СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЕМ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА, СНАБЖЕННОЙ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ
METHOD FOR PRESSURE CONTROL IN HYDRAULIC SYSTEM OF MANNED SPACECRAFT HEAT CONTROL EQUIPPED WITH HYDRA-PNEUMATIC COMPENSATOR

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам управления рабочим давлением в гидравлических системах терморегулирования долговременных пилотируемых космических объектов, например модулей орбитальных станций, в ходе их полета.
Изобретение может быть использовано экипажем космического объекта при проведении ремонтных работ, связанных с периодическим выравниванием рабочего давления в гидравлических системах с давлением атмосферы обитаемого отсека. Изобретение может быть также использовано в общем и специальном машиностроении, где требуется сохранение оптимальных рабочих характеристик гидравлических систем после замены различного рода гидравлического оборудования.
Известен способ управления рабочим давлением среды в системах жизнеобеспечения космических аппаратов (см. А.С.Елисеев. Техника космических полетов. М., Машиностроение, 1983, стр.130). Способ предусматривает создание в шлюзовом отсеке космического аппарата при подготовке космонавтов к выходу в открытый космос нормального давления атмосферы обитаемого отсека. Перед выходом космонавтов из шлюзового отсека люк в обитаемый отсек герметично закрывается и воздух из шлюзового отсека стравливается до давления окружающей внешней среды. После возвращения космонавтов в шлюзовый отсек он вновь надувается воздухом до давления, равного давлению атмосферы обитаемого отсека.
К недостаткам способа следует отнести потерю воздуха при шлюзовании космонавтов, а также необходимость использования атмосферы обитаемого отсека для контроля герметичности закрытия внешнего и внутреннего люков.
Известен также способ управления рабочим давлением в системе терморегулирования космического объекта, охраняемый патентом Российской Федерации №2172280.
Способ предусматривает создание в системе двух уровней рабочего давления - первый уровень рабочего давления устанавливается при наземной подготовке космического объекта для участка выведения объекта на орбиту, второй уровень давления устанавливается экипажем на орбите на весь орбитальный полет.
Уровень рабочего давления для участка выведения космического объекта на орбиту определяется по приведенному в формуле изобретения соотношению с учетом следующих факторов:
- максимально допустимого рабочего давления в системе;
- давления начала кавитации в гидронасосах системы;
- гидростатического давления столба теплоносителя, воздействующего на элементы системы на участке выведения объекта на орбиту;
- осевой перегрузки (зависит от типа ракеты-носителя), испытываемой элементами системы на участке выведения.
На участке орбитального полета в системе устанавливают давление, которое больше давления атмосферы обитаемого отсека на величину, превышающую погрешность канала измерения рабочего давления в системе.
Применительно к орбитальному полету способ имеет один существенный недостаток, который ограничивает возможность его применения в системах терморегулирования крупногабаритных космических станций, использующих высоконапорные гидравлические насосы.
Этот недостаток состоит в том, что при установке орбитального режима рабочего давления отсутствует ограничение по его верхнему пределу, в результате чего возможна установка такого давления, при котором динамическое давление в системе (статическое рабочее давление плюс напор, создаваемый насосом) превысит максимально допустимое давление из условий прочности агрегатов, что может привести к разрушению агрегатов и выходу из строя системы.
Известен способ управления давлением в гидравлической системе терморегулирования пилотируемого космического объекта, охраняемый патентом Российской Федерации №2238887. Способ принят автором за прототип.
Способ предусматривает периодическое выравнивание давления в системе с давлением атмосферы обитаемого отсека на время замены гидравлических агрегатов, измерение напора, создаваемого гидронасосом гидравлической системы, и текущей среднемассовой температуры теплоносителя перед каждой операцией установки рабочего давления с последующим повышением или понижением предварительно выровненного с давлением атмосферы обитаемого отсека давления в системе до величины, определяемой по приведенному в формуле изобретения соотношению. В соотношении учитываются следующие факторы:
- измеренный напор, создаваемый работающим гидронасосом в системе;
- верхний и нижний пределы допустимого рабочего давления в системе;
- измеренная текущая среднемассовая температура теплоносителя в системе;
- максимальная и минимальная расчетные среднемассовые температуры теплоносителя;
- величина роста (снижения) давления в системе за счет возможного повышения (снижения) среднемассовой температуры теплоносителя;
- величина изменения давления в системе при изменении на один градус среднемассовой температуры теплоносителя ("жесткость" системы).
При установке давления по этому способу величина статического рабочего давления в системе, которое устанавливается после каждой замены агрегатов, обычно лежит в середине диапазона значений, верхняя граница которого определяется максимально допустимой величиной для системы по условиям прочности за вычетом измеренного напора гидронасоса и величины прироста давления за счет повышения среднемассовой температуры теплоносителя до своего расчетного максимума. Нижняя граница диапазона значений, в свою очередь, ограничена нижним пределом допустимого рабочего давления в системе, с поправкой на величину возможного падения давления за счет снижения среднемассовой температуры теплоносителя.
Опыт применения этого способа управления давлением в системе терморегулирования служебного модуля Российского сегмента Международной космической станции (МКС) показал, что способ нуждается в дальнейшей модернизации из-за следующих недостатков:
- как видно из предложенного математического соотношения, устанавливаемое статическое давление в системе не зависит от давления атмосферы обитаемых отсеков. Это приводит к тому, что для существующего достаточно широкого допустимого диапазона предельных значений рабочего давления и фактических характеристик гидронасосов статическое давление в системе оказывается ниже (обычно на 100÷200 мм рт.ст.), чем номинальное давление атмосферы обитаемых отсеков, которое в 90-95% времени поддерживается на уровне 730÷750 мм рт.ст. Для гидравлических контуров системы, находящихся в резерве (гидронасосы выключены), отрицательный перепад статического давления по отношению к давлению окружающей среды обуславливает натекание окружающего воздуха внутрь контура из-за конечной величины герметичности конструкции системы. Это снижает надежность резервных контуров;
- в гидравлических контурах системы, находящихся в работе (гидронасосы включены), для существующих гидравлических насосов динамическое давление (статическое давление плюс напор насоса) на напорном участке гидравлической магистрали может достигать 2,5-3,5 атм. При этом на входе в насос из-за гидравлических потерь на участке между насосом и точкой подключения гидропневматического компенсатора к магистрали системы динамическое давление может быть на 0,1-0,2 атм ниже, чем статическое давление в системе. Это приводит к тому, что свободный воздух в системе, находящийся в растворенном состоянии на напорном участке гидромагистрали, на входе в гидронасос выделяется из теплоносителя в виде свободных пузырей, которые, в конечном счете, могут полностью заблокировать насос и вывести систему из строя.
Кроме того, анализ статистики составляющих приведенного в формуле изобретения соотношения показал, что температурные поправки на величину устанавливаемого статического давления в условиях реального орбитального полета незначительны, а сам процесс измерения среднемассовой температуры теплоносителя и вычисления этих поправок отнимает у экипажа определенное время.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности эксплуатации системы и сокращение рабочего времени экипажа на проведение операции.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления давлением в гидравлической системе терморегулирования пилотируемого космического объекта с гидропневматическим компенсатором, включающем выравнивание давления в системе с давлением атмосферы обитаемого отсека на время замены гидравлических агрегатов с последующей операцией установки рабочего давления после измерения напора, создаваемого гидравлическим насосом системы, после измерения напора гидравлического насоса определяют потери динамического давления на участке от точки подключения гидропневматического компенсатора системы к гидравлической магистрали до входа в гидравлический насос, а затем устанавливают избыточное по отношению к давлению атмосферы обитаемого отсека статическое рабочее давление
C
(Р), определяемое из соотношения
атм
п
δ1
C
δ2
вп
н
[P+ΔP)k≤P≤k(P-Р),
атм
где Р - давление атмосферы обитаемого отсека;
п
ΔР - потери напора на участке от точки подключения гидропневматического компенсатора системы к гидравлической магистрали до входа в гидравлический насос;
δ1
k=1,1÷1,15 - первый коэффициент безопасности, учитывающий возможность снижения давления в системе из-за снижения среднемассовой температуры теплоносителя;
δ2
k=0,85÷0,9 - второй коэффициент безопасности, учитывающий возможность повышения рабочего давления из-за повышения среднемассовой температуры теплоносителя;
вп
P - верхний предел допустимого рабочего давления в системе;
н
Р - измеренный напор, создаваемый работающим гидравлическим насосом в системе.
Предложенный способ позволяет решить поставленную задачу, т.к. он обеспечивает:
- рабочее давление в системе (статическое и динамическое) на входе в гидравлический насос в любом режиме работы системы (включена-выключена), которое всегда выше давления атмосферы обитаемого отсека. Это исключает возможность натекания воздуха в систему и уменьшает интенсивность выделения растворенного воздуха из теплоносителя;
- экономию рабочего времени экипажа за счет исключения операции измерения среднемассовой температуры теплоносителя. Сама по себе эта операция, выполняемая с помощью бортового вычислительного комплекса и лэптопа (космонавт), занимает ~3-4 мин. Но для получения штатного распределения температуры по длине гидравлической магистрали системы (после ее выключения на проведение работ по замене агрегатов) требуется не менее 30 мин работы гидравлического насоса (обычно для получения достаточно достоверных результатов выбирают ~45 мин). Таким образом, общая экономия рабочего времени может составлять ~50 мин. При этом отсутствие поправок на определение статического рабочего давления в системе, связанных с возможным изменением среднемассовой температуры теплоносителя, компенсируется коэффициентами безопасности, полученными на основе опыта многолетней эксплуатации системы.
В качестве примера практической реализации предложенного способа рассмотрим процесс управления давлением в одном из двух гидравлических контуров обогрева системы терморегулирования служебного модуля Российского сегмента МКС, для которой, собственно, и разрабатывался этот способ.
Рассматриваемый гидравлический контур обогрева системы терморегулирования представляет собой замкнутую гидравлическую магистраль, объединяющую теплообменные агрегаты различного назначения (термоплаты, газожидкостные и жидкостно-жидкостные теплообменные агрегаты, термостатируемые приборы прямого подключения и т.п.). Циркуляцию теплоносителя в контуре обеспечивает заменяемый по отказу гидравлический насос, размещенный на специальной панели, которая снабжена необходимой арматурой, обеспечивающей быструю, удобную для экипажа, беспроливную замену этого насоса (самозапирающиеся гидравлические разъемы, запорные вентили и т.п.).
Статическое давление теплоносителя в гидравлическом контуре поддерживается с помощью гидропневматического компенсатора, подключенного к гидромагистрали на некотором расстоянии от входа в гидравлический насос. Для управления давлением в контуре газовая полость компенсатора через систему ручных запорных клапанов связана как с источниками высокого и низкого давления, так и с атмосферой обитаемого отсека. Для контроля устанавливаемого статического рабочего давления в гидравлическом контуре в системе предусмотрены образцовый мановакуумметр и датчики давления, показания которых через бортовой вычислительный комплекс транслируются на терминальную вычислительную машину и далее на системный лэптоп.
Перед заменой отказавшего гидравлического насоса (или другого агрегата) экипаж выравнивает давление теплоносителя в гидравлической магистрали с давлением атмосферы обитаемого отсека путем сообщения газовой полости его гидропневматического компенсатора с атмосферой отсека.
атм
δ1
δ2
вп
C
После замены гидравлического насоса (или другого агрегата) экипаж включает контур и на лэптопе контролирует напор, создаваемый гидравлическим насосом контура при статическом давлении в контуре, равном давлению атмосферы обитаемого отсека. Если в какой-либо системе используются два и более последовательно установленных гидравлических насоса, то измеряется общий напор, создаваемый всеми насосами. Далее полученное значение напора вводится в терминальную вычислительную машину, которая по имеющейся программе определяет потери напора на участке от точки подключения компенсатора к гидравлической магистрали до входа в гидравлический насос, а затем, с учетом заранее введенных исходных параметров (Р, k, k, P), рассчитывает и транслирует на лэптоп статическое рабочее давление в системе (Р), которое необходимо установить в газовой полости гидропневматического компенсатора контура.
Далее экипаж подключает газовую полость компенсатора контура к бортовому источнику высокого давления и устанавливает в ней статическое рабочее давление. Контроль давления при этом ведется с помощью образцового мановакуумметра и датчиков давления, показания которых транслируются на лэптоп. После установки рабочего давления в гидравлическом контуре системы экипаж проводит заключительные работы в части приведения системы в исходное перед заменой агрегата состояние и через лэптоп передает управление системой бортовому вычислительному комплексу.
Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, дает возможность создать способ управления давлением в гидравлической системе терморегулирования пилотируемого космического объекта, позволяющий:
- исключить возможность натекания воздуха в гидромагистраль системы из отсека во всех режимах работы системы (включена-выключена), т.к. и статическое и динамическое давление в гидромагистрали системы всегда будет превышать давление атмосферы обитаемого отсека. Это значительно снижает интенсивность выделения растворенного воздуха из теплоносителя и сепарации этого воздуха в рабочих колесах центробежных насосов, что, в свою очередь, дает возможность сократить объем и длительность профилактических работ по удалению свободного воздуха из системы. Кроме того, уменьшение количества свободного воздуха в системе повышает надежность ее работы;
- сократить на ~45-50 мин затраты рабочего времени экипажа в системе за счет исключения операции измерения среднемассовой температуры теплоносителя.
Предложенный способ разработан в порядке выполнения служебного задания для системы терморегулирования служебного модуля "Звезда" Российского сегмента МКС в рамках реализации мероприятий, направленных на сокращение рабочего времени экипажа на обслуживание бортовых систем модуля.