СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА СВОБОДНЫХ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В РАБОЧЕМ ТЕЛЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА, СНАБЖЕННОЙ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ
METHOD OF DETERMINING VOLUME OF FREE GAS INCLUSIONS IN WORK BODY OF HYDRAULIC SYSTEM OF SPACE OBJECT THERMAL CONTROL WITH HYDROPNEUMATIC COMPENSATOR

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам определения суммарного объема свободных (нерастворенных) газовых включений в рабочих телах гидравлических систем терморегулирования пилотируемых космических объектов, снабженных гидропневматическим компенсатором, в ходе орбитального полета.
Изобретение может быть использовано на предприятиях, разрабатывающих и эксплуатирующих пилотируемую космическую технику, имеющую в своем составе гидравлические системы, снабженные гидропневматическими компенсаторами объемного расширения рабочих тел и критичные к содержанию свободных газовых включений в рабочих телах.
Способ может использоваться как в полете, так и при наземной подготовке таких систем.
Как известно (см., например, описание к патенту РФ №2246102 или В.Н.Серебряков "Основы проектирования систем жизнеобеспечения космических летательных аппаратов", М.: "Машиностроение", 1983 г., стр.73-74), основу гидравлических систем терморегулирования пилотируемых космических аппаратов или объектов составляют замкнутые гидравлические контуры, заправленные рабочими телами (теплоносителями). Обычно такие системы состоят из двух функциональных контуров - наружного и внутреннего, связанных друг с другом через промежуточный теплообменник. На орбитальных станциях такие контуры дублированы.
Для компенсации температурного изменения объема теплоносителя каждый из гидравлических контуров содержит гидропневматический компенсатор. Компенсатор представляет собой сферическую или цилиндрическую емкость, герметично разделенную на две полости - жидкостную и газовую - подвижным разделением сред. В качестве таких разделителей обычно используют эластичную резиновую мембрану или объемный металлический сильфон. Жидкостная полость компенсатора подключается к гидравлической магистрали системы, а газовая заправляется азотом или воздухом с определенным давлением. Компенсация температурного изменения объема рабочего тела в системе обеспечивается за счет перемещения разделителя сред и соответствующего сжатия (расширения) газа в газовой полости компенсатора, которое сопровождается изменением давления в гидравлической магистрали.
В настоящее время одной из технических проблем, возникающих при длительной эксплуатации гидравлических систем терморегулирования орбитальных модулей и других пилотируемых кораблей, является проблема полного насыщения воздухом рабочих тел гидравлических магистралей, расположенных внутри обитаемых отсеков (см., например, описание к патенту РФ №2304072). Это обусловлено как пониженным давлением рабочего тела по отношению к давлению атмосферы обитаемых отсеков, так и частыми расстыковками гидравлических магистралей, связанными с заменой агрегатов, дооснащением систем новыми элементами и т.п. После полного насыщения рабочих тел воздух присутствует в них в виде свободных газовых включений, которые легко сепарируются на рабочих колесах центробежных насосов системы и скапливаются сначала в центральной зоне колес, а затем заполняют весь внутренний объем и вытесняют рабочее тело на периферию колес. В результате этого снижаются расходно-напорные характеристики насосов, а при полном вытеснении рабочего тела воздухом из рабочих колес насосы перестают прокачивать рабочее тело.
Восстановление работоспособности таких систем при блокировании воздухом колес гидравлических насосов проводят либо путем замены насосов, либо путем сепарации воздуха из рабочего тела, либо путем замены насыщенного воздухом рабочего тела. Все эти работы являются длительными технологическими процессами, требующими определенных трудозатрат экипажа. Поэтому своевременная диагностика свободных газовых включений в рабочем теле с точным определением их объема является важным фактором рациональной и безопасной эксплуатации системы, позволяя планировать грузопоток (например, доставку рабочего тела) и время проведения таких работ.
Известен способ контроля посторонних примесей в рабочих жидкостях гидравлических систем летательных аппаратов (см. В.И.Сапожников "Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах", М., Машиностроение, 1972 г., стр.166-194).
Способ предусматривает взятие пробы рабочей жидкости и проведение физико-химического анализа состава пробы с помощью соответствующей аппаратуры в лабораторных условиях.
Применительно к использованию этого способа на борту космического объекта, он обладает следующими недостатками:
- требует наличия на борту космического объекта специально оснащенной лаборатории по определению физико-химических свойств рабочих тел, которая в настоящее время отсутствует;
- требует наличия герметичных пробоотборников, исключающих попадание рабочего тела в атмосферу обитаемого отсека;
- требует специальной подготовки экипажа и наличия у экипажа определенных навыков для проведения такой работы.
Известны способы диагностирования неисправностей холодильного оборудования (см. А.И.Кулаковский, В.И.Новиков, С.С.Червяков "Ремонт и эксплуатация холодильных установок" М., Высшая школа, 1992 г., стр.90-98).
Способы предусматривают, в том числе, ультразвуковую, рентгеновскую и радиоизотопную дефектоскопию. Применительно к использованию этих способов на борту обитаемых космических аппаратов, они обладают рядом существенных недостатков (громоздкость и сложность аппаратуры, необходимость работы экипажа в специальной защитной одежде и т.п.), что делает их применение также нецелесообразным.
Известен способ диагностики нерастворенных газовых включений в заправленных рабочими телами гидравлических системах космических аппаратов, защищенный патентом Российской Федерации №2304072.
Способ позволяет установить факт наличия (отсутствия) нерастворенных газовых включений в рабочих телах гидравлических систем в полете и в случае их наличия - определить объем таких включений.
Способ предполагает разгрузку рабочего тела системы от внешнего давления с последующим измерением давления рабочего тела и его среднемассовой температуры, понижения этой температуры на величину, превышающую точность ее измерения, с повторным измерением давления и сравнения ее с давлением насыщенных паров рабочего тела, соответствующего пониженной температуре. Если эти давления совпадают, способ позволяет сделать заключение об отсутствии нерастворенных газовых включений в рабочем теле, если не совпадают, делается заключение о наличии в рабочем теле нерастворенных газовых включений и определяется их объем по приведенному соотношению.
Апробация этого способа в реальных условиях космического полета для определения нерастворенных газовых включений в рабочем теле системы терморегулирования на одном из модулей Российского сегмента МКС выявила ряд недостатков, основные из которых следующие:
- несмотря на то, что разгрузка системы от внешнего давления и последующие измерения давления и температур рабочего тела отнимают у экипажа незначительное время, само понижение температуры рабочего тела реально производится на 4-5°С и достигается в течение 10-12 ч из-за большой теплоемкости внутренних элементов космического аппарата (конструкция, оборудование, собственно рабочее тело и т.п.). Это приводит к соответствующему изменению температуры воздуха внутри обитаемого отсека, что создает определенный дискомфорт для экипажа;
- кроме того, восстановление номинальной рабочей температуры рабочего тела в системе после завершения диагностики свободного воздуха достигается примерно за те же 10-12 ч. Таким образом, экипаж должен в течение суток испытывать определенный дискомфорт по температуре воздуха.
Известен способ измерения объемов внутренних полостей гидравлических и пневматических систем и их элементов методом эталонной емкости (см., например, отраслевой стандарт ОСТ 92-9470-81 "Система терморегулирования. Методика заправки теплоносителями"). Способ принят автором за прототип.
Способ предусматривает определение объема измеряемой емкости путем подключения к последней эталонной емкости, давление воздуха в которой отличается от давления в измеряемой емкости, с последующим измерением установившегося давления в объединенном объеме (измеряемая емкость плюс эталонная емкость) и расчетом измеряемого объема исходя из известного объема эталонной емкости и давлений в емкостях до и после их объединения.
Способ позволяет определить объем свободных газовых включений в рабочем теле гидравлической системы терморегулирования в сумме с объемом газовой полости ее гидропневматического компенсатора, после чего приближенный объем свободных газовых включений в рабочем теле может быть определен вычитанием из полученного результата номинальной величины свободного объема газовой полости компенсатора системы, измеренной при заправке системы.
3
Так как объем газовой полости гидропневматического компенсатора системы обычно в ~ 10-15 раз превышает допустимую величину объема свободных газовых включений (не более ~ 200 см) и сам по себе во время эксплуатации системы является величиной переменной (зависит от потерь рабочего тела при эксплуатации, текущей среднемассовой температуры и других факторов), то погрешность в определении объема свободных газовых включений по результатам экспертных оценок может достигать ~ 40-70% от фактического значения. Это ограничивает область применения способа и позволяет использовать его для приближенного установления факта наличия (отсутствия) нерастворенного газа в рабочем теле гидравлической системы. Это является главным недостатком способа.
Задачей настоящего изобретения является создание высокоточного способа непосредственного определения объема свободных газовых включений в рабочем теле гидравлической системы терморегулирования космического объекта, снабженной гидропневматическим компенсатором, не зависящего от текущего объема газовой полости гидропневматического компенсатора, не требующего разгрузки системы от внешнего давления, не требующего специальной подготовки экипажа и длительного времени на реализацию.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения объемов внутренних полостей емкостей, включающем измерение объема газовой полости гидропневматического компенсатора методом эталонной емкости, упомянутое измерение выполняют дважды при одном и том же исходном, преимущественно, статическом рабочем давлении в газовой полости гидропневматического компенсатора и исходных давлениях в эталонной емкости, которые находятся внутри диапазона допустимого рабочего давления, но отличаются друг от друга и от исходного давления в газовой полости гидропневматического компенсатора, по крайней мере, на суммарную величину давления, соответствующего жесткости разделителя сред гидропневматического компенсатора и погрешности средств измерения и средств контроля давления, а величину объема свободных газовых включений в рабочем теле гидравлической системы определяют из соотношения
СГВ
где V - объем свободных газовых включений в рабочем теле гидравлической системы терморегулирования;
1
P - исходное давление рабочего тела в газовой полости гидропневматического компенсатора при первом и втором измерениях;
- исходное давление воздуха в эталонной емкости при первом измерении;
2
P - установившееся давление воздуха в объединенном объеме - газовая полость гидропневматического компенсатора плюс эталонная емкость при первом измерении;
- исходное давление воздуха в эталонной емкости при втором измерении;
3
P - установившееся давление воздуха в объединенном объеме - газовая полость гидропневматического компенсатора плюс эталонная емкость при втором измерении.
Для подтверждения осуществимости предложенного технического решения и справедливости приведенного соотношения рассмотрим фрагменты гидравлической магистрали системы терморегулирования, изображенные на Фиг.1, 2, 3.
ЭЕ
П
1
ГПК
1
1
1
2
На Фиг.1 показан участок гидравлической магистрали системы терморегулировании в исходном состоянии. Участок содержит гидропневматический компенсатор К, жидкостная полость Ж которого сообщена с гидравлической магистралью упомянутой системы, а воздушная полость сообщена через вентиль В с эталонной емкостью ЭЕ, имеющей объем V и снабженной прибором MB для измерения давления. В гидравлической магистрали системы терморегулирования имеется воздушный пузырь П, объем которого V для наглядности условно равен сумме объемов всех свободных газовых включений в системе. Давление в воздушном пузыре составляет величину P, оно равно давлению рабочего тела в системе и статическому давлению воздуха в газовой полости гидропневматического компенсатора К. Газовая полость компенсатора имеет объем V, соответствующий исходному давлению воздуха P. В исходном состоянии в эталонной емкости ЭЕ находится воздух под давлением , которое, например, меньше, чем давление P, по крайней мере, на суммарную величину давления, соответствующего жесткости разделителя сред гидропневматического компенсатора К (обычно ~ 10-50 мм рт.ст.), средств измерения и средств контроля давления Д, Д, MB.
ГПК
ЭЕ
2
1П
1П
На Фиг.2 показан тот же участок гидравлической магистрали после первого измерения объема газовой полости гидропневматического компенсатора К с помощью эталонной емкости ЭЕ. После объединения объемов V и V давление в них понизится до величины Р, до этой же величины снизится давление в воздушном пузыре, при этом его объем за счет расширения увеличится на величину ΔV; на такую же величину увеличится и объем рабочего тела в жидкостной полости компенсатора К с соответствующим перемещением разделителя сред компенсатора К, что приведет к уменьшению фактического объема газовой полости компенсатора на ту же величину ΔV. Таким образом, для воздушного пузыря после первого измерения объема газовой полости гидропневматического компенсатора К будет справедливо соотношение
где
П
V - объем воздушного пузыря в исходном состоянии;
1
P - давление в воздушном пузыре в исходном состоянии;
2
P - давление в воздушном пузыре после первого измерения;
1П
ΔV - приращение объема воздушного пузыря.
Из соотношения (1) следует, что
Измеренный же объем газовой полости компенсатора  будет составлять
Из соотношения, приведенного в документе ОСТ 92-9470-81 "Система терморегулирования. Методика заправки теплоносителями", объем газовой полости компенсатора для рассматриваемого случая определяется как
где
- измеренный объем газовой полости гидропневматического компенсатора;
ЭЕ
V - объем эталонной емкости;
- исходное давление воздуха в эталонной емкости;
1
P - исходное давление в газовой полости гидропневматического компенсатора;
2
P - установившееся давление в объединенном объеме (газовая полость гидропневматического компенсатора плюс эталонная емкость).
1
На Фиг.3 показан тот же участок гидравлической магистрали после второго измерения объема газовой полости компенсатора при исходном давлении в эталонной емкости, равном  (для наглядности меньшем ). Исходное давление воздуха в газовой полости гидропневматического компенсатора (а, следовательно, и в воздушном пузыре) так же, как и при первом измерении, равно P.
Тогда для воздушного пузыря после второго измерения газовой полости гидропневматического компенсатора будет справедливо соотношение:
где
2П
ΔV - приращение объема воздушного пузыря;
3
P - давление в воздушном пузыре после второго измерения;
Из соотношения (5) следует, что
Измеренный же объем газовой полости компенсатора  по аналогии с первым измерением будет составлять
Из соотношений (3) и (7) следует
или
с учетом (2) и (6) соотношение 8) примет вид
Перепишем соотношение (9) с учетом (4), тогда
откуда
Таким образом, предложенное техническое решение поставленной задачи в отличие от существующих в настоящее время аналогов и прототипа обеспечивает:
- непосредственное определение объема свободных газовых включений в рабочем теле гидравлической системы терморегулирования космического объекта;
- значительное сокращение времени технологического процесса за счет исключения операций разгрузки системы от внешнего давления, изменения среднемассовой температуры рабочего тела системы и измерения этой температуры;
- проведение технологического процесса при давлениях и температуре рабочего тела, близких к номинальным рабочим значениям, что позволяет быстро восстанавливать рабочие характеристики системы после завершения процесса;
- повышение точности в определении измеренного объема нерастворенных газовых включений за счет исключения операций измерения среднемассовой температуры рабочего тела для различных его состояний;
- отсутствие требования обязательного использования телеметрических изменений (бортового радиотехнического комплекса).
Кроме того, использование предложенного технического решения не создает дискомфортную для экипажа температуру воздуха в обитаемом отсеке в период проведения работы.
Практическую реализацию предложенного способа рассмотрим на примере измерения объема свободного воздуха в рабочем теле одного из внутренних гидравлических контуров системы терморегулирования служебного модуля Российского сегмента Международной космической станции.
Упомянутый гидравлический контур объединяет теплообменные агрегаты различного назначения, расположенные как в жилых, так и в необитаемых агрегатных отсеках модуля. Контур снабжен гидропневматическим компенсатором объемного расширения рабочего тела, телеметрическими датчиками абсолютного давления, измеряющими давление рабочего тела как непосредственно в гидравлической магистрали контура, так и давление воздуха в газовой полости гидропневматического компенсатора. Показания датчиков через телеметрическую систему измерений передаются на Землю, а также транслируются в бортовую вычислительную систему, где после соответствующей обработки отображаются на мониторах бортовых и наземных компьютеров. Кроме того, в состав контура входят два гидравлических центробежных насоса (основной и резервный), которые обеспечивают циркуляцию рабочего тела при работе контура.
ж
ж
В качестве разделителя сред в гидропневматическом компенсаторе контура используется подвижный металлический сильфон малой жесткости (ΔР ~ 10-20 мм рт.ст., где ΔP - жесткость сильфона). Жесткость сильфона является конструктивной характеристикой компенсатора, измеряется при его изготовлении и заносится в индивидуальный паспорт каждого изделия. Погрешность датчиков абсолютного давления составляет ~ 1,5% от измеряемой величины и для величины статического рабочего давления в контуре, равном ~ 1000 мм рт.ст., находится на уровне ±15 мм рт.ст.
Погрешность обработки показаний датчиков в бортовой вычислительной системе и в наземных средствах обработки контроля составляет ~1% от измеряемой величины.
В состав системы терморегулирования модуля входит также технологическое оборудование, общее для всех контуров системы, которое используется при проведении профилактических, диагностических и ремонтно-восстановительных работ с системой: высокоточный мановакуумметр абсолютного давления, имеющий точность измерения +0,5 мм рт.ст., эталонная емкость, отсечные вентили, ручной вакуумный насос, ручной нагнетающий насос, приспособление для открытия дренажных клапанов газовых полостей компенсаторов контуров, запорные клапаны, переходники и т.д. Вся технологическая часть в виде россыпи хранится в предназначенных местах и используется для сборки испытательных систем под определенный вид работ. Сборку таких систем выполняет экипаж.
Операция измерения объема свободного воздуха в рабочем теле контура выполняется следующим образом.
На первом этапе экипаж выключает гидравлический насос контура (если он работал) и производит сборку измерительной системы, принципиальная пневматическая схема которой приведена на Фиг.4, где обозначены:
1 - дренажное приспособление;
2 - отсечной вентиль;
3 - мановакуумметр;
4 - первый запорный клапан;
5 - эталонная емкость;
6 - второй запорный клапан;
7 - ручной нагнетающий насос;
8 - третий запорный клапан;
9 - ручной вакуумный насос.
На Фиг.4 также показаны
10 - фрагмент гидравлического контура;
11 - датчик давления рабочего тела;
12 - гидропневматический компенсатор;
13 - газовая полость гидропневматического компенсатора;
14 - датчик давления воздуха;
15 - дренажный клапан.
В исходном состоянии измерительной системы дренажный клапан 15, отсечной вентиль 2, первый, второй, третий запорные клапаны закрыты.
1
Далее экипаж приступает непосредственно к измерениям. Предварительно с помощью дренажного приспособления 1 открывают дренажный клапан 15 газовой полости гидропневматического компенсатора 12, затем открывают отсечной вентиль 2 и с помощью мановакуумметра 3 измеряют давление воздуха в газовой полости гидропневматического компенсатора 13. Величину этого давления принимают за исходное давление P. Как следует из вышеизложенных положений, такое же давление будут иметь пузырьки воздуха в рабочем теле гидравлического контура. Допустим, что эта величина при измерении составила ~ 900 мм рт.ст.(обычно номинальное статическое давление рабочего тела в гидравлическом контуре находится на уровне 800-1200 мм рт.ст.).
1
1
2
После измерения исходного давления P закрывают отсечной вентиль 2, открывают первый запорный клапан 4 эталонной емкости 5, открывают третий запорный клапан 8 и с помощью ручного вакуумного насоса 9 устанавливают в эталонной емкости 5 давление воздуха, например, 700 мм рт.ст. Это давление принимают за исходное давление в эталонной емкости 5 при первом измерении , при этом разница между давлениями Р и  составляет 200 мм рт.ст., что превышает суммарную величину жесткости разделителя сред гидропневматического компенсатора 12 и погрешность датчиков давления рабочего тела 11, датчика давления воздуха 14 и мановакуумметра 3, которая составляет ~ 60-80 мм рт.ст. Контроль устанавливаемого давления ведут по мановакуумметру 3. Далее экипаж закрывает третий запорный клапан 8 ручного вакуумного насоса 9, открывает отсечной вентиль 2 и с помощью мановакуумметра 3 измеряет установившееся давление (Р) воздуха в объединенном объеме газовая полость гидропневматического компенсатора 13 плюс эталонная емкость 5.
1
2
Затем открывают запорный клапан 6 ручного нагнетающего насоса 7 и вновь устанавливают исходное давление воздуха P=900 мм рт.ст. в газовой полости гидропневматического компенсатора 13. Контроль давления при этом ведут по мановакуумметру 3. Далее закрывают отсечной вентиль 2, закрывают второй запорный клапан 6 ручного нагнетающего насоса 7, открывают третий запорный клапан 8 и с помощью ручного вакуумного насоса 9 устанавливают в эталонной емкости 5 давление воздуха, например, 500 мм рт.ст. Это давление принимают за исходное давление воздуха в эталонной емкости 5 при втором измерении , при этом разница между давлениями P и  составляет 200 мм рт.ст., что также превышает суммарную величину жесткости разделителя сред гидропневматического компенсатора 12 и погрешности датчиков давления рабочего тела 11, давления воздуха 14 и мановакуумметра 3. Контроль устанавливаемого давления ведут по мановакуумметру 3.
3
Затем закрывают третий запорный клапан 8 ручного вакуумного насоса 9, открывают отсечной вентиль 2 и с помощью мановакуумметра 3 измеряют установившееся давление воздуха (Р) в объединенном объеме газовая полость гидропневматического компенсатора 13 плюс эталонная емкость 5.
После этого экипаж передает в электронном виде на Землю полученные результаты измерений (или вводит их в бортовой компьютер, если там имеется соответствующая программа).
В результате компьютерной обработки измерений специалисты Центра управления полетом (или экипаж) получают информацию об объеме свободного воздуха в рабочем теле гидравлического контура. На этом технологическая операция считается законченной. В дальнейшем разработчиками системы терморегулирования принимается решение о возможности эксплуатации гидравлического контура или о необходимости проведения сепарации воздуха.
После завершения работ экипаж восстанавливает в контуре номинальное статическое давление рабочего тела, разбирает измерительную систему и укладывает оборудование на места хранения.
Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет создать способ, обладающий следующими положительными качествами:
- способ не требует разгрузки гидравлической системы от внешнего давления. Это позволяет значительно сократить время технологического процесса и время восстановления номинальных рабочих характеристик системы;
- способ не требует понижения температуры рабочего тела и не создает в обитаемом отсеке дискомфортную для экипажа температуру воздуха;
- способ обладает высокой точностью, т.к. все измерения проводятся за короткое время (15-20 мин) высокоточным измерительным прибором, имеющим маленькую погрешность при практически постоянной температуре рабочего тела системы;
- способ не требует разработки и изготовления специального оборудования, а базируется на существующей и имеющейся на борту материальной части;
- способ безопасен для экипажа, т.к. исключена возможность попадания рабочего тела и его паров в атмосферу обитаемого отсека, поскольку экипаж работает только с газовой полостью гидропневматического компенсатора, используя в качестве технологической среды воздух обитаемого отсека.