRANSDUCERS TO THIS END

Данное предлагаемое изобретение относится к способам автоматизированного контроля запыленности собственной внешней атмосферы (далее СВА) космического аппарата (далее КА) при тепловакуумных испытаниях (далее ТВИ) и емкостным аспирационным системам с емкостными аспирационными датчиками для их осуществления.
Основной задачей ТВИ по техническому заданию является проверка работоспособности всех систем КА и чистоты всех его поверхностей и полостей, в том числе замкнутых полостей. Данные испытания должны проводиться штатно перед отправкой каждого КА на космодром.
В дополнение к автоматизированному контролю запыленности СВА КА заявляемый способ и емкостная аспирационная система с емкостными аспирационными датчиками позволяют также определять средние за время ТВИ плотность потока массы и концентрацию (массовую долю) пыли, взвешенной в СВА КА, проводить микрофотографический анализ отобранной пыли.
Известно, что на космической орбите пыль, доставленная с Земли, и загрязнения от самого КА (летучие компоненты красок, герметик, клеев, теплопроводных паст, их шелушение, образование пузырей, отслоение от корпуса, нитевидные фрагменты и др.) загрязняют, осаждаясь и конденсируясь на холодных поверхностях, оптику приборов, зеркала, солнечные батареи, искажают показания датчиков, изменяют характеристики экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) и т.д. [1-2].
s
-2
2
На Земле размеры частиц и капель, которые витают в воздухе помещений и в вакуумных камерах с открытыми люками, принадлежат интервалу, который охватывает четыре порядка величин d≈(10-10) мкм [3].
Данное предлагаемое изобретение, в котором объединены воедино несколько разных физических процессов - аспирация, фильтрация, генерация и регистрация электрических колебаний, взвешивание и т.д., пригодно и для других применений. По мнению заявителей, предлагаемое изобретение может быть использовано в авиационной, электронно-вакуумной, химической, пищевой промышленности, порошковой металлургии и иных областях науки и техники, связанных с мониторингом, контролем и измерением изменяющихся во времени параметров двухфазных потоков.
Известен способ измерения концентрации веществ в средах, на который выдан патент №2275625 [4]. Данный способ по патенту №2275625 принимается в качестве прототипа.
Способ-прототип содержит и базируется на использовании параллельного колебательного контура с регулируемой индуктивностью (регулируемой емкостью) и двух ручных переключателей, с помощью которых оператор поочередно подключает в электрическую цепь колебательного контура емкостные (один подключается, другой отключается) либо индуктивные (один подключается, другой отключается) датчики, генератора ВЧ синусоидального напряжения, сопротивления и ноль-индикатора.
Способ-прототип включает в себя следующие операции:
- подключение с помощью переключателей «первого» датчика (емкостного или индуктивного) в электрическую цепь колебательного контура;
- размещение образца испытуемой среды с неизвестной диэлектрической проницаемостью внутри «первого» датчика, включенного в колебательный контур;
- настройка колебательного контура с «первым» датчиком, внутри которого размещен образец испытуемой среды, в резонансный режим, регистрация параметров данного резонансного режима;
- подсоединение оператором с помощью переключателей электрическую цепь колебательного контура ко «второму» датчику и одновременное отключение «первого» датчика;
- размещение эталонного образца с «эталонной» диэлектрической проницаемостью внутри «второго» датчика;
- настройка колебательного контура со «вторым» датчиком, внутри которого размещен эталонный образец, в резонансный режим; регистрация параметров данного резонансного режима;
- сравнение параметров резонансных режимов и на основании этих данных определение концентрации примесных веществ в образце испытуемой среды.
Напомним определение диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость - одна из важнейших физических характеристик диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз уменьшается сила электростатического (кулоновского) взаимодействия электрических зарядов при переносе их из вакуума в однородный, изотропный диэлектрик, если расстояние между зарядами сохраняется неизменным.
Проведенный анализ способа-прототипа по патенту №2275625 показал, что наряду с положительными отличиями способ-прототип обладает и недостатками. Рассмотрим эти недостатки более подробно:
- в основу способа-прототипа заложено измерение и сравнение концентрации веществ в испытуемой и эталонной средах. Однако в патенте четко не прописано состояние вещества, концентрацию которого можно измерить в среде с помощью данного способа. Известно, что вещество, представляющее собой однородный вид материи, может находиться в твердом, жидком, газообразном и плазменном состоянии. В плазме, например, измерить концентрацию вещества с помощью способа-прототипа невозможно. О веществе какого состояния идет речь в способе-прототипе? На этот вопрос в патенте №2275625 нет ответа.
- при использовании способа-прототипа непременно требуется наличие эталонного образца испытуемой среды;
- способ-прототип не автоматизирован и не позволяет одновременно, а только поочередно, выполнив ручное переключение, измерять концентрации веществ в испытуемом образце и в эталонном образце;
- изготовление по способу-прототипу эталонных образцов, например жидкостных или газовых потоков, представляет собой задачу большой сложности и трудоемкости, требующей привлечения дополнительных сложных средств измерения; если используется эталон в виде твердого вещества, то состав этого вещества должен быть точно известным, что также требует привлечения дополнительных и сложных средств измерения;
- в вакуумной камере и аналогичных агрегатах в процессе их вакуумирования использование способа-прототипа не представляется возможным из-за наличия ручных переключателей;
- в представленном в способе-прототипе описании колебательные контуры не имеют заземленных защитных экранов, отсутствие последних снижает точность измерения и усложняет настройку колебательных контуров;
- в способе-прототипе не прописано четко понятие концентрации, измеряемой с помощью данного способа.
В механике аэрозолей и в двухфазных течениях, а именно такие течения имеют место в вакуумной камере при ТВИ КА, существуют следующие понятия концентрации - счетная, объемная, массовая (весовая). Счетная концентрация частиц определяет число частиц в единице объема несущей среды (газа). Объемная концентрация частиц характеризует общий объем частиц в единице объема несущей среды (газа). Массовая (весовая) концентрация частиц определяется как масса (вес) частиц в единице объема несущей среды (газа).
Небезынтересно отметить, что в природе и технике существуют множество различных двухфазных моно- и полидисперсных течений газа с частицами. Примером двухфазных течений являются, например, продукты сгорания + конденсированные частицы выхлопного факела ракетного двигателя, выхлопные газы + частицы сажи автомобиля, воздух + земная пыль, воздух + мучная пыль и т.д. [3, 5-6].
Из вышесказанного следует, что способ-прототип для использования в ТВИ КА является непригодным.
Техническим результатом заявляемой группы изобретений «Способ автоматизированного контроля запыленности собственной внешней атмосферы космического аппарата при тепловакуумных испытаниях и емкостная аспирационная система с емкостными аспирационными датчиками для его осуществления» является постоянный автоматизированный контроль запыленности СВА при ТВИ КА с регистрацией и записью результатов контроля запыленности в многоканальный модульный блок электроники с измерительными приборами, отказ за ненадобностью от эталонных образцов, повышение качества контроля, достоверности и точности измерения запыленности СВА вблизи наружных поверхностей и в замкнутых полостях КА, обшитого матами ЭВТИ, удаление посредством аспирации запыленной атмосферы из замкнутых полостей, получение данных по осредненным за время ТВИ массовой концентрации и плотности потока массы пыли, взвешенной в воздухе как собственной внешней, так и внутренней замкнутой атмосферы КА, проведение микрофотографического анализа отобранной пыли.
Для достижения указанного технического результата в заявляемом способе автоматизированного контроля запыленности СВА КА при ТВИ, включающем размещение космического аппарата в вакуумной камере, конфигурацию и монтажную сборку емкостной аспирационный системы, оснащение ее емкостными аспирационными датчиками с фильтрами известной массы и проходного сечения, многоканальным модульным блоком электроники с измерительными приборами и таймером, электронными расходомерами, вакуумной линией откачки с мобильными вакуумными насосами, закрепление емкостных аспирационных датчиков с электронными расходомерами в контрольных точках космического аппарата, присоединение емкостных аспирационных датчиков посредством вакуумной линии откачки к мобильным вакуумным насосам, а электронных расходомеров - и к вакуумной линии откачки с мобильными вакуумными насосами, и к многоканальному модульному блоку электроники с измерительными приборами, подключение носовых и кормовых лопастно-цилиндрических конденсаторов, смонтированных в емкостных аспирационных датчиках, к экранированным, заземленным колебательным контурам многоканального модульного блока электроники с измерительными приборами, настройку колебательных контуров в резонансные режимы и вывод резонансных кривых на дисплеи измерительных приборов многоканального модульного блока электроники, закрытие крышки вакуумной камеры, вакуумирование вакуумной камеры начинается по команде от таймера одновременно с процессом всасывания запыленных струй воздуха в контрольных точках космического аппарата в заборные полости емкостных аспирационных датчиков, где запыленный воздух изменяет диэлектрическую проницаемость и емкость носовых лопастно-цилиндрических конденсаторов, вследствие чего изменяются резонансные кривые колебательных контуров и отображения резонансных кривых на дисплеях измерительных приборов многоканального модульного блока электроники, далее всосанный запыленный воздух фильтруется с осаждением пыли на пористом фильтре и отфильтрованным проходит в кормовые лопастно-цилиндрические конденсаторы, не изменяя диэлектрическую проницаемость и емкость этих кормовых лопастно-цилиндрических конденсаторов, вследствие чего не изменяются резонансные режимы колебательных контуров и отображения резонансных кривых на дисплеях измерительных приборов многоканального модульного блока электроники, далее воздух проходит аэродинамически спрофилированные конфузоры емкостных аспирационных датчиков, электронные расходомеры, постоянно регистрирующие расход отфильтрованного воздуха, и по вакуумной линии откачки и мобильным вакуумным насосам сбрасывается в атмосферу, а по окончании тепловакуумных испытаний, анализируя записанную измерительными приборами многоканального модульного блока электроники информацию, решается вопрос об остаточной запыленности или чистоте собственной внешней атмосферы космического аппарата, а разобрав емкостные аспирационные датчики и измерив привес пыли на фильтрах с известным проходным сечением, используя данные по суммарному объемному расходу отсосанного воздуха, времени вакуумирования вакуумной камеры, определяются средние за время тепловакуумных испытаний массовая концентрация пыли и плотность потока массы пыли, взвешенной в контрольных точках собственной внешней атмосферы космического аппарата, проводится микрофотографический анализ пыли.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен КА, помещенный в вакуумную камеру, на фиг. 2 - принципиальная схема емкостной аспирационной системы, выполненная по заявляемому способу; на фиг. 3 - принципиальная схема многоканального модульного блока электроники с измерительными приборами; на фиг. 4 - конструкция принадлежащего емкостной аспирационной системе емкостного аспирационного датчика.
в
Следует отметить, что емкостные аспирационные датчики наиболее эффективно всасывают запыленный воздух в вакуумной камере из замкнутых полостей и вблизи наружных поверхностей КА в период образования низкого вакуума, соответствующего давлению р≥1 мм рт.ст.
На фиг. 1 космический аппарат обозначен цифрой 1, вакуумная камера - цифрой 2; стационарные вакуумные насосы, создающие вакуум в вакуумной камере 2, на фиг. 1 условно не показаны.
Основными функционально связанными между собой устройствами и элементами емкостной аспирационной системы 3, выполненной по заявляемому способу (см. фиг. 2) являются: идентичные емкостные аспирационные датчики 4 с фильтрами 5, датчики 4 крепятся в контрольных точках КА в произвольном положении на «липучках» в замкнутых полостях и на поверхности КА (на фиг. 2 КА условно обозначен контуром 1, а вакуумная камера - контуром 2), электронные расходомеры 6, вакуумная линия откачки 7, многоканальный модульный блок электроники с измерительными приборами и таймером 8, внешние вакуумный затвор 9, мобильный турбомолекулярный насос 10, вакуумные вентили 11, мобильный форвакуумный насос 12.
-8
-8
-2
-8
-1
-2
Напомним, что форвакуумные насосы создают разрежение до сотых долей миллиметра ртутного столба, турбомолекулярные насосы - до 10 Па=10 Η·м=10кгс·м·с; вакуумные затворы в вакуумных системах выполняют функцию запорного устройства, а вакуумные вентили осуществляют герметичное перекрытие вакуумных магистралей.
Многоканальный модульный блок электроники с измерительными приборами и таймером 8 емкостной аспирационной системы (см. фиг. 3) включает в себя источник питания 13, многоканальный высокочастотный генератор 14, последовательные колебательные контуры 15 и 16 регистрации протока соответственно запыленной и чистой воздушной струи (контуры 15 и 16 принадлежат одному емкостному аспирационному датчику 4; число датчиков 4 может быть Ν≥1), многоканальный алфавитно-цифровой преобразователь (АЦП) 17, многоканальный электронный контроллер 18 с информационными портами USB, обрабатывающий информацию персональный компьютер 19.
Напомним, что АЦП - это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Контроллер - специальное техническое устройство, предназначенное для управления другими устройствами посредством получения информации в виде цифровых данных или аналого-дискретного сигнала от внешнего устройства, преобразования этой информации по специальному алгоритму и выдачи управляющего воздействия в виде цифрового или аналого-дискретного сигнала.
Емкостной аспирационной датчик 4 (см. фиг. 4) является входным всасывающим устройством данной аспирационной системы 3. Датчик 4 содержит разборный с изоляционным покрытием корпус 20, состоящий из двух цилиндрических обкладок 21 и 22, которые состыкованы между собой с помощью резьбовой изоляционной втулки 23 (на фиг. 4 резьба не показана). В цилиндрических обкладках 21 и 22 смонтированы два идентичных, носовой 24 и кормовой 25, лопастно-цилиндрических конденсатора, которые электрически изолированы друг от друга, включены соответственно в идентичные колебательные контуры 15 и 16 (см. фиг. 3) и разделены между собой пористым фильтром 5. Выходное сечение цилиндрической обкладки 22 датчика 4 состыковано с аэродинамически спрофилированным конфузором 26. Выходной патрубок 27 конфузора 26 состыкован с электронным расходомером 6 (см. фиг. 2) и с вакуумной линией откачки 7 (см. фиг. 2), а линия откачки 7 состыкована с мобильными вакуумными насосами 10 и 12 (см. фиг. 2). Взаимное расположение лопастных обкладок 28 и 29 друг относительно друга в носовом и кормовом лопастно-цилиндрических конденсаторах 24 и 25 осуществляется с помощью изолированных винтов 30. Коаксиальные кабели 31, соединяющие носовой и кормовой лопастно-цилиндрические конденсаторы 24 и 25 с колебательными контурами 15 и 16 (см. фиг. 2), крепятся к разъемам 32 и 33. Лопастные обкладки 28 скреплены с цилиндрическими обкладками 21 и 22, а лопастные обкладки 29 закреплены на аэродинамических коаксиальных сердечниках 34 и 35. Отметим, что между обкладками 28 и 29 идентичных носового и кормового лопастно-цилиндрических конденсаторов 24 и 25 предусмотрен увеличенный зазор для максимализации расхода запыленного воздуха, всасываемого в полости аспирационных датчиков 4 и уменьшения гидравлического сопротивления во входных сечениях этих полостей. К слову сказать, всасываемый расход запыленного воздуха зависит от производительности мобильных вакуумных насосов 10 и 12.
Работает емкостная аспирационная система, выполненная по заявляемому способу (см. фиг. 1-4), следующим образом. Работу емкостной аспирационной системы 3 рассмотрим на примере, когда в системе задействован один емкостной аспирационный датчик 4.
По команде от таймера (на фиг. 3 не показан) стационарные вакуумные насосы, а также мобильные насосы 10 и 12 начинают вакуумировать вакуумную камеру 2. При этом в емкостной аспирационной системе 3 вначале работает один форвакуумный насос 12, а после достижения низкого вакуума насос 12 начинает работать совместно с турбомолекулярным насосом 10. В камере 2 возникают сложные воздушные течения, начинается всасывание запыленной струи воздуха в емкостной аспирационный датчик 4, установленный в замкнутой полости КА либо закрепленный на одном из матов ЭВТИ, которыми обшит КА. Всасываемый запыленный воздух изменяет диэлектрическую проницаемость носового лопастно-цилиндрического конденсатора 24 и, соответственно, увеличивает емкость этого конденсатора, смонтированного в емкостном аспирационном датчике 4. Изменение емкости носового лопастно-цилиндрического конденсатора 24 выводит из резонансного режима колебательный контур 15 (см. фиг. 3), в который включен носовой лопастно-цилиндрический конденсатор 24, при этом изменяется информация на дисплеях многоканальных измерительных приборов 17, 18, 19 модульного блока электроники 8 (см. фиг. 3). Далее всасываемая запыленная струя воздуха, преобразованная в носовом лопастно-цилиндрическом конденсаторе 24 в многоструйный поток, фильтруется на пористом фильтре 5 с осаждением пыли на этом фильтре. После фильтра 5 отфильтрованный воздушный поток проходит кормовой лопастно-цилиндрических конденсатор 25, не изменяя емкости этого кормового лопастно-цилиндрического конденсатора. Посему сохраняется резонансный режим колебательного контура 16 (см. фиг. 3), к которому подключен кормовой лопастно-цилиндрический конденсатор 25, и не изменяется информация на дисплеях многоканальных измерительных приборов 17, 18, 19 модульного блока электроники 8 (см. фиг. 3). Далее воздушный поток проходит конфузор 26, электронный расходомер 6 (см. фиг. 2), постоянно регистрирующий расход отфильтрованного воздуха, и по вакуумной линии откачки 7 (см. фиг. 2) через мобильные вакуумные насосы 10, 12 сбрасывается в воздушное пространство испытательного центра или лаборатории.
-12
Теперь небольшое отступление. Расчетные оценки емкости лопастно-цилиндрических конденсаторов 24 и 25, изображенных на фиг. 4, показали, что емкости этих конденсаторов равны примерно С≈200 пФ=200·10 Ф.
Автоматизированный контроль запыленности для достижения приемлемой точности целесообразно проводить, используя высокочастотные резонансные частоты колебания тока порядка 1 МГц и более в последовательных (или параллельных) колебательных контурах, каждый из которых содержит конденсатор, катушку индуктивности и резистор. Так как катушка индуктивности, конденсатор и соединительные провода обладают активным сопротивлением, то для достижения максимальной добротности от резистора можно отказаться.
-3
Выбираем индуктивность катушек порядка L=0,05 мГн=0,05·10 Гн и по формуле Томсона рассчитываем резонансную частоту последовательных электрических колебательных контуров:
p
0,5
-3
-12
0,5
6
f=1/(2π(L·С))=1/(2·3,14·(0,05·10·200·10))≈1,59·10 Гц=1,59 МГц.
Качество электрического колебательного контура обычно характеризуется его добротностью Q. Безразмерная величина Q определяет количество колебаний, которое совершит электрический ток в колебательном контуре после однократной зарядки его конденсатора, прежде чем амплитуда колебаний тока уменьшится в е=2,7 раз.
0,5
Q=1/R·(L/C)=50
-3
-12
В этой формуле были использованы R=10 Ом; L=0,05·10 Гн, С=200·10Ф.
По окончании ТВИ КА полученные экспериментальные данные и анализ информации, отображенной и записанной измерительными приборами модульного электронного блока, позволяют:
- обсудить качественно динамику процесса изменения (уменьшения) запыленности СВА КА во время вакуумирования вакуумной камеры;
- получить информацию об остаточной штатной запыленности либо чистоте СВА КА;
- определить, разобрав емкостной аспирационный датчик и измерив привес пыли на фильтре, используя данные по проходному сечению фильтра и суммарному объемному расходу воздуха, прошедшему через этот датчик, средние за время ТВИ массовые концентрацию пыли и плотность потока массы пыли в СВА КА;
- провести микрофотографический анализ отобранной пыли.
Известно устройство контроля запыленности воздуха по патенту №2147739 [7]. Данное устройство принимается в качестве устройства-прототипа.
Устройство-прототип включает в себя воздуходувку, входной патрубок, фильтр, двустороннюю задвижку, ротаметр, редукционный клапан, датчик диэлектрической проницаемости среды с чувствительным элементом - плоскими пластинами электрического конденсатора, камеру, микропроцессорный блок, предназначенный для регистрации и запоминания поступающей информации, программируемый таймер, электродвигатель, блок питания.
Напомним, что редукционный клапан в устройстве-прототипе - это автоматически действующий пневмоклапан, поддерживающий постоянное давление воздуха на выходе из камеры.
Устройство-прототип работает следующим образом. Перед началом работы в микропроцессорный блок контроля устройства-прототипа вводятся значения предельно допустимой концентрации (ПДК) пыли для данной рабочей зоны и с помощью программируемого таймера устанавливается режим работы устройства. Далее производится настройка устройства. На двухстороннюю задвижку с ее внешней стороны устанавливается фильтр, микропроцессорный блок контроля переводят в режим настройки. С помощью воздуходувки в устройство по входному патрубку нагнетается запыленный воздух, который фильтруется на фильтре, поступает далее в ротаметр и по этому прибору определяется объемный расход отфильтрованного от пыли воздуха. Далее отфильтрованный воздух проходит между установленными в камере двумя разнесенными друг от друга на большое расстояние плоскими пластинами конденсатора, который является чувствительным элементом датчика, реагирующим на диэлектрическую проницаемость проходящего воздуха, и через редукционный клапан истекает в атмосферу. Блок оперативной памяти фиксирует с заданным шагом дискретизации в различные моменты времени величину диэлектрической проницаемости, а микропроцессор вычисляет усредненную величину диэлектрической проницаемости отфильтрованного воздуха. Вычисленная усредненная величина диэлектрической проницаемости отображает «нулевую» концентрацию пыли в воздухе и заносится в блок постоянной памяти. После такой настройки устройство-прототип переводится в режим контроля. После этого с двусторонней задвижки снимается фильтр и, используя снова эту задвижку и ротаметр, устанавливают расход запыленного воздуха, равный расходу ранее отфильтрованного чистого воздуха, измеренному при настройке устройства-прототипа. Запыленный воздух с взвешенными в нем частицами пыли и мелкими каплями, преодолев задвижку и ротаметр, втекает в камеру, проходит между плоскими пластинами конденсатора и через редукционный клапан истекает в атмосферу, снова загрязняя окружающее пространство. Частицы пыли и мелкие капли, взвешенные в запыленном воздухе, изменяют диэлектрическую проницаемость воздуха, при этом изменяется и емкость плоского конденсатора, которая фиксируется блоком оперативной памяти. После этого, используя ранее полученные данные о емкости конденсатора при обтекании его пластин-обкладок чистым воздухом и информацию, полученную микропроцессором об изменившейся емкости конденсатора, с помощью программы, записанной в блоке постоянной памяти, вычисляется разность емкостей конденсатора при обтекании его чистым и запыленным воздухом. По вычисленной разности емкостей конденсатора и анализу этих данных определяется запыленность воздуха, величина которой либо допустима для контролируемого рабочего места, либо превышает ПДК. В случае, когда запыленность воздуха превышает ПДК, принимаются соответствующие меры.
Наряду с положительными отличиями устройство-прототип обладает и рядом недостатков. Рассмотрим эти недостатки более подробно.
Итак:
- в устройстве-прототипе пульсации давления, пульсирующий расход воздуха, акустический шум и вибрации от воздуходувки, вращающейся от электродвигателя, через жесткую связь «входной патрубок-двухсторонняя задвижка-ротаметр-камера» передаются воздушному диэлектрику и плоским пластинам конденсатора, являющимся чувствительным элементом датчика в камере, а также ротаметру. Результат влияния этих вибраций - неупорядоченное изменение расстояния между обкладками конденсатора, изменение емкости конденсатора и хаотичные различной частоты сигналы, поступающие в блок оперативной памяти. В итоге имеем большие погрешности и невысокую точность измерения запыленности воздуха данным устройством-прототипом;
- при обтекании взвешенного и постоянно колеблющегося поплавка в ротаметре потоком чистого или запыленного воздуха затруднено измерение объемного расхода воздуха; вверх по потоку за поплавком образуются вихри с осаждением пыли на поплавке; происходит деформация потока, изменение скорости, давления, температуры, плотности и линий тока воздуха в воздушном диэлектрике конденсатора. Результат изменения параметров потока воздуха - диэлектрика плоского конденсатора, как и ранее, - изменение емкости конденсатора и неупорядоченные сигналы, поступающие в блок оперативной памяти. В итоге вновь имеем дополнительные погрешности и принципиально невысокую точность измерения запыленности воздуха устройством-прототипом;
- воздуходувка в процессе измерения засасывает запыленный воздух, который, пройдя через устройство-прототип, вновь поступает в рабочую зону;
- использование воздуходувки и смонтированного вместе с ней устройства-прототипа в вакуумной камере при проведении ТВИ КА не представляется возможным из-за громоздкости воздуходувки и ручного монтажа-демонтажа фильтра оператором.
Дополним приведенные выше недостатки устройства-прототипа примером использования в музыкальных инструментах вибрирующих емкостей конденсаторов в колебательных контурах. Это известный музыкальный инструмент терменвокс, созданный в 1918 г. русским изобретателем Л.С.Терменом (1896-1993 гг.). В этом инструменте использовались два колебательных контура с конденсаторами, одна из обкладок которых была соединена с наружной штыревой антенной. Около штыревых антенн музыкант своими руками совершает колебательные (вибрирующие) движения, что приводит к изменению емкости конденсаторов, изменению генерируемых колебательными контурами электрических колебаний. Последние воспроизводятся акустическими системами как музыкальное произведение.
Для достижения вышеуказанного технического результата емкостная аспирационная система содержит емкостные аспирационные датчики с пористыми фильтрами известной массы и проходного сечения, электронные расходомеры, вакуумную линию откачки с регулирующей аппаратурой и мобильными вакуумными насосами, многоканальный модульный блок электроники с измерительными приборами и таймером, идентичные колебательные контуры, которые экранированы, заземлены и их подключение к многоканальному модульному блоку электроники выполнено коаксиальным многожильным проводом, а каждый емкостной аспирационный датчик смонтирован в разборном с изоляционным покрытием корпусе, в котором тандемно, соосно и изолированно друг от друга расположены идентичные носовой и кормовой лопастно-цилиндрические конденсаторы, при этом передний торец цилиндрической обкладки носового лопастно-цилиндрического конденсатора выполнен в виде аэродинамически спрофилированного насадка, а задний торец цилиндрической обкладки этого лопастно-цилиндрического конденсатора состыкован через фильтр и изоляционную втулку с цилиндрической обкладкой кормового лопастно-цилиндрического конденсатора, который через аэродинамически спрофилированный конфузор и электронный расходомер соединен с вакуумной линией откачки и мобильными вакуумными насосами, причем и носовой, и кормовой лопастно-цилиндрические конденсаторы включают в себя по две совокупности выполненных по форме спирали Архимеда пористых лопастных обкладок, одна совокупность которых эквидистантно закреплена на цилиндрической обкладке лопастно-цилиндрического конденсатора, а другая совокупность пористых лопастно-цилиндрических обкладок, выполненных также по спирали Архимеда, закреплена на аэродинамическом коаксиальном сердечнике, изолированном от цилиндрической обкладки и расположенной на продольной оси последней, при этом все пористые лопастные обкладки лопастно-цилиндрических конденсаторов эквидистантно и с воздушным зазором расположены друг относительно друга.
Предлагаемая емкостная аспирационная система поясняется чертежами, где на фиг. 2 - представлена принципиальная схема емкостной аспирационной системы; на фиг. 3 - принципиальная схема модульного блока электроники с измерительными приборами и таймером; на фиг. 4 - конструкция принадлежащего емкостной аспирационной системе емкостного аспирационного датчика.
Как и в описании способа автоматизированного контроля запыленности собственной внешней атмосферы космического аппарата при тепловакуумных испытаниях, представленном выше, основными значимыми и функционально связанными между собой блоками, агрегатами и элементами емкостной аспирационной системы 3 (см. фиг. 2-4) являются: идентичные емкостные аспирационные датчики 4 с фильтрами 5, датчики 4 крепятся, например, на «липучках» в произвольном положении в замкнутых полостях и на поверхности КА (на фиг. 2 показаны два датчика, КА условно обозначен контуром 1, а вакуумная камера - контуром 2), электронные расходомеры 6, вакуумная линия откачки 7, модульный блок электроники с измерительными приборами и таймером 8, внешние вакуумный затвор 9, турбомолекулярный насос 10, вакуумные вентили 11, форвакуумный насос 12.
Модульный блок электроники с измерительными приборами 8 емкостной аспирационной системы 3 (см. фиг. 3) включает в себя источник питания 13, многоканальный высокочастотный генератор 14, последовательные колебательные контуры регистрации запыленного и чистого воздушного потока 15 и 16 соответственно (на фиг. 3 условно показаны колебательные контуры одного емкостного аспирационного датчика 4, подключенные к модульному блоку электроники с измерительными приборами 8), многоканальный алфавитно-цифровой преобразователь (АЦП) 17, многоканальный электронный контроллер 18 с информационными портами USB, обрабатывающий информацию персональный компьютер 19.
Емкостной аспирационной датчик 4 (см. фиг. 4) является входным всасывающим устройством данной аспирационной системы 3. Датчик 4 содержит разборный с изоляционным покрытием корпус 20, состоящий из двух цилиндрических обкладок 21 и 22, которые состыкованы между собой с помощью резьбовой изоляционной втулки 23 (на фиг. 4 резьба не показана). В цилиндрических обкладках 21 и 22 смонтированы два идентичных лопастно-цилиндрических, носовой 24 и кормовой 25, конденсатора. Лопастно-цилиндрические конденсаторы 24 и 25 электрически изолированы друг от друга, включены соответственно в идентичные колебательные контуры 15 и 16 (см. фиг. 3) и разделены между собой пористым фильтром 5. Выходное сечение цилиндрической обкладки 22 датчика 4 состыковано с аэродинамически спрофилированным конфузором 26. Выходной патрубок 27 конфузора 26 соединен с электронным расходомером 6 (см. фиг. 2), который скреплен с вакуумной линией откачки 7 (см. фиг. 2), последняя состыкована с мобильными вакуумными насосами 10 и 12 (см. фиг. 2). Расположение лопастных обкладок 28 и 29 друг относительно друга в лопастно-цилиндрических конденсаторах 24 и 25 осуществляется с помощью изолированных винтов 30. Коаксиальные кабели 31, соединяющие лопастно-цилиндрические конденсаторы 24 и 25 с колебательными контурами 15 и 16 (см. фиг. 2) крепятся к разъемам 32 и 33. Лопастные обкладки 28 скреплены с цилиндрическими обкладками 21 и 22. Лопастные обкладки 29 закреплены на аэродинамических коаксиальных сердечниках 34 и 35. Отметим, что между обкладками 28 и 29 идентичных лопастно-цилиндрических конденсаторов 24 и 25 предусмотрен увеличенный зазор для всасывания расхода запыленного воздуха в аспирационные датчики 4 и уменьшения гидравлического сопротивления во входных сечениях датчиков 4 при этом всасывании.
Для увеличения емкости в конденсаторах 24 и 25 использованы совокупности, например, пористых лопастных обкладок, выполненных по форме спирали Архимеда. Изготовление таких обкладок возможно, например, на электроэрозийном станке типа AQ327L японской фирмы «Sodick».
Работает емкостная аспирационная система (см. фиг. 2-4) следующим образом, при этом работу емкостной аспирационной системы 3 рассмотрим на примере, когда в системе задействован один емкостной аспирационный датчик 4.
По команде от таймера стационарные вакуумные насосы (на фиг. 2 не показаны) и мобильные вакуумные насосы 10, 12, принадлежащие емкостной аспирационной системе 3, начинают вакуумировать вакуумную камеру 2 (см. фиг. 1-2). При этом вначале работает один форвакуумный насос 12, а после достижения низкого вакуума насос 12 начинает работать совместно с турбомолекулярным насосом 10. В вакуумной камере 2 возникают сложные воздушные течения, начинается всасывание запыленной струи воздуха в емкостной аспирационный датчик 4, установленный в замкнутой полости КА либо закрепленный на одном из матов ЭВТИ, которыми обшит КА. Всасываемый запыленный воздух изменяет диэлектрическую проницаемость носового лопастно-цилиндрического конденсатора 21 и, соответственно, емкость этого конденсатора, смонтированного в емкостном аспирационном датчике 4. Изменение емкости носового лопастно-цилиндрического конденсатора 24 выводит из резонансного режима колебательный контур 15 (см. фиг. 3), в который включен носовой лопастно-цилиндрический конденсатор 24, при этом изменяется информация на дисплеях многоканальных измерительных приборов 17, 18, 19 модульного блока электроники 8 (см. фиг. 3).
Далее всасываемая запыленная струя воздуха, преобразованная в конденсаторе 24 в многоструйный поток, фильтруется на пористом фильтре 5 с осаждением пыли на этом фильтре. После фильтра 5 отфильтрованный воздушный поток проходит кормовой лопастно-цилиндрический конденсатор 25, не изменяя емкости этого кормового конденсатора. Посему сохраняется резонансный режим колебательного контура 16 (см. фиг. 3), к которому подключен кормовой лопастно-цилиндрический конденсатор 25 и не изменяется информация на дисплеях многоканальных измерительных приборов 17, 18, 19 модульного блока электроники 8 (см. фиг. 3).
Далее воздушный поток проходит кормовой конфузор 26, патрубок 27, электронный расходомер 6 (см. фиг. 2), постоянно регистрирующий расход отфильтрованного воздуха, и по вакуумной линии откачки 7 (см. фиг. 2) через внешние вакуумные насосы 10, 12 сбрасывается в воздушное пространство испытательного центра или лаборатории.
Источники информации
1. Акишин А.И., Дунаев Н.М., Константинова В.В. и др. Атмосфера, создаваемая космическим аппаратом, и ее влияние на работоспособность бортовой аппаратуры. Модель космического пространства. Под ред. акад. Вернова С.Н. т.2. М.: НИИЯФ МГУ. 1983. С. 244-309.
2. Акишин А.И., Дунаев Н.М., Константинова В.В. Собственная атмосфера космических аппаратов и ее влияние на бортовые приборы и технологии в Космосе. Космическое материаловедение и технология. М.: Наука. 1977. С. 65-77.
3. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Издательство АН СССР. 1955. С. 351.
4. Петров Ю.С., Алборов И.Д., Макиев Г.К. Способ измерения концентрации веществ в средах. Патент РФ №2275625. 2004.
5. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение. 1974. С. 210.
6. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение. 1980. С. 533
7. Шкрабак B.C., Веденева А.А., Калинин А.Б., Скоробогатов В.В., Митрофанов П.Г. Устройство контроля запыленности воздуха. Патент РФ №2147739. 1998.