СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ ОСТАТКОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА - ГАЗА В ЕМКОСТЯХ РАБОЧЕЙ СИСТЕМЫ
METHOD OF DEFINING TEMPERATURE-STABILISED WORKING GAS RESIDUES IN OPERATING SYSTEM TANKS

Предлагаемое изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для количественной оценки остатков (массы) рабочего тела (РТ) - газа в емкостях рабочей системы - топливных баках (ТБ) безнаддýвного типа двигательной установки системы коррекции (ДУК) орбиты космического аппарата (КА) на всех этапах эксплуатации КА.
Из уровня техники известен способ учета фактического расхода и определения остаточной массы РТ ДУК, основанный на учете наработок двигателей коррекции (ДК). Другим способом определения остатков РТ (газа) можно считать в обычной практике газосварочных работ оборудование газовых баллонов датчиками давления (манометрами) и регулярное считывание показаний с этих датчиков. Непосредственно по этим показаниям судят об остатках газа (кислорода, ацетилена). Метод не выдерживает никакой критики, поскольку без датчиков температуры или теплоизоляции баллонов говорить о количественных оценках остатков газа не приходится, хотя для качественных оценок вполне приемлем.
Наиболее близким по своей сути к предполагаемому изобретению является способ фактического учета расхода и определения остаточной массы РТ ДУК, имеющей ДК, который и взят за прототип. Согласно данному способу проводят выработку РТ включением и выключением ДК, учитывают наработки (в секундах времени) всех ДК, определяют суммарную наработку всех ДК от момента запуска КА на орбиту до заданного момента, рассчитывают массу оставшегося РТ (например, ксенона) по рабочей формуле:
ОСТ
где M - масса оставшегося РТ, кг;
НАЧ.
M - исходная масса заправленного РТ ДУК, кг;
с
-6
m - секундный расход РТ, считается постоянной величиной (для электрических ксеноновых плазменных двигателей 5,5·10кг/с);
СУМ
T - суммарная наработка всех ДК ДУК (сумма значений телеметрических (ТМ-) параметров наработки двигателей ДУК из Отчета для системы коррекции (СК), регистрируется в дежурном журнале смены) с момента подрыва пироклапанов блока хранения РТ, например, ксенона до момента формирования Отчета для СК (или - с момента запуска КА до заданного момента расчета), с;
ПОТЕРЬ
M - масса потерь РТ за счет негерметичности ДУК за срок активного существования - САС (для электрических ксеноновых плазменных двигателей 9,4 кГ);
РАБ
СУМ
Т - интервал времени от момента подрыва пироклапанов блока хранения ксенона до момента формирования (снятия) Отчета для СК, по информации которого определяется суммарная наработка всех двигателей ДУК (Т) (или время функционирования КА с момента запуска до заданного момента расчета), с;
САС
8
Т - конструкторский ресурс КА, 3,31·10 с.
Приведенный способ фактического учета расхода и определения остатков РТ ДУК имеет существенные недостатки:
1. Секундный расход РТ считается постоянной величиной, хотя это не так, даже если РТ при входе в ДК и проходит через стабилизатор давления: секундный расход прямо зависит от условий работы ДК, т.е. для электрических двигателей - от анодного тока J и напряжения U, и, в конечном счете, - от фактической тяги двигателя . Но тягу двигателя определить точнее 10-11% практически невозможно, значит, и остатки РТ тоже, а при неучете условий работы ДК, ввиду того что ДК теряют свои рабочие качества, ошибка определения остатков РТ может достигать 50%, что в принципе не допустимо, т.к. возникают проблемы с определением реального срока активного существования КА. Говоря в общем, качество использования КА по целевому назначению снижается.
ПОТЕРЬ
2. Потери РТ M принимаются всегда равными некой постоянной величине, которую фактически уточнить невозможно, поскольку потери РТ характеризуются величинами (расходом РТ за счет негерметичности ДУК и свободным сливом РТ от момента включения двигателя до момента выхода ДК на рабочий режим), никак не контролируемыми, но которые делают неопределенным прогнозирование окончания работы с КА, и эта неопределенность, для срока активного существования 10 лет, составляет в настоящий момент около года для геостационарных КА.
3. Заправочная масса топлива должна быть определена «на месте», т.е. в космосе. Ее можно принимать за начальную массу, если с приемлемой точностью ее можно подтвердить на борту КА.
В результате остатки РТ определяются с весьма низкой достоверностью.
Целью предлагаемого изобретения является исключение накопления погрешности определения остатков РТ ДУК на сроке активного существования КА и повышение надежности определения остатков РТ ДУК и, следовательно, более качественное планирование работы с КА по целевому назначению с оглядкой на остатки горючего.
(i)
(i)
(i)
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе определения стабилизированных по температуре остатков РТ - газа в емкостях рабочей системы, включающем выработку РТ, введены новые операции, заключающиеся в том, что определяют номинальную зависимость массы РТ от общего давления на выходе из ТБ при постоянной температуре - табулируют остатки РТ и соответствующие им давления при неизменных условиях эксплуатации (температура и суммарный объем ТБ); в сеансах измерений, разнесенных равномерно на интервале времени периодичности изменений температуры ТБ и давления РТ, кратному суткам, снимают фактические значения температуры для каждого ТБ рабочей системы и общего давления; определяют средние для всех ТБ на каждом из i-сеансов измерений значения этих температур Tcp; рассчитывают достоверные температуру и давление как среднее между минимальным и максимальным значениями Tcp и Р; определяют заправочную массу РТ и в дальнейшем текущую массу РТ из номинальной зависимости массы РТ от давления в ТБ; при отклонении достоверной температуры от номинальной (формулярной), превышающем погрешность температурных датчиков, вводят поправку в значение текущей фактической массы РТ, используя уравнения состояния газа.
Реализация предлагаемого способа предполагает выполнение следующей последовательности операций применительно к интервалу времени периодичности изменений параметров - интервалу определения остатков РТ 1-2 суток:
1. Определяют номинальную зависимость остатков РТ от общего давления на выходе из ТБ при постоянной заявленной температуре, например, в виде графика.
Это формулярные данные, обязательные перед началом эксплуатации емкостей рабочей системы (ТБ ДУК в составе КА). Температура выбирается из осредненных условий эксплуатации емкостей рабочей системы и составляет, к примеру, для одной из серий КА 6-7°С.
Результаты поиска известных технических решений с целью выявления признака, совпадающего с отличительным и функционально самостоятельным признаком заявленного изобретения - определение номинальной зависимости массовых остатков реального газа (РТ) от давления при постоянной заявленной температуре, показали, что этот признак не следует явным образом из уровня техники. Этот отличительный признак:
а) ранее не применялся в практике для определения каких бы то ни было масс в замкнутых емкостях;
б) никоим образом не следует из уравнений состояния газа, т.е. номинальную зависимость массы от давления и температуры определяют экспериментально, без привлечения известных из общедоступных источников информации уравнений, тем самым существенно повышая точность целевой задачи;
крит
в) нельзя отнести к какой-либо теоретической кривой состояния газа, поскольку в источниках информации, во-первых, нет зависимости массы реального газа от давления, температуры и объема, а есть зависимость моля газа от давления, температуры и объема (это принципиально, в п.8 приведено уравнение (1), как видение автором проблемы); во-вторых, наличие множеств уравнений состояния газа (например, Б.М.Яворский и А.А.Детлаф. Справочник по физике…, стр.245, 246; Журнал технической физики, 2004, том 74, вып.7, Р.Л.Фогельсон, Е.Р.Лихачев, уравнение состояния реального газа), в которых предлагаются сложные и взаимопротиворечивые коэффициенты, восходящие к градации ванн-дер-ваальсовых сил притяжения молекул в зависимости от радиуса их отчуждения, говорит об откровенно плохой согласованности теории с экспериментом даже на дальних подступах к параметру V «критический объем» .
Из сказанного следует, что данная операция по п.1 отвечает критерию «изобретательский уровень», и в совокупности с другими нижеследующими операциями отвечает критерию «новизна заявленного изобретения».
Данную операцию проводят для каждой серии КА, которые обладают спецификой исполнения ТБ и его теплозащиты, стравливанием РТ на испытательном стенде с подробной градацией расхода РТ при температурах, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации КА. Полученную зависимость приводят к удобному для использования как в «ручном», так и в машинном варианте виду.
2. Снимают бортовую телеметрическую информацию в равномерно разнесенных на интервале времени периодичности изменений параметров сеансов. На интервале 1 сутки достаточно 4-5 сеансов.
(i)
3. Определяют средние для всех ТБ на каждом из i-сеансов измерений значения температуры стенок Тср.
(i)
(i)
Для исключения ухода центра масс КА от выбранного положения баки навешены на равном удалении от центра масс и разнесены на равные угловые расстояния друг от друга. Ввиду различной освещенности посадочных мест, температуры стенок ТБ будут различны. Однако, поскольку ТБ, как и вся ДУК, находятся под теплозащитой, изменения средней температуры (Tcp) на данный час от суток к суткам невелики и составляют, к примеру, для геостационарных КА не более ±0,5°, а изменения Тср от сеанса к сеансу на интервале определения остатков РТ не более ±(1-2)°С, что совпадает с погрешностью температурных датчиков. Такая теплозащита вполне отвечает задаче определения остатков РТ. Гарантировать одну и ту же среднюю температуру ТБ в течение САС невозможно, поэтому и проверяем каждый раз уровень теплозащиты.
min
mах
(i)
4. Выбирают минимальное T и максимальное Т значения из Tcp.
min
mах
Итак, в сеансах телеметрии, разнесенных равномерно по времени, снимают значения температуры каждого ТБ (ТБ1, ТБ2,…), определяют средние для всех ТБ на каждом сеансе измерения значения температуры, определяют T и Т.
5. Рассчитывают достоверную температуру на интервале определения остатков РТ
.
min
mах
Отклонения Т от T и Т в процентном соотношении не превышают 1%.
6. Определяют достоверное на интервале определения остатков РТ общее давление на выходе из ТБ (на входе РТ в редуктор давления).
min
mах
Одновременно с температурой снимают показания датчика высокого давления. Рассчитывают достоверное давление на интервале определения остатков РТ, как среднее между минимальным P и максимальным Р значениями давления
.
2
Давление от суток к суткам меняется - уменьшается за счет расходования РТ ДУК. На начальном этапе эксплуатации, когда РТ находится в парообразном состоянии, исходя из уравнения состояния реального газа, давление сильно зависит от температуры и химической природы газа, что объясняет нестабильность текущего давления в ±5 атм. Если РТ находится в докритическом состоянии (фиг.1), нестабильность текущего давления поглощена пороговой чувствительностью датчика высокого давления (т.е. погрешностью датчика), составляющей в данном примере 1,32 кгс/см.
-3
3
-5
2
2
2
7. Определяют текущую массу РТ из номинальной зависимости массы РТ от давления при постоянной температуре, зная достоверное значение общего давления. Погрешность определения остатков РТ за счет давления, как видно из фиг.1, на начальном этапе эксплуатации, а именно справа от переходной зоны, значительно меньше, чем на заключительном этапе - в начале кривой номинальной зависимости, т.к., несмотря на нестабильность текущего давления, график зависимости массы от давления не позволит сильно ошибиться - кривая зависимости уходит круто вверх. Что касается заключительного этапа эксплуатации, то, подставляя в уравнение идеального газа (ксенона) для реального КА известные значения (µ=0,1313 кг/моль; R=8,3143 Дж/(моль·град); Т=280 К; V=62·10 м), получим М=0,35·10·Р в СИ и М=0,35·Р, если массу выражать кг, а давление в кгс/см, значит, за исключением переходной зоны, всегда ΔМ≤0,35·ΔР. Это значит, что, поскольку датчики измеряют давление в кгс/см и достоверное значение Р отличается от истинного не более чем на (1,3-1,5) кгс/см, погрешность определения остатков РТ по давлению не превысит 0,5 кг. Это почти в два раза меньше общей массы потерь РТ за счет негерметичности ДУК, приведенной в способе-прототипе (0,9 кг).
8. При отклонении достоверной температуры стенок ТБ от номинальной (формулярной), превышающем погрешность температурных датчиков, вводят поправку в значение текущей фактической массы РТ, используя уравнения состояния газа.
Поскольку в уравнениях состояния реального газа поправки в давление и объем относительно измеренных данных слабо зависят или вообще не зависят от температуры, можно считать, что (например, из уравнения Ван-дер-Ваальса, Б.М.Яворский и А.А.Детлаф, справочник по физике…, стр.245)
крит
крит
крит
где a=1,12·R·T·V; b=V/3;
крит
0крит
V=V·M/µ;
крит
крит
Т,V - абсолютная температура и объем критического состояния РТ;
0
крит
V - объем одного моля РТ в критическом состоянии, справочная физическая характеристика;
µ - молекулярный вес РТ;
R - универсальная газовая постоянная;
Р, V, T - соответственно фактические давление, объем и абсолютная температура РТ.
0крит
крит
µ, V, Т - справочные физические характеристики.
При давлении в ТБ менее 1-2 атм график определения остатков РТ от давлений просто и однозначно отражает состояние идеального газа, и можно использовать следствие уравнения состояния идеального газа
В уравнениях (1), (2) заменим дифференциалы приращениями, и уточненное значение фактической массы остатков РТ определится из уравнения
факт
факт
Знак минус в уравнениях (1), (2) говорит о том, что (см. фиг.1) при достоверной средней температуре, большей формулярной, надо откладывать на линии P=const величину ΔM влево от М, при достоверной средней температуре, меньшей формулярной, надо откладывать на линии P=const величину ΔM вправо от М. Таким образом, некоторые колебания температуры не влияют на точность расчета остатков РТ.
Предлагаемый способ на относительно коротком интервале САС, где РТ претерпевает фазовые переходы, уступает место способу-прототипу.
Предлагаемый способ предполагает нахождение для большого класса КА, использующих то или иное газообразное РТ ДУК, одной или нескольких аппроксимирующих функций зависимости остатков РТ от давления с целью программирования задачи отыскания остатков РТ ДУК на всем интервале активного существования КА.
Предлагаемый способ определения остатков РТ позволяет:
1) на сроке активного существования КА исключить накопления погрешности определения остатков РТ;
2) повысить точность определения остатков РТ ДУК вообще и особенно важно - во второй половине срока активного существования;
3) более качественно планировать работы с КА по целевому назначению с оглядкой на остатки горючего.
На предприятии отработан вышеприведенный способ определения остатков (запасов) топлива - ксенона, который предполагается использовать на геостационарных КА в 2011 г.