Устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полёте для определения суммарной водности
DEVICE FOR SAMPLING ATMOSPHERIC AIR IN FLIGHT TO DETERMINE THE TOTAL WATER CONTENT

Изобретение относится к технике отбора образцов атмосферного воздуха с борта летательного аппарата (ЛА) для исследования на суммарную водность.
Точное знание суммарной водности (суммарное содержание воды в разных агрегатных состояниях) в различных точках атмосферы необходимо для разработки противообледенительных систем и безопасных маршрутов полетов, а также при проведении различных НИР по защите от обледенения и разработке (тарировке) датчиков суммарной водности.
Известно большое количество датчиков суммарной водности и способов ее определения, а именно, патент РФ №2562476 от 10.09.2015 г. «Электротермический способ определения водности воздушного потока», патент РФ №2735908 от 10.11.2020 г. «Самолетный датчик полной водности», патент РФ №2758843 от 02.11.2021 г. «Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов», патент США №7175136 от 13.02.2007 г. «Method And Apparatus For Detecting Conditions Conducive To Ice Formation)) («Способ и устройство обнаружения условий обледенения»), европейский патент ЕР 2117926 от 26.12.2018 г. «Ice Rate Meter With Virtual Aspration» («Измеритель обледенения с виртуальной аспирацией»), авторское свидетельство СССР №1137381 от 29.07.1983 г. «Устройство для определения водности дождя» и другие. Они основаны либо на эффекте охлаждения калиброванной пластины, либо на переводе потока частиц в парообразное состояние и измерении концентрации паров воды в потоке. К их достоинствам можно отнести непрерывность действия, однако их точная калибровка в рамках предлагаемых способов и устройств невозможна и не производится. Точное знание суммарной водности в потоке, набегающем на воздушное судно, которое может быть использовано как для тарировки датчиков, так и самостоятельно для определения реперных значений водности возможно только после правильного отбора пробы воздуха из потока - без изменений его параметров - с последующим анализом на суммарное содержание воды в ней.
Известны устройства для отбора и хранения проб воздуха в виде стеклянных неградуированных газовых пипеток с двумя одноходовыми кранами, выполненных по ГОСТ 18954-73 «Прибор и пипетки стеклянные для отбора и хранения проб газа».
Аналогичные устройства выполняются в виде канистр, описанных в стандарте ASTM (2021): «Standard Test Method for Determination of Volatile Organic Chemicals in Atmospheres (Canister Sampling Methodology)», West Conshohocken, PA, American Society for Testing and Materials (ASTM Standard D5466-21)». При этом канистра с запорным вентилем используется либо предварительно отвакуумированной, либо отбор производится методом газового обмена (продувка канистры большим количеством воздуха). Последний вариант для испытаний водности не годится, так как возможны конденсация и замерзание влаги на стенках канистры.
Известен насос-пробоотборник НП-3М (далее - НП-3М), предназначенный для отбора разовых проб газовоздушных смесей с целью последующего определения их химического состава с использованием индикаторных трубок в соответствии с ГОСТ Р 51712-2001, ГОСТ 12.1.014-84, ГОСТ Р 51945-2002. Насос-пробоотборник ручной НП-3М является оригинальной разработкой ЗАО «Крисмас+» и производится по КРМФ.418311.002ТУ, патент РФ №89701 «Ручной насос - пробоотборник» от 10.12.2009 г. К недостаткам такой конструкции можно отнести то, что у насоса отсутствует запорное устройство, и вакуум, создаваемый им, не предназначен для длительного сохранения из-за существенного натекания воздуха по уплотнению поршня.
Известно устройство для отбора проб воды из водоемов в воздухе - патент США №4744256 от 17.05.1988 г. «Airborne Water Sampler Device» («Устройство отбора воды с борта»), представляющий собой цилиндр с одновременно закрывающимися и открывающимися с помощью системы тросов шаровых кранов противоположными отверстиями. Сложная система тросов не позволяет использовать эту конструкцию для отбора пробы воздуха на крыле или внешней обшивке самолета, а шаровые краны нарушают принцип изокинетичности отбора.
Известен контейнер с двойным открыванием для отбора проб жидкости - патент США №7178415 от 29.02.2007 г. «Dual-Opening Sample Containers, Fluid Samplng Device and Method of Using Same» («Контейнеры для пробоотбора с двойными отверстиями, устройство отбора жидкости и способ его использования»). При отборе проб контейнер постоянно открыт, а закрытие с помощью курка осуществляется только после забора (зачерпывания) пробы воды. Внутри пробоотборника по центру находится эластичный элемент (пружина), которая может влиять на состав пробы, изменяя изокинетичность потока. Дистанционное механическое управление (привод курка) не позволяет использовать данное устройство на крыле самолета либо устройство будет слишком усложнено.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству являются металлические вакуумированные емкости с электромагнитными клапанами, собранные по несколько штук в контейнеры. Такие устройства описаны в ведомственной методике №12-16-111, разработанной ОАО «ЛИИ им. М.М. Громова». До настоящего времени именно эти конструкции используют при соответствующих испытаниях. Однако у данных устройств есть существенный недостаток. Вакуумирование емкостей осуществляется в наземных условиях в лаборатории, и вакуум после установки их на борт не контролируется. До начала испытаний по различным причинам проходит достаточно много времени (иногда несколько суток). Контроль вакуума непосредственно перед полетом (наземной гонкой), как правило, невозможен, так как это требует выполнения сложных монтажных работ. Между тем практика показала, что непредсказуемое натекание воздуха в эти емкости вполне возможно, что приводит к искажению (занижению) результатов последующего анализа содержания в них воды. Кроме того затруднено использование принципа изокинетичности отбора, что не гарантирует попадание всей воды в пробоотборник (особенно крупных кристаллов). Такие ошибки удлиняют дорогостоящие испытания авиационной техники.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство, заключается в повышении точности определения суммарной водности за счет замены отбора всасыванием в закрывающуюся емкость отбором методом «вырезания» части воздуха из набегающего потока без изменения его состава.
Для достижения этого технического результата устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полете для определения суммарной водности выполнено в виде цилиндрического корпуса с торцевыми крышками и электромагнитами, при этом торцевые крышки, подвижно закрепленные на корпусе шарнирами, могут одновременно полностью открываться, обеспечивая вырезание цилиндрическим корпусом аликвотной части атмосферного воздуха из набегающего потока воздуха без изменения его состава в ходе отбора. Приводами для перемещения крышек служат якоря электромагнитов, соединенные с крышками рычажными механизмами и обеспечивающие герметичность корпуса после отбора пробы путем прижима крышек, дополнительно снабженных амортизирующими прокладками, к цилиндрическому корпусу при отпущенных якорях выключенных электромагнитов за счет давления пружин, установленных в корпусах электромагнитов, и полное открывание крышек при втягивании якорей включенных электромагнитов. Также на корпусе установлен инжектор с мембраной для взятия проб воздуха с парами воды для последующего анализа, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса размещены пластинчатый нагревательный элемент и термопара без выступающих за пределы сечения цилиндра элементов для контролируемого перевода всей отобранной воды в парообразное состояние. Кроме того, управление электромагнитами с подпружиненными якорями осуществляется путем подачи электрического питания через провода с внешнего пульта.
На фиг. 1 представлен эскиз предлагаемого устройства для отбора проб атмосферного воздуха в полете для определения суммарной водности.
Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит цилиндрический корпус с электромагнитом, приводящим в действие подпружиненный клапан, расположенный перпендикулярно потоку воздуха.
Предлагаемое устройство (см. фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1 с двумя электромагнитами 2. Электромагниты соединены с пультом управления 3 электрическими проводами 4. К корпусу на шарнирах 5 подвижно крепятся крышки 6 с герметизирующими прокладками 7. Якорь 8 соединен с рычажным механизмом 9 и при выключенном электромагните с помощью пружины 10 обеспечивает постоянное закрытие крышек корпуса. Внутри корпуса расположены плоский нагреватель 11 и датчик температуры 12. Оба закреплены на поверхности и не имеют выступающих деталей, изменяющих аэродинамику потока. Снаружи на корпусе винтом 13 с отверстием крепится мембрана (прокладка) 14.
Работа устройства.
Устройство монтируется на внешней обшивке летательного аппарата, обычно на крыле, параллельно набегающему потоку воздуха и работает следующим образом.
В нерабочем состоянии цилиндрический корпус 1 при выключенных электромагнитах 2 (с пульта 3 через электрические провода 4 не поступает питание) плотно закрыты крепящимися на шарнирах 5 крышками 6 с амортизирующими прокладками 7. При этом якоря 8 электромагнитов через рычажный механизм 9 за счет давления пружин 10, установленных в корпусах электромагнитов, передают усилие закрытия на крышки 6. Для отбора проб на электромагниты 2 с пульта 3 через провода 4 подается электропитание. При втягивании якорей 8 усилие открытия передается через рычажный механизм 9 на крышки 6, что приводит к их повороту на 90° относительно оси корпуса. Через 2-3 секунды питание отключается, и крышки 6 за счет давления возвратных пружин 10 закрывают цилиндр. После отборов воздуха устройства отбора проб демонтируются с борта самолета и поступают в лабораторию, где на нагреватель 11 подается электропитание с контролем температуры по показаниям датчика от 12°С до 100°С. Через отверстие в винте 13 мембрану 14 прокалывают иглой газоплотного шприца, и проба воздуха вводится в испаритель газового хроматографа, где по существующим методикам производится ее точный анализ на содержание паров воды.
При реализации устройства для отбора проб атмосферного воздуха в полете для определения суммарной водности цилиндрический корпус, который располагается по потоку воздуха, может быть выполнен из гидрофобного материала тефлона. Одновременное открытие двух крышек с помощью системы рычагов с электромагнитным приводом обеспечивает при отборе «вырезание» тефлоновым корпусом аликвотной части воздуха, а контролируемый по внутренней термопаре нагреватель позволяет перевести всю отобранную воду внутри пробоотборника в парообразное состояние. Через встроенный в корпус пробоотборника инжектор с резиновой мембраной проба воздуха из отобранного объема легко забирается газоплотным шприцом, после чего анализ на газовом хроматографе обеспечивает определение суммарной водности с высокой точностью, а именно, с погрешностью не более 1%.
Таким образом, в сочетании с непрерывно работающими датчиками общей водности предлагаемое устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полете для определения суммарной водности позволяет обеспечить высокую точность измерения общей водности атмосферного воздуха на поверхности воздушного судна.