СПОСОБ ТЕРМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ В СОСТАВЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF HEAT AND VACUUM TESTS OF THERMOCATALYTIC ENGINES WITHIN SPACECRAFT

Изобретение относится к областям техники, связанным с испытаниями термокаталитических двигателей (ТКД) в составе космического аппарата (КА), в частности к термовакуумным испытаниям космических аппаратов.
Термовакуумные испытания космических аппаратов проводятся с целью проверки работоспособности функциональных элементов КА в условиях, имитирующих по уровням давления и температуры воздействие космического пространства.
Функциональная схема ТКД в составе КА приведена на фиг.1. Для простоты на рисунке показан один двигатель. В состав двигательной установки могут входить до двенадцати двигателей. Нагреватели, датчики давления, датчики температуры двигательных блоков и другие элементы, не имеющие отношения к заявке, на схеме не указаны.
Блок хранения и подачи рабочего тела 1 соединяется посредством магистрали межблочного трубопровода, имеющего в составе проверочную горловину 2, с двигателями. В состав двигателя, в свою очередь, входят: два последовательно установленных клапана 3 и 4, сигнализатор давления 5, термопара 6, камера термокаталитического разложения рабочего тела с соплом 7 и нагреватель двигателя 8. Подача питания на клапаны и нагреватели производится от бортового блока управления (БУ) 9. В зависимости от состояния контактов сигнализатора давления блоком управления 9 формируется соответствующий сигнал. Аналоговый сигнал термопары выведен в систему телеметрического контроля КА.
2
2
Испытания в атмосферных условиях ТКД в составе КА выполняются путем выдачи соответствующих команд, по которым БУ подает питание на исполнительные элементы-клапаны и нагреватели двигателей. Контроль состояния функциональных элементов двигателя производится по телеметрической информации, формируемой БУ (квитанции на включение источника питания определенного элемента-клапана или нагревателя двигателя) и элементами двигателя: термопарой (аналоговый сигнал, соответствующий уровню температуры двигателя) и сигнализатором давления. Для используемых типов ТКД замыкание контактов сигнализатора давления происходит на уровне избыточного давления в камере ТКД около 0,6 кгс/см относительно давления внешней среды; при давлении менее 0,6 кгс/смотносительно давления внешней среды контакты сигнализатора давления размыкаются. Работы выполняются с подачей газа в межблочный трубопровод через проверочную горловину 2. Режимы испытаний, в частности уровень температуры, регистрируемый термопарой двигателя, обеспечиваются средствами испытаний в автоматическом режиме.
-3
-1
При проведении термовакуумных испытаний КА устанавливается в вакуумную камеру. В связи с тем, что во время испытаний в составе КА производится включение высоковольтной аппаратуры, работы с подачей газа через двигательную установку связаны с риском возникновения высоковольтных разрядов при повышении давления в вакуумной камере до уровня 1·10-1·10 мм рт. ст. Поэтому, по известным методикам термовакуумных испытаний, работы по проверке функционирования ТКД выполняются без подачи газа.
Выбранный прототипом способ приведен в программно-методической документации ОАО «ИСС», например: «Космический аппарат «Луч-5А». Средства комплексных испытаний в КВУ-400. Система коррекции. Схема электрическая общая»; «Космический аппарат «Луч-5А». Средства комплексных испытаний в КВУ-400. Система коррекции. Схема электрическая принципиальная». Схема способа приведена на фиг.2.
По способу, выбранному прототипом, ТКД в составе КА устанавливают в вакуумную камеру 10. Для обеспечения контроля состояния функциональных элементов, испытываемых без подачи газа, цепи определенных элементов через гермопроходные соединители выведены на контрольно-измерительные средства автоматизированного испытательного комплекса (АИК) 11.
В частности, в цепь подачи питания на клапаны 3 и 4 двигателя установлена кабель-вставка с отводами на вольтметр 15. Цепь подачи питания от БУ на нагреватель двигателя 8 «разорвана», при этом цепь от БУ выведена на вольтметр 14, а цепь нагревателя двигателя выведена на омметр 13. Цепи блока управления, предназначенные для контроля состояния контактов сигнализатора давления, отключены от сигнализатора давления и выведены на имитатор сигнализатора давления 12 из состава АИК 11.
Испытания по выбранному прототипом способу проводятся следующим образом. На начальном этапе термовакуумные испытания КА проводятся с открытой крышкой вакуумной камеры с целью проверки схемы испытаний в целом. При этом в части ТКД выполняют следующие действия:
1) контролируют сборку схемы в соответствии с фиг.2;
2) в соответствии с программой испытаний подают команды на включение (отключение) нагревателя двигателя 8. БУ формирует квитанцию о включении источника питания нагревателя двигателя. При этом с помощью вольтметра 14 контролируют фактическое напряжение, формируемое источником питания нагревателя двигателя из состава БУ. С помощью омметра 13 контролируют сопротивление нагревателя двигателя. Применяемая в части нагревателя двигателя схема обусловлена тем, что количество включений и длительность включений нагревателей двигателей при атмосферном давлении ограничены техническими условиями;
3) в соответствии с программой испытаний подают команды на включение (отключение) клапанов 3 и 4 двигателя. БУ формирует квитанцию о включении источника питания соответствующих клапанов. При этом с помощью вольтметра 15 контролируется фактическое напряжение, формируемое источником питания клапанов двигателя из состава БУ;
4) выдают команды на замыкание (размыкание) контакта в имитаторе сигнализатора давления 12 из состава АИК 11 и проверяют формирование блоком управления соответствующего параметра (квитанции о замыкании (размыкании) контактов сигнализатора давления);
5) работу термопары проверяют путем сравнения ее показаний с температурой окружающей среды.
После установки крышки вакуумной камеры и достижения требуемого для испытаний уровня вакуума, космический аппарат проходит испытания при различных температурных режимах, имитирующих воздействие космического пространства. При этом в части ТКД выполняют действия, аналогичные описанным в пунктах 2)…5).
Недостатком способа, выбранного прототипом, является недостаточно высокая достоверность испытаний:
- наличие квитанции о включении источника питания соответствующих клапанов и напряжения на вольтметре 14 не подтверждают полностью факт открытия клапанов;
- не проверяется работа источника питания нагревателя двигателя с реальной нагрузкой в условиях термовакуумных испытаний;
- проверка формирования блоком управления квитанции о замыкании (размыкании) контактов сигнализатора давления при работе с реальным сигнализатором давления на этапе термовакуумных испытаний не производится;
- характер теплообмена между ТКД и окружающим пространством искажается из-за наличия дополнительных (по отношению к его штатной функциональной схеме, фиг. 1) кабелей;
- из-за сложности схемы возрастают продолжительность и стоимость испытаний.
Целью данного изобретения является: обеспечение максимального соответствия условий функционирования ТКД при проведении термовакуумных испытаний условиям штатной эксплуатации; снижение продолжительности и стоимости испытаний за счет упрощения схемы испытаний.
Эта цель достигается тем, что на камеру термокаталитического разложения рабочего тела с соплом устанавливают герметичную заглушку, магистраль межблочного трубопровода через проверочную горловину и технологическую магистраль сообщают со стендовым средством вакуумирования, мановакуумметром и газовым пультом, между которыми установлен вентиль, после завершения этапа испытаний КА с открытой крышкой вакуумной камеры подсоединяют цепи нагревателя двигателя к блоку управления, после установки крышки вакуумной камеры откачивают вакуумную камеру до заданного уровня вакуума, контролируют формирование информации блоком управления по факту замыкания контактов сигнализатора давления, закрывают вентиль и вакуумируют магистраль межблочного трубопровода до уровня давления, меньшего уровня давления размыкания контактов сигнализатора давления, подают команды на включение клапанов двигателя, контролируют формирование блоком управления информации по фактам включения источника питания соответствующих клапанов и размыкания контактов сигнализатора давления; подают команды на включение нагревателя двигателя, контролируют формирование блоком управления информации по фактам включения источника питания нагревателя двигателя, работу термопары и нагревателя двигателя проверяют путем контроля темпа изменения температуры, соответствующего включению нагревателя двигателя, отключают нагреватель двигателя и выдерживают паузу на остывание двигателя; завершают вакуумирование магистрали межблочного трубопровода, открывают вентиль и подают от газового пульта в магистраль межблочного трубопровода технологический газ давлением, достаточным для замыкания контактов сигнализатора давления, после чего проверяют формирование информации блоком управления по факту замыкания контактов сигнализатора давления; подают команды на отключение клапанов двигателя и контролируют телеметрическую информацию, формируемую блоком управления по факту отключения источника питания соответствующих клапанов. Суть изобретения поясняется на фиг. З.
Предлагаемый способ термовакуумных испытаний термокаталитических двигателей в составе космического аппарата заключается в следующем. ТКД в составе КА устанавливают в вакуумную камеру 10. На камеру термокаталитического разложения рабочего тела с соплом 7 для исключения повышения давления в вакуумной камере устанавливают герметичную заглушку 16. Магистраль межблочного трубопровода через проверочную горловину 2 и технологическую магистраль 17 сообщают со стендовым средством вакуумирования 21, мановакуумметром 20 и газовым пультом 19, между которыми установлен вентиль 18.
На начальном этапе термовакуумные испытания КА проводятся с открытой крышкой вакуумной камеры с целью проверки схемы испытаний в целом. При этом в части ТКД выполняют следующие действия:
1) контролируют сборку схемы в соответствии с фиг. 3, при этом цепи нагревателя двигателя 8 от блока управления 9 отсоединены для исключения несанкционированного включения нагревателя двигателя в атмосферных условиях;
2) в соответствии с программой испытаний подаются команды на включение либо отключение нагревателя двигателя 8. БУ формирует квитанцию о включении либо отключении источника питания нагревателя двигателя;
3) открывают вентиль 18 и подают от газового пульта 19 в магистраль межблочного трубопровода технологический газ (азот) давлением, достаточным для замыкания контактов сигнализатора давления;
4) в соответствии с программой испытаний подают команды на включение клапанов 3 и 4 двигателя. БУ формирует квитанцию о включении источника питания соответствующих клапанов. По мере повышения давления в камере термокаталитического разложения рабочего тела с соплом 7 замыкаются контакты сигнализатора давления 5, после чего проверяют формирование информации блоком управления 9 по факту замыкания контактов сигнализатора давления;
5) стравливают газ из магистрали межблочного трубопровода до атмосферного давления через дренажную магистраль газового пульта 19;
6) в соответствии с программой испытаний подают команды на отключение клапанов 3 и 4 двигателя. БУ формирует квитанцию об отключении источника питания соответствующих клапанов. По мере понижения давления в камере термокаталитического разложения рабочего тела с соплом 7 размыкаются контакты сигнализатора давления 5, после чего проверяют формирование информации блоком управления 9 по факту размыкания контактов сигнализатора давления и выдают команды на отключение клапанов 3 и 4 двигателя;
7) работу термопары проверяют путем сравнения ее показаний с температурой окружающей среды;
8) после завершения этапа испытаний КА с открытой крышкой вакуумной камеры подсоединяют цепи нагревателя двигателя 8 к блоку управления 9.
После установки крышки вакуумной камеры откачивают вакуумную камеру до заданного (требуемого для испытаний) уровня вакуума, космический аппарат проходит испытания при различных температурных режимах, имитирующих воздействие космического пространства. При этом в части ТКД выполняют следующие действия:
1) контролируют формирование информации блоком управления 9 по факту замыкания контактов сигнализатора давления (замыкание происходит из-за возникновения перепада между уровнями давлений в магистрали двигателя и в вакуумной камере);
2) закрывают вентиль 18 и вакуумируют магистраль межблочного трубопровода до уровня давления, меньшего уровня давления размыкания контактов сигнализатора давления 5 (и достаточного для безопасной проверки нагревателя двигателя);
3) в соответствии с программой испытаний подают команды на включение клапанов 3 и 4 двигателя. Контролируют формирование блоком управления 9 информации по фактам включения источника питания соответствующих клапанов и размыкания контактов сигнализатора давления;
4) в соответствии с программой испытаний подают команды на включение (отключение) нагревателя двигателя 8. Контролируют формирование блоком управления 9 информации по фактам включения источника питания нагревателя двигателя. Работу термопары и нагревателя двигателя проверяют путем контроля темпа изменения температуры, соответствующего включению (отключению) нагревателя двигателя 8. Отключают нагреватель двигателя 8 и выдерживают паузу на остывание двигателя;
5) завершают вакуумирование магистрали межблочного трубопровода, открывают вентиль 18 и подают от газового пульта 19 в магистраль межблочного трубопровода технологический газ (азот) давлением, достаточным для замыкания контактов сигнализатора давления. По мере повышения давления в камере термокаталитического разложения рабочего тела с соплом 7 замыкаются контакты сигнализатора давления 5, после чего проверяют формирование информации блоком управления 9 по факту замыкания контактов сигнализатора давления;
6) в соответствии с программой испытаний подают команды на отключение клапанов 3 и 4 двигателя и контролируют телеметрическую информацию, формируемую БУ по факту отключения источника питания соответствующих клапанов;
7) к завершению испытаний заполняют магистраль межблочного трубопровода и полость от клапанов двигателя до заглушки 16 газом и оставляют с небольшим избыточным (относительно атмосферного давления) давлением;
8) при разборке схемы испытаний снимают заглушку 16.
Предлагаемая по заявляемому способу методика испытаний позволяет проводить термовакуумные испытания термокаталитических двигателей в составе космического аппарата в конфигурации, наиболее близкой к условиям эксплуатации.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает максимальное соответствие условий функционирования ТКД при проведении термовакуумных испытаний условиям штатной эксплуатации; снижение продолжительности и стоимости испытаний за счет упрощения схемы испытаний.
Заявляемое изобретение может быть использовано в космической технике при проведении термовакуумных испытаний термокаталитических двигателей в составе космического аппарата.