СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЗАПРАВЛЕННОЙ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА, СНАБЖЕННОЙ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ
METHOD FOR CONTROL OF TIGHTNESS IN SPACE OBJECT HYDRAULIC TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FILLED WITH WORKING MEDIUM AND EQUIPPED WITH HYDRAULICALLY PNEUMATIC COMPENSATOR

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам контроля герметичности заправленных рабочими телами гидравлических систем терморегулирования пилотируемых космических объектов, снабженных гидропневматическим компенсатором. Предлагаемый способ может быть применен как в полете, так и во время наземной подготовки и в процессе хранения упомянутых космических объектов.
Изобретение может быть использовано на предприятиях ракетно-космической промышленности, а также в других отраслях машиностроения, где традиционные методы контроля герметичности заправленных рабочими телами гидравлических систем различного назначения, снабженных гидропневматическим компенсатором или его аналогом, такие как гидростатический, манометрический, люминесцентный и другие, не могут быть использованы по тем или иным причинам.
Герметичность гидравлических систем терморегулирования космических объектов самого широкого назначения является одним из основных технических параметров, позволяющим давать прогноз на их дальнейшую работоспособность как в полете, так и в период подготовки или длительного хранения в наземных условиях.
Поэтому способы (методы) точного и объективного контроля герметичности гидравлических систем, позволяющие определять фактические потери рабочего тела или степень их соответствия установленным нормативам, имеют важное значение, так как во многом могут определить дальнейшую судьбу конкретного космического объекта.
Как известно (см., например, [1], стр.73-76), основу гидравлических систем терморегулирования пилотируемых космических объектов составляет замкнутый гидравлический контур, гидравлические магистрали которого размещены как в обитаемых герметичных отсеках, так и в других недоступных для наземного обслуживающего персонала и экипажа местах (непосещаемые герметичные приборные отсеки, негерметичные агрегатные отсеки, наружная поверхность корпусов отсеков, закрытая теплоизоляцией, и т.п.). Гидравлический контур заправлен рабочим телом, которое производит сбор, перенос и передачу тепла агрегатам, обеспечивающим его удаление из космического объекта.
Для компенсации температурного изменения объема (температурной деформации рабочего тела) такие системы обычно снабжаются гидропневматическими компенсаторами. Компенсатор представляет собой сферическую или цилиндрическую емкость, герметично разделенную на две полости - жидкостную и газовую - подвижным разделением сред. В качестве таких разделителей используют эластичную резиновую мембрану или объемный металлический сильфон с большим линейным удлинением. Жидкостная полость компенсатора гидравлически подключается к гидравлической магистрали системы, а газовая полость заправляется азотом или воздухом с определенным давлением. Компенсация температурной деформации рабочего тела обеспечивается за счет перемещения разделителя сред и сжатия (расширения) газа в газовой полости компенсатора, которое сопровождается соответствующим изменением давления в гидравлической системе.
Условия плотной компоновки таких систем и их размещение на космических объектах практически исключают возможность применения гидростатического и люминесцентного методов контроля герметичности (они могут применяться лишь в обитаемых отсеках в очень ограниченном объеме и давать лишь качественное представление о местной негерметичности какой-либо гидравлической магистрали без количественной оценки потерь рабочего тела). Подробно о методах испытаний на герметичность заправленных рабочими телами гидравлических систем см. [2], стр.195-233.
Известен манометрический метод контроля герметичности заправленных рабочими телами гидравлических систем, приведенный в [2], стр.205. Метод предусматривает измерение давления рабочих тел с помощью манометров и определение темпа его снижения за определенное время. Эта величина является нормативной и косвенно подтверждает заданную герметичность системы. Метод широко применяется в авиационной и ракетно-космической промышленности.
Метод имеет следующие недостатки:
- метод не позволяет напрямую определять конкретную величину потери рабочего тела из системы (весовую или объемную) в единицу времени, а дает возможность лишь косвенно судить о ней по скорости снижения давления за контролируемое время;
- метод не учитывает изменение давления в системе за счет изменения среднемассовой температуры рабочего тела, которое может быть значительным при работе системы в широком диапазоне температур. Это, во-первых, снижает чувствительность метода, а во-вторых, не дает возможность точно осуществлять временную привязку момента начала нештатного изменения давления в случае разгерметизации системы;
- чувствительность (точность) метода зависит от объема системы и рабочего диапазона манометра (измерительного прибора), поэтому, чем больше объем рабочего тела в системе и чем выше рабочее давление, тем хуже чувствительность метода.
Известен способ контроля герметичности заправленной теплоносителем гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором, защищенный патентом Российской Федерации №2246102. Способ принят автором за прототип.
Способ основан на измерении текущих параметров системы и сравнении их с результатами предшествующих измерений. Способ предусматривает периодическое измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора при одной и той же среднемассовой температуре теплоносителя (рабочего тела) и при выполнении соотношения
i
i+1
V≤[V+nφ), где
i
V - свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора при i-том измерении;
i+1
V - свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора при следующем измерении;
n - временной интервал между i-тым и i+1 измерениями;
φ - нормативная величина объемной потери теплоносителя (рабочего тела)
из системы в единицу времени, позволяет сделать заключение о соответствии герметичности системы нормативному значению, а по разнице свободных объемов газовых полостей гидропневматического компенсатора, полученных при (i+1)-м и i-том измерениях, отнесенной к временному интервалу между этими измерениями, позволяет определить фактические потери теплоносителя (рабочего тела) из системы в единицу времени.
Опыт промышленного применения этого способа контроля герметичности показал, что необходимая точность определения фактических потерь теплоносителя из системы может быть получена только при выполнении требования о проведении контрольных измерений свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора при одной и той же среднемассовой температуре рабочего тела. Это вызывает необходимость:
а) при наземной подготовке космического объекта:
- периодического подключения к системе терморегулирования наземной жидкостной термостатирующей установки и приведения температуры рабочего тела к штатному температурному уровню, характерному для полета. Это усложняет технологию подготовки космического объекта, увеличивает номенклатуру и стоимость наземного оборудования, требует привлечения к работам дополнительного обслуживающего персонала;
б) при хранении изделия в наземных условиях:
- периодическое приведение среднемассовой температуры изделия к штатному температурному уровню, характерному для полета, путем соответствующего нагрева (охлаждения) воздуха в помещении, где хранится космический объект, и выдержки космического объекта при этой температуре в течение определенного времени. Это усложняет технологию хранения космического объекта, а также увеличивает номенклатуру и стоимость оборудования хранилища;
в) в условиях полета:
- режимы работы системы в полете, а следовательно, и уровень температуры рабочего тела при этих режимах очень часто не совпадают с температурой, при которой проводилось предыдущее измерение потерь рабочего тела. Это требует изменения текущей программы полета и перенастройки режима работы системы и работы некоторое время на этом режиме для получения нужного значения среднемассовой температуры рабочего тела.
Кроме того, изменение температуры рабочего тела в полете, как правило, сопровождается изменением температуры воздуха в обитаемых отсеках, что может создавать определенный дискомфорт для экипажа.
Таким образом, необходимость проведения контрольных измерений свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора при одной и той же среднемассовой температуре рабочего тела значительно усложняет технологию наземной подготовки (хранения) космического объекта и эксплуатацию системы в полете и является главным недостатком прототипа.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологического процесса контроля герметичности заправленной рабочим телом гидравлической системы терморегулирования космического объекта, снабженной гидропневматическим компенсатором, и расширение температурного диапазона рабочего тела, при котором может быть осуществлен контроль, с обеспечением высокой точности контроля.
t
i
i+1
ф
t
Поставленная задача решается тем, что в известном способе контроля герметичности заправленной теплоносителем гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором, включающем периодическое измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора с определением фактической потери рабочего тела из системы в единицу времени по разности измеренных объемов, отнесенной к временному интервалу между измерениями, при каждом измерении свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора одновременно измеряют текущую среднемассовую температуру рабочего тела или адекватную температуру окружающей среды и определяют поправку ΔV на температурную деформацию рабочего тела между i-тым и i+1 измерениями, вызванную возможным различием его среднемассовых температур t, t при упомянутых измерениях, после чего определяют фактическую объемную потерю φ рабочего тела из системы в единицу времени с учетом поправки ΔV из соотношения:
,
i
где V - свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора при i-том измерении;
i+1
V - свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора при следующем измерении;
τ - временной интервал между i-тым и i+1 измерениями;
ф
φ - фактическая объемная потеря рабочего тела из системы в единицу времени;
t
запр
i
i+1
ΔV=β·V(t-t) - поправка на температурную деформацию рабочего тела между i-тым и i+1 измерениями;
β - коэффициент объемного расширения рабочего тела;
запр
V - объем рабочего тела, заправленного в систему;
i
t - среднемассовая температура рабочего тела или адекватная температура окружающей среды при i-том измерении;
i+1
t - среднемассовая температура рабочего тела или адекватная температура окружающей среды при i+1 измерении,
ф
доп
доп
и при выполнении неравенства φ≤φ, где φ - нормативная величина объемной потери рабочего тела в единицу времени, делают заключение о герметичности системы.
Технический результат при использовании предложенного способа контроля герметичности заправленной рабочим телом гидравлической системы терморегулирования космического объекта, снабженной гидропневматическим компенсатором, достигается за счет того, что в отличие от прототипа упомянутый контроль не требует идентичности среднемассовых температур рабочего тела при проведении предыдущей и последующей операций, а может проводиться при любой текущей температуре рабочего тела без ухудшения точности контроля.
Практическую реализацию предложенного метода контроля герметичности рассмотрим на примере заправленной рабочим телом гидравлической системы терморегулирования одного из перспективных модулей, разрабатываемого в России для Международной космической станции. Специфика наземной подготовки модуля к работе на орбите предусматривает заправку его системы рабочим телом на заводе-изготовителе и длительное (до одного года) использование этой системы для термостатирования модуля в процессе наземной подготовки и испытаний.
Таким образом, контроль герметичности заправленной системы будет начинаться с момента заправки ее рабочим телом и продолжаться до конца срока штатной эксплуатации модуля.
Поэтому на заключительном этапе заправки системы рабочим телом проводится первое контрольное измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора системы с одновременным измерением среднемассовой температуры рабочего тела и его объема, заправленного в систему. Измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора проводится, например, методом эталонной емкости, при котором к газовой полости гидропневматического компенсатора подключают так называемую эталонную емкость, объем внутренней полости которой с необходимой точностью измерен на заводе-изготовителе. Далее измеряют давление воздуха в газовой полости гидропневматического компенсатора. После этого объединяют объемы газовой полости гидропневматического компенсатора и эталонной емкости, измеряют установившееся давления воздуха в их объединенном объеме, вводят значения исходных параметров (объем эталонной емкости и давление в ней до и после объединения объемов, давление в газовой полости гидропневматического компенсатора до и после объединения объемов) в наземный компьютер, запускают соответствующую программу и определяют исходное значение объема газовой полости гидропневматического компенсатора. Описание метода измерения объемов с помощью эталонной емкости приведено, например, в [3] и [4].
Измерение среднемассовой температуры рабочего тела проводят, например, с помощью температурных датчиков наземной системы контроля параметров изделия, установленных на трубопроводах в различных точках системы. Сигналы с датчиков автоматически транслируются в наземный компьютер, где по заданной программе рассчитывается среднемассовая температура рабочего тела, значение которой записывается в память компьютера и может быть выведено на его монитор. В память компьютера также записывается каждое рассчитанное значение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора, а также исходный объем рабочего тела, заправленного в систему, и коэффициент объемного расширения рабочего тела.
После завершения наземной подготовки модуля все необходимые исходные данные, используемые для дальнейшего контроля герметичности системы в полете, включая дату и время первой операции контроля, исходное значение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора и т.п., перезаписываются в память бортового компьютера модуля.
В перерывах подготовки модуля (нахождение модуля в режиме хранения и т.п.), когда никаких работ внутри модуля не производится и система терморегулирования не используется для термостатирования аппаратуры модуля, за среднемассовую температуру рабочего тела принимают температуру окружающего воздуха, которая учитывается при определении поправки на величину температурной деформации рабочего тела.
При наземной подготовке измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора проводится с помощью наземного испытательного оборудования, включающего дренажно-заправочное приспособление, эталонную емкость, высокоточный манометр, клапанно-распределительную аппаратуру, соединительные трубопроводы и т.п. Это оборудование с одной стороны подключается к расположенному снаружи модуля дренажному клапану газовой полости гидропневматического компенсатора, с другой стороны - к наземному источнику давления.
Для осуществления этой операции в полете подобная испытательная система стационарно установлена в обитаемом отсеке модуля и связана через систему запорных клапанов с газовой полостью гидропневматического компенсатора системы терморегулирования. В качестве источника давления в испытательной системе используется бортовой компрессор.
Для измерения среднемассовой температуры теплоносителя используется группа (10-15 шт.) телеметрических температурных датчиков из состава системы контроля температурного режима модуля. Датчики этой группы установлены как на трубопроводах системы терморегулирования, так и непосредственно в рабочем теле системы в различных точках системы.
Сигналы с этой группы датчиков транслируются в бортовой вычислительный комплекс, где обрабатываются в соответствии с заданной программой. Результаты расчета среднемассовой температуры рабочего тела системы записываются в память бортового компьютера, при этом текущее значение среднемассовой температуры в любой момент может быть вызвано экипажем на монитор системного Laptop'a.
В полете в назначенное время для контроля герметичности экипаж выключает систему терморегулирования и разгружает ее от штатного рабочего давления, сообщая газовую полость гидропневматического компенсатора с атмосферой обитаемого отсека. После этого экипаж фиксирует значение давления атмосферы с помощью точного манометра абсолютного давления и закрывает клапан, связывающий газовую полость гидропневматического компенсатора с атмосферой отсека. Далее в эталонной емкости с помощью бортового компрессора устанавливает давление воздуха, которое отличается от давления атмосферы отсека, установленного в газовой полости гидропневматического компенсатора. Это давление может составлять, например, 900 мм рт.ст. После этого бортовой компрессор отключают от эталонной емкости, открывают клапан, связывающий газовую полость гидропневматического компенсатора с эталонной емкостью, и фиксируют установившееся давление в объединенном объеме. Затем значение давлений воздуха (исходное давление атмосферы обитаемого отсека, установленное в газовой полости гидропневматического компенсатора; исходное давление воздуха, установленное в эталонной емкости; давление воздуха в объединенном объеме - эталонная емкость плюс газовая полость гидропневматического компенсатора) вводят в бортовой компьютер и запускают программу контроля герметичности. В результате на мониторе системного Laptop'a экипаж получает следующую информацию:
- время проведения операции (календарная дата, текущее время, сутки полета экспедиции, сутки с начала первого контроля герметичности (на Земле));
- исходные параметры системы, заложенные в программу (нормативная величина объемной потери рабочего тела в единицу времени, исходный объем газовой полости гидропневматического компенсатора, объем заправленного в систему рабочего тела, коэффициент объемного расширения рабочего тела, исходная среднемассовая температура рабочего тела, объем эталонной емкости);
- текущий свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора;
- текущее значение среднемассовой температуры рабочего тела;
- свободный объем газовой полости гидропневматического компенсатора, полученный при предыдущем контроле герметичности;
- значение среднемассовой температуры рабочего тела во время предыдущего контроля герметичности;
- время между текущим и предыдущим контролем герметичности;
- текущую величину объемной потери рабочего тела в единицу времени;
- потери рабочего тела из системы за все время эксплуатации;
- остаток рабочего тела в компенсаторе;
- заключение о герметичности (негерметичности) системы;
- номер экспедиции, фамилии членов экипажа.
В случае, если фактические потери рабочего тела из системы превышают нормативное значение, экипаж также получает прогноз по времени дальнейшей нормальной работы системы.
После завершения операции контроля герметичности экипаж с помощью бортового компрессора и манометра восстанавливает в гидропневматическом компенсаторе системы номинальное рабочее давление, соответствующее измеренной среднемассовой температуре рабочего тела, и включает систему.
Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата, который в материально-техническом отношении позволяет получить значительный эффект, т.к.
- при наземной подготовке космического объекта способ позволяет отказаться от использования наземной жидкостной термостатирующей установки для приведения температуры рабочего тела к исходному температурному уровню и дает возможность проводить контроль герметичности системы при любой температуре рабочего тела. Это существенно снижает стоимость наземного испытательного оборудования, используемого для контроля герметичности;
- при контроле герметичности заправленной системы в составе космического объекта, находящегося в хранилище, не требуется изменение температурно-влажностного режима воздуха, не требуется оснащение хранилища наземной системой контроля параметров космического объекта. За адекватную температуру рабочего тела может быть принята текущая температура воздуха в хранилище (5-35°С);
- в ходе полета не требуется перенастройка режимов работы бортовой системы терморегулирования космического объекта для приведения температуры рабочего тела к исходному температурному уровню, при котором проводились предыдущие измерения, с соответствующим изменением программы полета. Это упрощает планирование работ на объекте и позволяет выполнять контроль герметичности в любое удобное для экипажа время;
- реализация предложенного способа не требует изготовления новой материальной части и проводится с помощью существующих вычислительных средств и пневмооборудования.
Список литературы
1. В.Н.Серебряков, Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов, М.: "Машиностроение", 1983 г.
2. В.М.Сапожников, Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах, Москва, Машиностроение, 1977 г.
3. Отраслевой стандарт ОСТ 92-9470-81. Система терморегулирования. Методика заправки теплоносителями, Москва, 1981.
4. Патент Российской Федерации №2067954.
5. Патент Российской Федерации №2246102.